Warum LOx in den Brennraum sprühen, wenn GOx effektiver ist?

Gibt es Probleme bei der Umwandlung des flüssigen Sauerstoffs in gasförmigen Sauerstoff, bevor er in die Brennkammer eingespritzt wird?

Gasförmiger Sauerstoff ist für die Verbrennung leicht verfügbar und vermischt sich gut mit dem Brennstoff für eine vollständige Verbrennung. Ich habe auch gelesen, dass die Pintle-Düse bei der Zweiphasenzerstäubung effektiv ist.

Wenn ja, warum nicht die Flüssigkeit in Gas umwandeln, bevor sie in die Brennkammer eingespritzt wird ? Gibt es Hindernisse, die nicht intuitiv sind?

Bearbeiten: Die Phasenumwandlung von LOx zu GOx könnte erreicht werden, indem LOx zum Kühlen der Düse verwendet wird. Wäre die Verwendung von LOx zur Düsenkühlung betrieblich nicht durchführbar?

Meine Vermutung ist, dass die viel geringere Dichte von GOx es nicht erlaubt (oder es zumindest ziemlich schwierig macht), eine ausreichend hohe Durchflussrate zu erreichen?
Meinen Sie damit eine ausreichend hohe Durchflussrate? Ist die Verbrennung in der Kammer im Allgemeinen nicht brennstoffreich? Korrigiert mich wenn ich falsch liege..
Ich meinte (Beispielnummern) 3:1 kraftstoffreich und 300:1 kraftstoffreich Unterschied.
Oh. Vielleicht muss ich mal rechnen. Ich habe gegoogelt, aber keine richtige Antwort bekommen.
Ich habe nur kommentiert, weil ich nicht die Mathematik habe, nur etwas Intuition :)
Woher würde die Energie kommen, um die Flüssigkeit in Gas umzuwandeln? Und aus welchem ​​Teil des Raketentriebwerkszyklus würde diese Energie entfernt werden, und was wären die nachfolgenden Auswirkungen auf die Leistung? Führen Sie eine schnelle Berechnung der Energie durch, die erforderlich ist, um ~950 lbm/s LOX bei -297 °F in GOX umzuwandeln, und Sie werden wahrscheinlich Ihre eigene Frage beantworten. Hinweis: Die Brennkammer in bestehenden Konstruktionen leistet hervorragende Arbeit bei der Umwandlung dieser Flüssigkeit in Gas.
Flüssiger Sauerstoff wird benötigt, um viel Sauerstoff in einem kleinen und leichten Tank zu speichern. Um LOX in GOX umzuwandeln, sind ein Wärmetauscher und eine Wärmequelle erforderlich, die dem Motor mehr Masse hinzufügen würden. Die Verwendung von gasförmigem Sauerstoff spart zwar etwas Zeit für die vollständige Verbrennung mit Brennstoff, aber eine etwas kürzere Brennkammer würde die Masse des zusätzlichen Wärmetauschers nicht kompensieren. Unerwünschte Oxidation des Wärmetauschers und des Injektors sollte vermieden werden, was jedoch bei heißem Sauerstoff schwierig ist.
@Organic Marble Wie wäre es mit der Verwendung der Düsenkühlung mit LOx für diese Phasenumwandlung? Das war die Methode, an die ich eigentlich dachte. Warum Kraftstoff zum Kühlen der Düse verwenden, wenn LOx verwendet werden kann? Ich kenne den Grund nicht, warum LOx nicht zur Düsenkühlung verwendet wird. Wenn sie genutzt werden kann, hilft die Wärme aus der Düsenkühlung bei der Phasenumwandlung.
@Uwe Ich verstehe dich. Die Vorteile von GOx für die Kammer überwiegen die Notwendigkeit eines sperrigen Wärmetauschers. Aber wie ich im vorherigen Kommentar erwähnt habe, warum kann die Düse nicht mit LOxx gekühlt werden? Es ist eine bereits vorhandene Rohrleitung, die verwendet werden kann, um LOx in GOx umzuwandeln
Ich habe gerade die Antwort auf meine Frage hier entdeckt space.stackexchange.com/q/21374/511
Während die Antwort geteilt werden kann, ist die Frage kein Duplikat.
Es scheint wichtig zu beachten, dass die sauerstoffreiche gestufte Verbrennung (RD-180 und andere) und die gestufte Vollstromverbrennung (Raptor) den Sauerstoff effektiv vorwärmen, indem sie ihn durch den Vorbrenner der Turbopumpe leiten. Die von anderen erwähnten Probleme mit heißen Oxidationsmitteln sind keine unüberwindbaren Probleme. Ich erinnere mich, gesehen zu haben, dass zumindest der Raptor so weit erhitzt wird, dass Gas in die Brennkammer eingespritzt wird.
@Lex - Interessant! Ich würde gerne wissen, ob LOx in anderen Motoren flüssig bleibt? Wäre das LOx angesichts der Verbrennungswärme und der erhöhten Temperatur immer noch in flüssiger Form, nachdem es aus dem Injektor ausgetreten ist?

Antworten (1)

tl;dr: Gase können selbst am Siedepunkt das hundert- bis tausendfache Volumen einnehmen als ihre flüssigen Gegenstücke. Rohre für diese Gase wären zu groß, um überhaupt in die Rakete zu passen.

