Warum ist das Design von SpaceXs Raptor im Vergleich zu SSME so einfach?

Ich würde keine Schlussfolgerungen allein auf der Grundlage von Diagrammen ziehen, SSME ist in der Öffentlichkeit sehr bekannt, daher haben wir ein detaillierteres Diagramm. Das bedeutet nicht, dass der eigentliche Motor mehr oder weniger komplex ist, da viele Dinge in Diagrammen weggelassen werden. Um meinen Standpunkt zu beweisen, hier ist ein neueres Raptor-Diagramm, das von einem Antriebsingenieur Elisei Maslov gezeichnet wurde , der das echte Diagramm aus allen Informationen rekonstruiert, die er finden kann:

Viele Fragen hier, lassen Sie uns diese beiden zuerst angehen:

4. Und zu guter Letzt, was ist die Lösung von SpaceX für die sauerstoffreiche Umgebung bei 377 bar, 748 K Injektor und 546 bar, 811 K Vorbrenner?

2. Die Sauerstoffpumpe des Raptor sitzt direkt auf der Hauptbrennkammer, während sich die beiden Pumpen der SSME auf den gegenüberliegenden Seiten der Hauptbrennkammer befinden. Warum konnte die SSME keine ähnliche Konfiguration mit Sauerstoffpumpen-Vorbrenner oben und HP-Sauerstofflaufradauslass direkt oben auf der Hauptbrennkammer verwenden?

Das Space Shuttle flog erstmals 1981. Damals in den 1970er Jahren, als es entworfen wurde, versuchten die Amerikaner nicht, sauerstoffreiche gestufte Verbrennungsmotoren zu bauen, da sie davon ausgingen, dass es keine Legierung gab, die den Bedingungen standhalten konnte. Dies hinderte die Amerikaner effektiv daran, Kerosinmotoren mit gestufter Verbrennung zu entwickeln, da ein kraftstoffreicher Kerosinmotor mit gestufter Verbrennung unter Verkokung leiden würde.

In den 1990er Jahren, nach dem Fall der Sowjetunion, bekamen die Amerikaner einige alte NK33-Motoren in die Hände und stellten fest, dass die Sowjets die Materialprobleme der sauerstoffreichen Verbrennung in den 1960er Jahren gelöst hatten! Die Sowjets waren daher in der Lage gewesen, Kerosin mit gestufter Verbrennung zu verwenden, wie in der RD170 der sowjetischen schweren Trägerrakete Energiya (die 1988 das sowjetische Shuttle Buran auf ihrem einzigen Raumflug beförderte, bevor der Zusammenbruch der Sowjetunion das Verschwinden des Budgets verursachte) und seine Derivat des RD180 (das in die USA verkauft wurde) (Quelle: Wikipedia )

Aufbauend auf dieser sowjetisch-russischen Erfahrung hat SpaceX seine eigenen Legierungen entwickelt, die höchstwahrscheinlich sehr teuer und schwer zu verarbeiten sind.

Die Sauerstoffpumpe sitzt daher wahrscheinlich oben auf der Brennkammer, um den Sauerstoffweg so kurz wie möglich zu halten. Dies bedeutet, dass Raptor ein sehr großer Motor ist. Es sieht so aus, als ob die Düse weniger als die Hälfte der Gesamtlänge ausmacht, während sie bei den meisten anderen Motoren auf Meereshöhe mehr als die Hälfte ausmacht. Ich bin mir nicht sicher, wie SpaceX vorschlägt, den Raptor zu montieren, aber wenn sie eine obere Halterung wie den Space-Shuttle-Motor verwenden, wird diese Düse für nur ein paar Grad kardanisch weit horizontal schwingen! Eine mögliche Lösung besteht darin, den Motor in einem Ringgimbal zu montieren. Ich würde vermuten, dass die Konstrukteure des Hauptmotors des Space Shuttles, die mit einem kraftstoffreichen Zyklus arbeiteten, beschlossen, die Pumpen neben der Brennkammer zu platzieren, um den Motor kurz zu halten und sicherzustellen, dass der Motor nicht zu viel Platz zum Schwingen benötigt.

Wie in der unten verlinkten Stanford SSME-Präsentation erwähnt, machte die Lage der Turbopumpen auf der SSME sie außerdem leicht austauschbar. Die Sauerstoff-Turbopumpe war komplex und hatte aus Sicherheitsgründen eine mit Helium gespülte Dichtung zwischen der brennstoffreichen Turbine und der Sauerstoffpumpe. Die Wasserstoff-Turbopumpe war komplex, weil sie mehrere Stufen benötigte, um einen angemessenen Druck zu erreichen und gleichzeitig die am wenigsten dichte bekannte Flüssigkeit zu pumpen.

