Warum sind nicht alle SSME-Turbopumpen mit dem Motor kardanisch verbunden?

Die SSME- Niederdruckpumpen (sowohl Kraftstoff als auch Oxidationsmittel) sind an der Fahrzeugstruktur montiert und nicht kardanisch aufgehängt. Die Hochdruckpumpen sind kardanisch mit dem Motor verbunden, daher müssen die Treibmittelleitungen zwischen Niederdruck- und Hochdruckpumpe flexibel sein . Dazu gehören nicht nur die Pumpenauslasskanäle (2–3 MPa), sondern auch der Turbineneinlass (29 MPa) an beiden Niederdruckpumpen und der Turbinenauslass (21 MPa) an der LPFTP . Dies sieht nach vielen Gelenkverbindungen (3 pro flexibler Leitung, basierend auf der Abbildung unten) an unter Druck stehenden Leitungen aus, was viele potenzielle Fehlerstellen bedeutet.

Einige der Gelenke sind im Bild unten sichtbar:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Was ist der Grund für eine solche technische Entscheidung? Warum sind die Niederdruckpumpen nicht kardanisch mit dem Motor verbunden? Wenn sie am Motor montiert wären, wären alle nachgeschalteten Leitungen starr. Die Flexibilität der Treibmittelleitungen würde durch den Versorgungsverteiler stromaufwärts der Niederdruck-Turbopumpen bereitgestellt. Dies sieht nach einer einfacheren Lösung aus, weil:

  • Niedrigerer Druck in diesen Kanälen (0,2 - 0,7 MPa)

  • Weniger erforderliche flexible Leitungen. Ich bin mir da nicht 100% sicher, aber es scheint sehr wahrscheinlich, weil es nur 1 flexible Leitung vor jeder Niederdruckpumpe (2 für einen einzelnen Motor) geben würde, anstatt 3 nach dem LPFTP + 2 nach dem LPOTP (das sind 5 für einen einzelnen Motor). Multiplizieren Sie diese 3 zusätzlichen Leitungen mit der Anzahl der Gelenke, die für jede flexible Leitung benötigt werden, und es sieht nach einer erheblichen Reduzierung kritischer beweglicher Komponenten aus. Es gibt natürlich andere flexible Leitungen, die den Motor mit dem Orbiter verbinden (Druckbeaufschlagung des Kraftstofftanks, Heliumeinlass, Kraftstoffentlüftung usw.), aber ich denke, ihre Anzahl würde von der vorgeschlagenen Änderung nicht beeinflusst, daher zähle ich sie nicht.

Es muss einen versteckten Grund geben, warum die SSME-Konstrukteure beschlossen, die Niederdruck-Turbopumpen am Orbiter zu befestigen und sich dazu zwangen, mehrere Gelenkverbindungen an Hochdruckleitungen zu verwenden. Ich würde diesen Grund gerne verstehen.

Nützliche Referenz.

Das habe ich mich auch immer gefragt.
Ich frage mich, ob die Flexleitungen bei den Einlassdrücken der Niederdruck-Turbopumpe zu Kavitation neigen würden.
Spekulationen: Vielleicht hat es etwas damit zu tun, die Masse dessen, was kardanisch aufgehängt ist, auf einem Minimum zu halten, wodurch die Menge an Hydraulikleistung reduziert wird, die für ein schnelles Aufhängen erforderlich ist (was in Situationen mit verschlechterter Hydraulik ein Problem wäre, die versuchen, mit einer anspruchsvollen Abbruchsequenz fertig zu werden , Zum Beispiel).
@Digger Das klingt interessant. Die Niederdruckpumpen befinden sich sehr nahe am kardanischen Lager und machen nur einen kleinen Bruchteil der Motormasse aus, sodass sie einen vernachlässigbaren Effekt zu haben scheinen (im Vergleich zum Düsenende, das über 4 Meter vom Lager entfernt ist). Aber die Turbinen drehen mit bis zu 15.000 U/min, da müssen ordentliche Kreiselkräfte vorhanden sein. Allerdings sind die Hochdruckpumpen weiter vom Kardanlager entfernt (längere Hebelwirkung) und drehen mit bis zu 34.000 U/min, die Kräfte sind also deutlich stärker. Gimbaling muss auch den Düsenabgasstrom überwinden. Die dynamische Analyse muss wahnsinnig komplex sein.
Sie müssen entweder am Eingang oder am Ausgang der LP-Pumpen einen langen Gelenkweg haben; du brauchst irgendwo einen. Da Kavitation bei vollem Durchfluss ein Problem war (daher Reihenpumpen), ist der lange Weg bei Saugdruck nicht so gut wie bei dem Ausgangsdruck der LP-Pumpe.

Antworten (1)

Beginnen Sie damit, darüber nachzudenken, warum es überhaupt Niederdruckpumpen gibt. Warum kann nicht die gesamte Pumpaufgabe von einzelnen (mehrstufigen) Pumpen am Motor übernommen werden? Warum hielten es die Ingenieure für notwendig, Niederdruck- (LP) und Hochdruck- (HD) Pumpen überhaupt zu trennen?