Da es schwierig ist, kryogene Treibmittel in Raketen kalt zu halten, wo jedes bisschen Gewicht, das für die kryogene Lagerung verwendet wird, ungefähr das 20- bis 50-fache des Gewichts bedeuten würde, das von der endgültigen Nutzlast entfernt werden muss, findet der größte Einsatz von LOX (nach Volumen) in den ersten Phasen statt von Raketen, die sowohl die Erde als auch ihre erdgebundenen LOX-Produktionsanlagen verlassen.

Dies wird sich sicherlich in Zukunft ändern (siehe Können fünf Nachfüllungen der BFR-Zweitstufe nützlich sein, um zum Mond zu gelangen? Zum Mars? Alle fünf in der Erdumlaufbahn? ), aber die Frage bezieht sich nicht auf zukünftige Raketen.

Diese Motoren verwenden Treibstoffe mit einem sehr, sehr hohen Massenstrom, und daher sind die Rohre, die das LOX transportieren, bereits ziemlich groß. Zum Beispiel unter Verwendung der Wikipedia -Werte für EINEN Merlin-Motor auf Meereshöhe: Schub 420.000 Newton und Isp 275 Sekunden mal 9,8 m/s ergibt eine Abgasgeschwindigkeit von etwa 2700 m/s. Teilen Sie den Schub durch die Geschwindigkeit und Sie erhalten über 150 kg/Sekunde Abgas, und da jeder Kohlenstoff zwei Sauerstoffatome erhält, sind das ungefähr 100 kg/Sekunde LOX für jeden der neun Motoren!

Es ist ein nicht triviales Problem der Fluiddynamik, herauszufinden, welche extremen Techniken notwendig sind, um fast eine Tonne gasförmigen Sauerstoffs pro Sekunde durch Rohre mittlerer Größe zu bewegen. Sie müssten sicherlich extrem groß sein und würden wahrscheinlich nicht einmal in den schlanken, fast "nudelartigen" F9-Körper mit 3,66 Metern Durchmesser passen. (Siehe Wenn nicht durch Unterführungen usw. eingeschränkt, wäre Falcon 9 weniger eine fliegende Nudel gewesen? für mehr dazu).

Der einzige Ort, an dem Sie diesen Faktor von ~ 1000 Expansion haben möchten, sind also wirklich die Teile der Rakete, die für die Expansion und den schnellen Transport von Gas gebaut sind. die Brennkammer selbst und der Hals und die Düse.

Wie groß ist das Expansionsverhältnis bei der Verdichtung, das für die Einspritzung in den Brennraum benötigt wird?
@JCRM Ich verstehe deine Frage nicht. Wenn ich es täte, würde ich wahrscheinlich die Antwort nicht kennen.
Kg/s Schub? Eine Schubrate? Was bedeutet das? Und was ist ein "LOX-Kühlschrank"?
@OrganicMarble, es ist nichts Falsches daran, so darüber zu sprechen. Schub (wie in dem Zeug aus der Düse) ist Masse. Wenn Sie die durchschnittliche Abgasgeschwindigkeit und den Schub kennen, erhalten Sie Masse pro Sekunde. Die Masse bleibt erhalten (mit Ausnahme von Einstein auf ppm-Genauigkeit), sodass die Schubmasse pro Sekunde die Treibmittelmasse pro Sekunde ist. Nehmen Sie sich ein paar Minuten Zeit, um die Mathematik anders durchzuarbeiten, Sie sollten die gleiche Antwort erhalten.
@OrganicMarble LOX ist flüssiger Sauerstoff. Es wird mit einem Kühlschrank verflüssigt. Ein Kühlschrank, der zur Herstellung von LOX verwendet wird, kann als LOX-Kühlschrank bezeichnet werden. Es kann ausgefallenere Namen geben, aber es ist ziemlich spezifisch und genau. Wenn Sie ein ausgefalleneres Wort für eine Maschine haben, die Sauerstoffgas bis zu dem Punkt herunterkühlt, an dem es sich verflüssigt, erwähnen Sie es oder ersetzen Sie „Kühlschrank“ durch Ihr ausgefalleneres Wort im Beitrag.
@uwe danke für die Bearbeitung, aber schau mal - ich denke, es braucht noch eine Iteration! :-)
Schub ist nicht Masse. Schub ist Kraft. Ihre Antwort klingt so, als hätten Booster LOX-Kühlschränke. Sie tun es nicht.
@OrganicMarble Ich wusste nicht, dass es eine knifflige Entweder-Oder-Situation ist. OK, was wäre ein besserer Name für das Zeug, das aus der Düse kommt?
Das Zeug, das aus der Düse kommt, ist der Auspuff.
@OrganicMarble Das klingt so lahm und langsam, ich hasse es, dieses Wort zu verwenden. Ich denke an das Put-Put-Put, das aus dem Auspuff eines Autos kommt, oder an das Wort „erschöpft“. Eine Tonne pro Sekunde sollte einen besseren Namen haben, etwas, das kraftvoll klingt. OK, ich werde die Bearbeitung vornehmen, danke!
@OrganicMarble "... die Erde und ihre LOX-Kühlschränke." Dort sind sie, auf der Erde. Soweit wir wissen, ist dies der einzige Ort im Sonnensystem, an dem man LOX in Raketenqualität erhalten kann. Ich werde aber mal sehen, ob mir eine andere Formulierung einfällt.
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