Warum haben druckgespeiste Motoren Verbrennungsinstabilitäten?

Als ich über die Sea Dragon-Idee las, stieß ich auf dieses Argument dagegen , das überzeugend klingt, sich aber auf detailliertere Kenntnisse stützt als ich:

Diese sollen druckgespeist werden, um "Komplexität" zu vermeiden. Komplexität? Wie steht es mit der Verbrennungsinstabilität durch außer Kontrolle geratene Druckwellen von der Größe von Häusern? Es dauerte sieben Jahre, um Verbrennungsprobleme davon abzuhalten, den F1 auf Prüfständen zu töten, und wenn es nicht Ende der fünfziger Jahre als Forschungsprojekt gestartet worden wäre, hätte es das gesamte Mondprogramm verzögert.

AFAIK, der Sea Dragon hätte einen unter Druck stehenden Heliumbeutel mit etwa 60 psi, der als Schieber der kryogenen Flüssigkeiten in den Motor fungiert. Es scheint völlig kontraintuitiv zu sein, dass dies mehr mechanische Probleme hätte als ein turbinengetriebenes System.

Warum ist das? Was bewirkt, dass ein erstaunlich einfacher druckbetriebener Motor unter großen Druckinstabilitäten leidet, die sich vom Motor ausbreiten?

Nur als Referenz und empfohlene Lektüre aus vergangenen Tagen: Harrje, Reardon (1972) - NASA SP-194 Liquid Propellant Rocket Combustion Instability.
Es ist interessant festzustellen, dass die "Verbrennungsinstabilität" von nur einer kleinen Vibration bis hin zu höchst unterhaltsamen, aber gefährlichen und teuren Explosionen reicht. Eine sehr feine Frage!
Alan, F-1 und J-2 wurden gepumpt. Sie denken an SM- und LM- Motoren.
Ein druckgespeister Motor, der mit 60 psi arbeitet, hätte einen ziemlich schlechten Schub. Denken Sie an Hunderte von psi, wenn die Absicht darin besteht, es für eine Trägerrakete zu verwenden. Die meisten druckgespeisten Abblassysteme speichern Druckmittel bei Tausenden von psi.
Ein weiterer Hinweis: Instabilität der Verbrennung von Flüssigraketentriebwerken. Vigor Yang, William Anderson (Hrsg.). AIAA Nr. 169, 1995.
@AdamWuerl: Hier geht es um den Druck, der Kraftstoff in die Brennkammer liefert, nicht um den Druck, der als direkter Treibstoff wirkt. Das Einspeisen von flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff bei 60 psi in die Kammer, wo sie heftig reagieren und einen tatsächlichen Antrieb liefern, scheint ein kleiner Punkt zu sein.
@SF. Ähm, nein. So funktionieren Raketentriebwerke nicht. Das Treibmittel in der Brennkammer muss unter hohem Druck stehen. Die Kammer ist nicht abgedichtet, sodass das Verbrennungsereignis den Druck nicht erhöht, wie es bei einem Verbrennungsmotor der Fall ist. Die Verbrennung erhöht die Temperatur, die die Energie liefert, die durch Expansion durch die Düse in Geschwindigkeit umgewandelt wird, aber ohne Druck funktioniert nichts davon. Die Brennkammer wird von einer Hochdruckquelle gespeist oder bei Niederdruck gespeichert und hochgepumpt. 60 psi ist wahrscheinlich der Zufuhrdruck zu den Turbopumpen.
@AdamWuerl Ich dachte, dass die Reaktion den Druck innerhalb des Kegels erhöht, aber das breitet sich nicht wieder nach oben aus, weil der Fluss gedrosselt ist. Aber es könnte vieles geben, was ich nicht verstehe. Ich dachte auch, dass der Saturn V einen ähnlichen 60 psi Helium-Schubballon verwendet. Vielleicht wäre das eine Überlegung wert.
@AdamWuerl: Wenn es schon Druck gibt, warum braucht man dann so viel Wärme? Ich könnte verstehen, dem Temperaturabfall entgegenzuwirken, wenn sich unter Druck stehendes Material ausdehnt, um zu verhindern, dass das Ganze einfriert, aber normalerweise wandelt sich die Temperatur allein nicht in Geschwindigkeit um (oder die Sonne würde sehr schnell fliegen), sie kann lediglich die Energie eines Gases erhöhen, entweder expandieren oder seinen Druck erhöhen (und Gas, das sich aus einer offenen Kammer ausdehnt, sorgt für Schub gegen die Richtung der Düse.) Trotzdem benötigen Sie dafür keine Wärme, unter Druck stehendes kaltes Gas reicht immer noch aus.
@SF. und AlanSE Das sind gute Fragen, von denen ich dachte, dass sie einen eigenen Thread verdient hätten: Warum müssen pumpen- und druckgespeiste Flüssigkeitsmotoren mit hohen Drücken arbeiten?
Ich liebe diese Diskussion. Ich habe mich auch über die Machbarkeit des Sea Dragon gewundert. Bei meinen Wanderungen fand ich heraus, dass der SpaceX Kestrel-Motor, der in der Oberstufe von Falcon 1 verwendet wurde, ein Zapfendesign hatte und auch druckgespeist war (keine Turbopumpe). Es erzeugte jedoch nur knapp 7000 lbf Schub. Aber die Sea Dragon hätte einen 10.000-mal so großen Motor benötigt. Es hatte ein Verhältnis von Schub zu Gewicht von 65: 1, sodass der Motor allein über eine Million Pfund gewogen hätte. Dies setzt natürlich eine perfekt lineare Skalierung voraus, die in der Praxis nicht wirklich vorkommt.

