Warum erhöht ein Raketentriebwerk die Leistung mit der Geschwindigkeit, wenn die Verbrennungsrate konstant ist?

Einfach ausgedrückt ist die Leistungsvariation auf die Unterscheidung zwischen der Abgasstrahlleistung und der dem Fahrzeug hinzugefügten mechanischen Leistung zurückzuführen. Die im raketenfesten Bezugssystem gemessene Leistung des Abgasstroms ist nur von der Energiefreisetzungsrate des Treibmittels abhängig. Die Rate der dem Fahrzeug zugeführten kinetischen Energie hängt von dem vom Motor entwickelten Schub und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab, die in einem anderen Bezugssystem gemessen wird.

Diese beiden Kräfte stimmen nur vorübergehend überein, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich der Abgasgeschwindigkeit ist (wenn der Auspuff in Ruhe gelassen wird).

Intuitiv könnte man so etwas sagen:

Wenn sich die Rakete langsamer als ihre eigene Abgasgeschwindigkeit bewegt, landet das Leistungsdefizit (Abgasleistung - Fahrzeugleistung) als restliche kinetische Energie im Abgas. Wenn sich die Rakete schneller als ihre eigene Abgasgeschwindigkeit bewegt, kommt der Leistungsüberschuss von der im Treibmittel vorhandenen kinetischen Energie.

Hier ist ein Diagramm der Gesamtsystemenergie für eine Rakete mit dem Massenverhältnis 5, die aus der Ruhe beschleunigt. Die kinetischen Energien der Raketenstruktur, des Bordtreibstoffs und der Abgase sowie die innere (chemische) Energie des Treibstoffs werden gezeigt, nur um zu zeigen, dass die Summe konstant bleibt, unabhängig davon, wie viel Treibstoff verbrannt wurde.

Leistung = Arbeit/Zeit = Kraft × Weg/Zeit = Masse × Beschleunigung × Geschwindigkeit

Wir müssen uns daran erinnern, dass diese Definitionen für Zugpferde vor dem Zeitalter erstellt wurden, in dem der Luftwiderstand signifikant war.

"Power" beschreibt genauer den Energiezustand eines Objekts.

In einem Vakuum, entfernt von einem Gravitationsfeld, wird eine Rakete unter konstanter Schubkraft mit zunehmender Geschwindigkeit immer mehr Kraft (als Impaktor) haben.

Ein Turbofan und ein Turbojet, die in der Atmosphäre arbeiten, sind in der Schubmenge, die sie erzeugen, durch den verfügbaren Sauerstoff begrenzt und in der Geschwindigkeit durch den Luftwiderstand begrenzt . In extremen Fällen (z. B. Hyperschallflug) spielt auch die Reibungserwärmung durch Luftwiderstand eine erhebliche Rolle.

Turbofans arbeiten im Allgemeinen im Unterschallmodus, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen.

„Power“- und Drag-Diagramme sind beliebt für Flugtrainingsprogramme, können aber verwirrend sein, es sei denn, Power = Thrust x Velocity wird angewendet.

Der Schub ist eine einfachere Möglichkeit, die Motorleistung zu quantifizieren. Sogar für Propellerflugzeuge kann "Pferdestärke" als Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl beschrieben werden.

Die Rakete erzeugt mit der Geschwindigkeit einen konstanten Schub, was bedeutet, dass die Leistung mit der Geschwindigkeit zunimmt.

Wenn Sie "Leistung" auf die zeitliche Energieänderung des Fahrzeugs + unverbrannten Kraftstoff beschränken, dann ja, das ist richtig.

Woher kommt diese Leistungssteigerung, wenn die Kraftstoffverbrennungsrate konstant ist, wie lässt sich dies im Referenzrahmen der Rakete erklären, ohne gegen physikalische Gesetze zu verstoßen?

Es kommt daher, dass man nur einen Teil dessen betrachtet, was der Motor tut. Die andere Änderung, die der Motor vornimmt, ist eine Änderung der Energie des Kraftstoffs/Abgases.

Im ersten Moment, in dem der Motor läuft (wenn die Rakete noch stationär ist), gehen 100 % der Verbrennungskraft des Motors in die Beschleunigung des Kraftstoffs in den Auspuff. Die Leistung, die in das Fahrzeug gelangt, ist null, aber der Motor tut immer noch etwas.

Wenn die Rakete in diesem Frame beschleunigt, sehen wir, dass sich das Verhältnis, wohin die Kraft geht, ändert. Es geht mehr Leistung in die Beschleunigung des Fahrzeugs und weniger Leistung in die Beschleunigung des Auspuffs.

Wenn wir davon ausgehen, dass der Motor mit nahezu konstantem Kraftstofffluss läuft, würden wir dies jederzeit sehen

Wenn es wegbeschleunigt, steigt die Menge, die in den Raketenterm geht, während die Menge, die in den Treibstoffterm geht, abnimmt. (Und tatsächlich kann dieser letzte Term negativ werden, so dass die Energie, die zur Rakete geht, größer ist als die Energie aus der Verbrennung).

Erzeugen Turbofan und Turbojet auch konstanten Schub bei Drehzahl?

Das ist eine nützliche Annäherung über einen großen Bereich von Betriebsbedingungen. Aber im Gegensatz zu einer Rakete haben Flugzeuge beim Beschleunigen zunehmende Luftwiderstandskräfte. Dies begrenzt die Höchstgeschwindigkeit und die mögliche Beschleunigung. Da die meisten Flugzeuge mit einem dominierenden Reisefluganteil (nicht beschleunigender Anteil) fliegen, ist die Idee, wie sich der KE der Flugzeugzelle im Laufe der Zeit ändert, viel weniger interessant.