An der Turbopumpe von Raptor kann nicht gearbeitet werden, ohne den Motor aus dem Fahrzeug zu entfernen. Es ist jedoch speziell auf langfristige Zuverlässigkeit ausgelegt. Einer der Gründe, warum SpaceX sich für die gestufte Vollstromverbrennung entschieden hat, war die Vereinfachung der Turbopumpendichtungen, wobei jede Turbine mit einem Gasgemisch betrieben wird, das mit der gepumpten Flüssigkeit kompatibel ist.

3. Warum Raptor sich dafür entscheidet, den Methanausstoß frisch aus der Kraftstoffpumpe zu verwenden, anstatt den hinteren des Düsenkühlkreislaufs, um ihn im sauerstoffreichen Vorbrenner zu verwenden, da letzterer ein überkritisches Fluid ist (Methan wird bei 45,99 bar überkritisch). und 190,56 K) und hat eine bessere Verbrennung als ersteres, das eine echte Flüssigkeit ist?

Dies soll wahrscheinlich die Steuerung und Drosselung verbessern. Eine echte Flüssigkeit hat eine definierte Dichte und ist daher einfacher zu dosieren als eine überkritische Flüssigkeit, deren Dichte druck- und temperaturabhängig ist.

1. Der Raptor hat keine LP-Kraftstoff- oder Sauerstoffpumpe ...

Ich muss Johneye zustimmen, dass wir aus einer Zeichnung nicht zu viele Rückschlüsse darauf ziehen können, wie komplex ein Motor ist, da es davon abhängt, wie viele Details gezeigt werden. Eine Sache, die wir jedoch sehen können, ist, dass die SSME diese LP-Pumpen hat. Ich denke nicht, dass der Raptor besonders ungewöhnlich ist, wenn er sie nicht hat. Der RS68 (der engste Verwandte von SSME) hat nur Einwellen-Turbopumpen, siehe Seite 3 von http://www.rocket-propulsion.info/resources/articles/PropulsionForThe21stCentury-RS-68.pdf

Beachten Sie, dass der Raptor wahrscheinlich mehrere Stufen auf einer einzigen Welle hat, um den erforderlichen Druck zu erhalten. Die Zeichnung im OP zeigt 2 Stufen auf einer einzelnen Welle in der Methanpumpe.

Was die SSME unterscheidet, ist, dass sie separate Druckerhöhungspumpen mit niedrigerer Drehzahl auf separaten Wellen verwendet. Der Grund dafür ist die Vermeidung von Kavitation, die auftritt, wenn eine Flüssigkeit nahe ihrem Siedepunkt so gerührt wird, dass sich Blasen bilden und dann zusammenfallen. Eine zusätzliche Vorsichtsmaßnahme ist die Verwendung von Rohrleitungen mit großem Durchmesser. Es scheint, dass diese Pumpen mit niedriger Drehzahl nicht mit dem Motor kardanisch verbunden waren. Stattdessen wurden sie befestigt und durch Rohrleitungen mit großem Durchmesser gespeist. Die Ableitung von ihnen wurde dann zu einem Gliederkanal mit kleinerer Bohrung und von dort zu den Hauptpumpen mit ausreichend hohem Druck geleitet, um Kavitation zu vermeiden. Siehe Seite 18 dieses PDF von Stanford .

Es gibt mehrere Gründe, warum Spacex diese Lösung möglicherweise nicht verwenden muss:

• Nicht jede andere Engine verwendet es (tatsächlich gibt es nur wenige, die dies tun.)
• SpaceX unterkühlt Treibmittel gerne, um die Dichte zu erhöhen, aber es hat auch den Vorteil, dass Kavitation reduziert wird.
• Mindestens die Hälfte der Raptors auf Starship und die meisten Triebwerke auf dem Super Heavy Booster sind nicht kardanisch aufgehängt, daher ist es kein Problem, sie mit Einlassrohren mit großem Durchmesser auszustatten. Vielleicht verwendet SpaceX Niederdruckpumpen bei Motoren mit Kardanantrieb.

Als letzte Anmerkung ist es mir ein Rätsel, warum die SSME eine Niederdruckpumpe für Sauerstoff benötigte. Der Sauerstoff wurde oben im externen Tank gespeichert und hätte aufgrund der Schwerkraft / des Schubs am Einlass des Motors unter mehreren bar hydrostatischem Druck gestanden. Andererseits wurde der Wasserstoff am Boden gespeichert, sodass der hydrostatische Druck gering gewesen wäre.

Die SSME-Engine verwendet eine Bootstrap-Startsequenz, die ziemlich langwierig ist. Auf dem Raptor ist die Methode nicht klar, aber die neueste Zeichnung scheint Helium-Gas-Spinup zu zeigen. Sicherlich ist die Startsequenz des Motors sehr schnell. aber ich glaube nicht, dass Spacex ein schwierig zu lieferndes Gas verwenden würde. Es ist viel wahrscheinlicher, dass Tankdruck und die entsprechenden Treibmittel verwendet werden.