Antworten (2)

In den druckgespeisten Raketentriebwerken wird das Treibmittel (sowohl das Oxidationsmittel als auch der Brennstoff) durch das unter Druck stehende Gas (normalerweise Helium) in die Brennkammer geleitet und enthält keine Komplexität wie eine gespeiste Pumpe oder Turbopumpen

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das Vorhandensein der Turbopumpe verhindert, dass die Druckwelle den Treibstofftank erreicht. Aber in einem druckgespeisten Raketentriebwerk befindet sich nur das Ventil, das sich unter Druck öffnet und schließt

Das Ventil öffnet, wenn der Druck in der Brennkammer geringer ist als der Druck im Treibstofftank (der dickwandig ist, weil er hohen Drücken standhalten muss).

Das Ventil schließt, wenn der Druck in der Brennkammer höher ist als der Druck im Treibstofftank (um zu verhindern, dass die Druckwellen den Treibstofftank erreichen)

Bei einem direkt druckgespeisten Zyklus führt jede Druckänderung zu einer doppelten Änderung in der gesamten Schleife, wodurch die Schwingung verstärkt wird. Es gibt keine Turbine zwischen den Injektoren und den Behältern, die verhindert, dass sich diese Schwingung ausbreitet

Während des Verbrennungsprozesses steigt der Druck in der Brennkammer (die Strömungsgeschwindigkeit nimmt ab), gleichzeitig nimmt die Menge des vom Injektor eingespritzten Treibmittels ab und plötzlich steigt die Strömungsgeschwindigkeit (der Druck in der Brennkammer sinkt), die Injektoren spritzen mehr Treibmittel ein, das nach außen verbrennt die Düse.

Theoretisch wird die Verweilzeit des Kraftstoffs in einer Brennkammer durch die charakteristische Länge (normalerweise mit L * bezeichnet) (Mindestlänge, die der Kraftstoff in der Brennkammer und Düse verbleibt, damit eine vollständige Verbrennung stattfinden kann) angegeben.

L ∗ = q ∗ v ∗ t s EIN

q ist der Treibmittelmassenstrom, V ist das durchschnittliche spezifische Volumen und t s ist die Verweilzeit des Treibmittels A ist der Schallhalsbereich

die Treibmittelmenge ist also eine Funktion der Druckdifferenz zwischen Brennkammer und Treibmitteltank und mit zunehmender Treibmittelmenge infolge Unterdrucks (im Vergleich zum Druck im Kraftstofftank) in der Brennkammer die charakteristische Länge auch Zunahmen (da die Düsenlänge konstant bleibt) führen zu Instabilitäten bei der Kraftstoffverbrennung und die Verbrennung findet außerhalb der Düse statt

Das Problem mit Sea Dragon und der Druckinstabilität besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit einer Druckinstabilität exponentiell zunimmt, wenn die Größe der Brennkammer und der Düsendurchmesser linear ansteigen. Die Glocke von Sea Dragon sollte einen Durchmesser von über 75 Fuß haben und eine Kraft von 350 Meganewton abgeben (etwa 5000 % mehr als ein F-1-Motor). Die F-1 hatten große Probleme mit der Verbrennungsstabilität, die schließlich gelöst wurden.

Truax kümmerte sich nicht um die Verbrennungsstabilität, da der Motor ein Zapfeninjektortyp sein sollte. Er glaubte, dass die natürliche Verbrennungsstabilität des Zapfeninjektors es enormen Motoren ermöglichen würde, bei einer Vielzahl von Drücken hochstabil zu sein. (Variabler Druck war ein wichtiger Bestandteil seines Designs, da er ein viel einfacheres und schlampigeres System ermöglichte, bei dem der Druck hoch begann und langsam abnahm, als sich die Tanks entleerten.)

TRW (der die Raketen für den Apollo-Lander baute) bestätigte später seine Überzeugung . In diesem Papier weisen sie darauf hin, dass Zapfeninjektoren eine stabile Verbrennung mit Motoren gezeigt haben, die im Maßstab um 50.000:1 variieren. Also hatte Truax wahrscheinlich recht.

Interessanterweise hatten die Sowjets das gleiche Problem mit der Verbrennungsstabilität wie wir. Aus diesem Grund verwendeten frühe sowjetische Motoren vier kleinere Brennkammern anstelle einer großen. Die Unfähigkeit der Sowjets, große Motoren zu entwickeln, führte dazu, dass die N1 (ihre Mondrakete) so viele Motoren hatte (33 in der ersten Stufe, glaube ich). Was dann zu enormen Sanitärproblemen führte, die zum Ausfall der N1 führten, was zum Scheitern des sowjetischen Mondprogramms führte.

Dies sind gute Informationen (und das verlinkte TRW-Papier ist eine großartige Lektüre), aber ich bin skeptisch, dass das Verhalten von Zapfeneinspritzmotoren bis zu 2900 kN viel darüber aussagt, was sie beim 120-fachen dieses Niveaus tun werden.
Auch wenn der Zapfeninjektor nicht mit Seedrachengrößen stapelbar ist, ist dies eine hervorragende Antwort und zeigt, wie vorausschauend Truax war. Es scheint also wahr zu sein zu sagen, dass Instabilität die Anziehungskraft auf Cluster ausmacht? Ich habe mich immer über die Komplexität einiger der gruppierten Designs gewundert.
@WetSavannaAnimalakaRodVance: Mehr Motoren bedeuten natürlich eine größere Wahrscheinlichkeit, dass mindestens einer der vielen so etwas wie eine Explosion tut, was zu anderen Formen der Instabilität führt
Außerdem zeigt das Sea Dragon-Vorschlagsdokument, was wie ein herkömmlicher Duschkopfinjektor im Motor der ersten Stufe aussieht; Haben Sie ein Zitat für Truax in Bezug auf die Zapfeninjektion für SD?
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