Da der Motor kardanisch aufgehängt ist, müssen flexible Leitungen vorhanden sein, um dem Motor Kraftstoff und Treibmittel zuzuführen und dennoch Bewegung zu ermöglichen. Diese Leitung muss auch Temperaturänderungen (Längenänderungen) bewältigen, bei Vereisung funktionieren, eine geringe Masse haben usw.

Diese Leitung führt große Mengen von Flüssigkeiten nahe ihrem Siedepunkt zu einer HD-Pumpe. Die Pumpe saugt wirklich hart, um diese Masse zu bewegen. Aufgrund des Druckabfalls beim Durchlaufen dieser Leitung liegt das Ende in der Nähe der HP-Pumpe unter dem Druck am Anfang der Leitung. Wenn diese Leitung nur bei Tankdruck beginnt, ist dies so ziemlich ein Rezept für Kavitation (dh spontanes Sieden), was alle möglichen Probleme bis hin zur Zerstörung verursacht.

Um Kavitation zu vermeiden , wurden die ND-Pumpen eingebaut . Per Definition mussten sie sich vor der langen flexiblen Leitung befinden, damit ihre Ausgabe diese Leitung unter Druck setzen würde; Der zusätzliche Druck von der LP-Pumpe bedeutete, dass der Eingangssaugdruck der HD-Pumpen niemals unter dem Dampfdruck der Flüssigkeiten liegen würde, sodass sie nicht kavitieren (dh spontan kochen). So wurden die LP-Pumpen an der großen, festen Tankverrohrung und damit direkt am Shuttle-Rahmen montiert.

TLDR: Die gesamte Aufgabe der Niederdruckpumpen bestand darin, die Zufuhr zu den HP-Pumpen unter Druck zu setzen. Diese Zufuhr beginnt am Boden der Tankrohre, also wurden sie dort platziert.

(Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung der Kavitation ist die Unterkühlung der Flüssigkeiten , was für sich genommen interessant ist.)

Danke schön. Wäre es möglich, weitere technische Details zu teilen? Beispiel: Bedeutet dies, dass der Gelenkpfad stromaufwärts der ND-Pumpe das Kavitationsrisiko erhöhen würde? Wie genau? Der Druck und die Durchflussrate würden unbeeinflusst bleiben. Und warum ist der lange Gelenkweg hier die einzige Option? Es gibt andere Alternativen für flexible Leitungen, wie zum Beispiel hier zu sehen: ui.adsabs.harvard.edu/abs/1977NASSP8123....../abstract
Beachten Sie, dass das SSME-Design mindestens zwei zusätzliche flexible Leitungen erforderte – für die Niederdruck-Turbinenantriebsflüssigkeiten – die nicht erforderlich gewesen wären, wenn die Niederdruckpumpen mit dem Motor kardanisch aufgehängt wären.
Ich habe die Antwort umgeschrieben, um sie etwas klarer zu machen. Der Druck würde nicht unbeeinflusst bleiben: Pumpen existieren, um den Druck nach ihnen höher zu machen als den Druck vor ihnen.
@OrganicMarble Stimmen Sie zu, dass es komplex ist, separate LP-Pumpen zu haben. Sie müssen wirklich einen Grund für all das gebraucht haben, denn diese Ingenieure waren ziemlich motiviert, Masse und Komplexität zu reduzieren. Die NASA-Pressemappe (kaum technische Dokumentation) sagt, es sollte Kavitation verhindern. Vielleicht fanden sie heraus, dass eine nicht kavitierende Leine größer, schwerer und riskanter sein musste. LH2 und LOX sind wirklich motiviert zu kochen ...
Hmm, vor dem Einlass der Niederdruckpumpe gab es eine ganze Menge Leitungen. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie hier den Fall vertreten.
IIRC, die Tankzuführungen hatten einen Durchmesser von 17 Zoll und die Biegungen waren ziemlich weit voneinander entfernt.
Ja, und sie teilten sich in drei viel kleinere Leitungen auf, die sich zu jedem Motor verzweigten, nachdem sie durch Tanktrennventile, Strömungsliner, Motorvorventile, Filter und eine ganze Reihe von Biegungen geführt worden waren. i.stack.imgur.com/ku2TR.jpg
Es sieht so aus, als hätte der LP-Eingangsflansch einen Durchmesser von 12 Zoll und der Ausgangsflansch einen Durchmesser von 4 Zoll. Flow Liner und Ventile (wenn sie die Innenwand sauber verlassen) sind kein Problem, aber Ecken sind es.
Diese Antwort enthält einige interessante Punkte, daher habe ich das Kopfgeld vergeben. Gibt es eine Referenz, die dies (inakzeptabler Druckabfall in flexiblen Leitungen stromaufwärts von LP-Pumpen) ausdrücklich als Hauptgrund für das Design angibt? Alle Referenzen, die ich finde, sprechen von LP-Pumpen als Druckverstärker für HD-Pumpen, um Kavitation zu vermeiden, aber ihre Beziehung zu flexiblen Leitungen wird nie erwähnt. Es klingt plausibel, aber mir fällt auf, dass kein Dokument, das ich gesehen habe, dies erörtert. Ich würde gerne ein paar Zahlen sehen: Welcher Druckabfall wäre in flexiblen Leitungen vor ND-Pumpen zu erwarten usw.
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