Warum haben Raketentriebwerke einen Hals?

Der ganze Sinn des Halses besteht darin, die Abgasgeschwindigkeit zu erhöhen. Aber nicht nur etwas erhöhen – eine Raketendüse ist so konstruiert, dass die Düse verstopft . Dies ist eine andere Art zu sagen, dass die Strömung so stark beschleunigt wird, dass sie am Hals Schallbedingungen erreicht. Dieses Würgen ist wichtig. Da dies bedeutet, dass der Fluss am Hals Schall ist, können keine Informationen stromaufwärts vom Hals in die Kammer gelangen. Der Außendruck wirkt sich also nicht mehr auf die Brennraumeigenschaften aus.

Sobald es an der Kehle Schall gibt und vorausgesetzt, dass die Düse richtig konstruiert ist, passieren einige interessante Dinge. Wenn wir die Unterschallströmung betrachten, beschleunigt sich das Gas, wenn die Fläche abnimmt, und verlangsamt sich, wenn die Fläche zunimmt. Dies ist der traditionelle Venturi-Effekt. Wenn die Strömung jedoch Überschall ist, passiert das Gegenteil. Die Strömung beschleunigt sich, wenn die Fläche zunimmt, und verlangsamt sich, wenn sie abnimmt.

Sobald also die Strömung an der Kehle Schall ist, beschleunigt sich die Strömung durch die expandierende Düse weiter. Dies alles wirkt zusammen, um die Abgasgeschwindigkeit auf sehr hohe Werte zu erhöhen.

Aus Sicht der Nomenklatur ist der Hals einer Düse der Ort, an dem die Fläche am kleinsten ist. Eine „U-förmige Kammer mit einer Düse“ hat also immer noch einen Hals – es ist definiert als dort, wo die Fläche am kleinsten ist. Wenn die Düse ein gerades Rohr ist, gibt es keinen nennenswerten Hals.

Frühere Antworten haben sich auf den Winkel der Fluiddynamik konzentriert. Sie können es jedoch auch aus einem rein thermodynamischen Blickwinkel betrachten, indem Sie den Raketenmotor als Wärmekraftmaschine betrachten.

Um nützliche Arbeit (beschleunigte Abgase) zu erhalten, benötigen Sie eine Art thermodynamischen Zyklus mit Verbrennung und anschließender Expansion. Aufgrund der Energieerhaltung ist die vom Gas aufgenommene Menge an kinetischer Energie dann proportional zur Menge an Enthalpie (Wärme- + Druckenergie), die verschwindet, wenn sich das Abgas ausdehnt und abkühlt.

Dies bedeutet, dass Sie die Temperatur in der Brennkammer maximieren und die Temperatur des Abgases minimieren möchten, um Ihren Carnot-Wirkungsgrad zu maximieren. Sie stellen dies sicher, indem Sie dafür sorgen, dass die Verbrennung vor der Expansion stattfindet, mit einer separaten Brennkammer und Expansionsdüse.

Außerdem soll das Gas um einen möglichst großen Faktor expandieren, um die Abgastemperatur zu minimieren – und das Expansionsverhältnis ist proportional zur Fläche des Düsenaustritts dividiert durch die Fläche des Düsenhalses. Das bedeutet, dass wir allein aus thermodynamischen Überlegungen sehen können, dass es vorzuziehen ist, einen sehr engen Hals und eine sehr große Austrittsfläche zu haben.

Die Fluiddynamik bestimmt die genauen Details der Düsenformen (De-Laval-Düsen usw.), die den thermodynamischen Wirkungsgrad so nahe wie möglich an den Carnot-Wirkungsgrad bringen, und ob sich der Auspuff tatsächlich ausdehnt oder sich stattdessen von den Düsenwänden löst. Die Notwendigkeit einer separaten Brennkammer und Düse ist jedoch viel einfacher und kann ohne Kenntnisse der Unterschall-/Überschallströmung verstanden werden.

