Warum liefert ein Raketentriebwerk im Vakuum mehr Schub als in der Atmosphäre?

Der Raketenschub ist durch die Gleichung gegeben

wo$\dot{m}$ist der Massenstrom,$v_{exit}$ist die durchschnittliche Austrittsströmungsgeschwindigkeit über die Austrittsebene,$A_e$ist die Querschnittsfläche des Abgasstrahls an der Austrittsebene,$P_1$ist der statische Druck im Inneren des Triebwerks kurz vor der Austrittsebene, und$P_2$ist der statische Umgebungsdruck ( dh atmosphärischer Druck).

Sofern die Düse nicht überdehnt wird und keine Strömungsablösung auftritt,$A_e$bleibt konstant, und die Schubdifferenz wird hauptsächlich aus der Änderung von realisiert$P_2$. Wird die Düse jedoch soweit überdehnt, dass es zu einer Strömungsablösung kommt, sinkt auch die Austrittsstrahlfläche, was zu weiteren Verlusten führt.

Neben der Antwort von Tristan möchte ich noch einige Punkte hinzufügen

Der Schub in der Rakete ist gleich$T=\dot m V$(Vorausgesetzt, die Raketendüse arbeitet im optimalen Zustand)

Der Schub ist eine starke Funktion der Abgasgeschwindigkeit

Diese Gleichung gibt die Austrittsgeschwindigkeit der Rakete an

Die Abgasgeschwindigkeit ist eine Funktion von$\left(\frac{P_e}{P_c}\right){}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }}$und für Vakuum die$P_e$fast gleich null ist, so dass der obige Term auf null reduziert wird, daher ist die Abgasgeschwindigkeit maximal

Für Meereshöhe reduziert sich der obige Term nicht auf Null, sodass die Abgasgeschwindigkeit im Vergleich zu der im Vakuum geringer ist

Daher ist der Schub im Vakuum größer als der auf Meereshöhe (innerhalb der Atmosphäre).

Dafür gibt es viele Gründe...

1. Einer ist der atmosphärische Widerstand, der sehr offensichtlich ist
2. Die Expansion von Gasen, die durch den Düsenausgang geleitet werden, ist sehr wichtig bei der Entscheidung über den erzeugten Schub. In normaler Atmosphäre ist der Druck des Gases am Ausgang negativ, und daher ist die Düse zu wenig expandiert, was einen minimalen Schub erzeugt. Im Vakuum wird es überdehnt, was einen höheren Schub erzeugt.

Wirkungsgrad der Motorglocke am Düsenende.

Die Glockenform ermöglicht dem Gas, sich auszudehnen, aber diese Form ist normalerweise auf die Region abgestimmt, in der der Motor arbeitet, nämlich niedrige Höhe + dicke Luft oder große Höhe + dünnere Luft.

Die Glockenform ist normalerweise ein Kompromiss, da die Luft beim Steigen der Rakete dünner wird. Was ist also das Beste? Effizienz in niedrigen Höhen, die schlechter wird, je höher die Rakete steigt ... oder niedrige Effizienz, die sich verbessert? Das haben der Missionsdesigner und der Motorendesigner in den 1950er Jahren herausgefunden!

Die Triebwerke arbeiten am besten, wenn es keine Luft gibt, gegen die das sich ausdehnende Gas drücken könnte, was Schub verschwendet, nämlich „ im Weltraum “.

Ich bin mir nicht sicher, ob die Prämisse der Frage - dass alle Raketentriebwerke im Vakuum mehr Schub liefern - richtig ist.

Ein Konstruktionsmerkmal von Aerospike-Triebwerken besteht darin, dass sie genau dieses Problem überwinden, um sowohl innerhalb als auch außerhalb der Atmosphäre nahezu gleichmäßige Schubniveaus bereitzustellen. AFAIK, sie sind noch nie für Orbitalmissionen geflogen, aber sie wurden gebaut und ausgiebig auf Testständen abgefeuert, und kleinere Modelle sind bei Tests geflogen.

Ja, der Schub eines Raketentriebwerks ist in einer Atmosphäre geringer als in einem Vakuum, und es ist kein sehr kleiner Unterschied.

$Thrust\ =\ (dm/dt)V$

Wo$dm$ist die Masse des Abgases in Zeiteinheit und$v$ist die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Gases.

Wir wissen, dass mehr Schub mehr Druck ergibt.

Vor dem Motor ist bereits eine große dichte Luft vorhanden, sodass das Abgas des Motors nicht seine effektive Geschwindigkeit erreicht.

Das Laufen in der Luft ist einfacher als das Laufen im Wasser, da bereits ein Medium (Wasser) die Geschwindigkeit verringert. Dasselbe gilt für Raketen in Bezug auf Abgase. Wenn sich eine Rakete nach oben bewegt und an Höhe zunimmt, nimmt der atmosphärische Druck weiter ab und der Gesamtschub nimmt zu.

Druckschub - Ist der Schub der Differenz zwischen dem Druck des Abgases und dem atmosphärischen Druck.