Als Ergänzung zur Antwort von @ tpg2114 schlage ich vor, auch über de Laval-Düse und Raketentriebwerksdüse auf Wikipedia zu lesen.

Some typical values of the exhaust gas velocity
for rocket engines burning various propellants are:

1.7 to 2.9 km/s (3800 to 6500 mi/h) for liquid monopropellants
2.9 to 4.5 km/s (6500 to 10100 mi/h) for liquid bipropellants
2.1 to 3.2 km/s (4700 to 7200 mi/h) for solid propellants

also macht es auf jeden Fall Sinn, eine Düse zu haben)

Der Schub eines Raketentriebwerks ist eine Kraft, die durch eine Nettodruckkraft verursacht wird, die auf die gesamte Vorrichtung wirkt. Die Impulsänderung der Verbrennungsgase, die sich von der Brennkammer zum Düsenausgang bewegen, ist nur das physikalische Mittel, durch das diese relevante Druckdifferenz aufrechterhalten wird. Viele Studenten scheinen diese grundlegenden Probleme nicht zu verstehen, und einige dieser Missverständnisse spiegeln sich in einigen der Antworten hier wider.

Um dies zu verstehen, zeichnen Sie ein geschlossenes Kontrollvolumen, das das gesamte Innere der Brennkammer, das Innere der Düse und die Austrittsebene der Düse umreißt. Nehmen Sie im einfachsten Fall eine Düse, die am Hals endet, ohne divergierenden Abschnitt und mit einem sehr kurzen konvergenten Abschnitt. In diesem Fall befindet sich die Austrittsebene der Düse auf atmosphärischem Druck und die Austritts-Machzahl ist Eins.

Unter der Annahme, dass der statische Druck innerhalb der Brennkammer gleichmäßig ist, heben sich alle innerhalb des Steuervolumens wirkenden Druckkräfte im Wesentlichen auf, mit Ausnahme der atmosphärischen Druckkräfte, die auf die Austrittsebene wirken, und der Brennkammerdruckkräfte, die auf die durch den Hals projizierte Fläche wirken vorderes Ende der Brennkammer.

Die Nettokraft auf das Steuervolumen ist somit gleich A*(Pc - Pa), wobei A die Halsfläche, Pc der statische Druck der Verbrennungskammer und Pa der atmosphärische Druck ist. Bei einem solchen Sachverhalt ist es leicht zu erkennen, dass es Druckkräfte sind, die die Rakete bewegen. Zu sagen, dass die Impulsänderung der Verbrennungsgase die Rakete bewegt, ist nicht falsch, aber ohne die Rolle der Druckkräfte zu verstehen, kann man nicht wirklich verstehen, wie eine Rakete angetrieben wird.

Wir können diese Argumentation nun auf den Fall erweitern, der den üblichen divergenten Düsenabschnitt hat. Dabei verstehen wir, dass der Vorteil eines solchen Querschnitts darin begründet liegt, dass nun atmosphärischer Druck auf die Düsenaustrittsebene wirken kann, wobei eine viel kleinere Halsfläche vorhanden ist. Die kleinere Halsfläche erzeugt einen viel geringeren Massenstrom von Verbrennungsprodukten, und somit ermöglicht eine konvergente/divergente Düse eine viel effizientere Nutzung des Verbrennungsgas-Massenstroms, um zu ermöglichen, dass atmosphärischer Druck auf die Austrittsebene der Düse wirkt. Ohne den divergenten Abschnitt wäre ein viel größerer Massenstrom erforderlich, um die gleiche auf die Rakete wirkende Nettodruckkraft zu erzeugen.

Es ist wichtig, die Newtonschen Gesetze und die Rolle der Impulsänderung in Bezug auf Raketentriebwerke zu verstehen, und die Rolle der Druckkräfte ist untrennbar mit der Impulsänderung verbunden. Da dieses Gesetz jedoch so grundlegend und einfach anzuwenden ist, scheinen einige Leute ihr grundlegendes Verständnis der Funktionsweise eines Raketentriebwerks zu verkürzen.