Warum verwenden keine Motoren turboelektrische Oxidationspumpen?

Die meisten größeren flüssigkeitsbetriebenen Raketentriebwerke 1 verwenden Brennstoff- und Oxidationsmittel-Turbopumpen, die von den heißen Hochdruckgasen angetrieben werden, die beim Verbrennen des Brennstoffs und des Oxidationsmittels entstehen:

  • Der Gasgeneratorzyklus verbrennt einen Teil des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in seinem gleichnamigen Gasgenerator , um heiße Hochdruckgase zu erzeugen; Diese Gase werden dann verwendet, um die Turbopumpen des Motors anzutreiben, bevor sie über Bord geworfen werden.
  • Der stufenweise Verbrennungszyklus ähnelt dem Gasgeneratorzyklus, aber die Gase aus dem Gasgenerator (heute häufig stattdessen als Vorbrenner bekannt ), werden, nachdem sie zum Antrieb der Turbopumpen verwendet wurden, in die Hauptbrennkammer zurückgeführt, anstatt zu sein über Bord geworfen.
  • Der Brennkammerabgriffszyklus treibt die Turbopumpen mit Gasen aus der Hauptbrennkammer an, anstatt einen separaten Gasgenerator/Vorbrenner zu verwenden.

Die Kraftstoff-Turbopumpen sind ziemlich einfach zu handhaben; sie werden fast immer von kraftstoffreichen Verbrennungsgasen angetrieben, die für Motorinstallationen und Turbomaschinen geeignet sind und kein Risiko darstellen, mit dem Kraftstoff zu reagieren, wenn sie an den Pumpendichtungen vorbeilecken und mit dem Kraftstoff in Kontakt kommen.

Die Oxidations- Turbopumpen sind jedoch eine ganz andere Bestie. Bei der Erzeugung heißer Hochdruck-Verbrennungsgase zum Antrieb einer Oxidations-Turbopumpe gibt es grundsätzlich drei Möglichkeiten, jede mit ihren eigenen Problemen:

  1. Der Gasgenerator kann mit dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis betrieben werden (gerade genug Oxidationsmittel, um den bereitgestellten Kraftstoff vollständig zu verbrennen, ohne zusätzliche Reaktanten), wodurch die Turbinenräder der Pumpe schmelzen.
  2. Der Gasgenerator kann fett laufen (mehr Kraftstoff und weniger Oxidationsmittel als stöchiometrisch), was eine wirklich gute Abdichtung erfordert, um zu verhindern, dass die Verbrennungsgase an den Pumpendichtungen vorbei austreten, mit dem Oxidationsmittel in Kontakt kommen und explodieren (oder umgekehrt). dies erfordert im Allgemeinen die Verwendung von zwei Sätzen von Dichtungen, wobei der Raum zwischen den beiden mit einem nicht reaktiven Gas 3 gefüllt ist , das relativ zu den Verbrennungsgasen und dem Oxidationsmittel einen positiven Druck aufweist.
  3. Der Gasgenerator kann mager laufen (weniger Kraftstoff und mehr Oxidationsmittel als stöchiometrisch), was große Mengen an überhitzten, an Oxidationsmittel reichen Gasen erzeugt, die aufgrund ihrer Tendenz, Motorleitungen und Turbomaschinen zu fressen, schrecklich schwierig zu handhaben sind.

Die physische Trennung der Oxidationsmittelpumpe von der sie antreibenden Turbomaschine würde ermöglichen, dass die Turbopumpe durch fügsame, brennstoffreiche Gase angetrieben wird, ohne dass ein komplexes gasgespültes Dichtungssystem erforderlich wäre; Eine Möglichkeit dazu wäre der Einsatz eines turboelektrischen AntriebsSystem, wobei die durch Verbrennungsgas angetriebene Turbine einen elektrischen Generator antreibt und die resultierende Elektrizität verwendet wird, um einen Elektromotor anzutreiben, der die Oxidationsmittel-Turbopumpe antreibt. Die elektrische Übertragung zwischen der Turbine und der Pumpe würde etwas Masse hinzufügen und den Wirkungsgrad der Pumpe leicht verringern (wenn auch nicht viel - gut konstruierte Elektromotoren und Generatoren können einen Umwandlungswirkungsgrad von weit über 90 % haben), würde aber die Notwendigkeit für a beseitigen kompliziertes und schweres Gasspülsystem oder für schwierig zu konstruierende Einrichtungen zum Einschließen und Transportieren von überhitztem Oxidationsmittel.

Warum verwenden nach meinem besten Wissen keine flüssigkeitsbetriebenen Raketentriebwerke turboelektrisch angetriebene Oxidations-Turbopumpen?

1 : Kleinere mit Flüssigbrennstoff betriebene Motoren neigen dazu, die druckgespeisten oder Expanderzyklen zu verwenden , die sehr einfach, aber schlecht skalierbar sind, während die neueren, mit Elektropumpen gespeisten Zyklen schwere Batteriebänke erfordern, um ihre Turbopumpen anzutreiben.

2 : Sehr wenige Motoren verwenden an Oxidationsmittel reiche Verbrennungsgase, um ihre Kraftstoffturbopumpen anzutreiben; dies sind fast ausschließlich solche, die bereits oxidatorreiche Gase für die Oxidator-Turbopumpen verwenden. Diese Anordnung ist äußerst ungewöhnlich, da sie die Nachteile der Oxidationsmittel-Turbopumpen-Antriebsmethoden 2 und 3 ohne die Vorteile von beiden kombiniert.

3 : Im Allgemeinen Helium, das extrem leicht und fast vollständig inert (obwohl auch extrem teuer) ist.

"Beseitigung der Notwendigkeit eines komplizierten und schweren Gasspülsystems" durch Hinzufügen eines komplizierten und schweren Generators und Motors?
Nur weil die Gasdichtung einfacher zu handhaben ist als die Elektromotoren. Die Kühlung des Elektromotors ist genauso schwer zu handhaben, wenn nicht mehr und sicherlich viel schwerer. Vielleicht ist die hrdrolic-Kopplung etwas besser?
@OrganicMarble-Elektromotoren sind viel einfacher, wenn auch vielleicht schwerer, und für den Kühlteil könnten Sie einfach eine kleine Menge des Kraftstoffs / Oxidationsmittels absaugen, das sowieso bereits durch die Pumpe fließt.
Ich würde eine oxidationsmittelreiche gestufte Verbrennung sicherlich nicht als „äußerst ungewöhnlich“ bezeichnen, da sie die meisten sowjetisch-russischen Trägerraketen (im Wesentlichen alles außer Sojus) und das chinesische Weltraumprogramm (Langer 5. bis 7. März) antreibt und wird auch bei US-Trägerraketen beliebter: Atlas III/V auf der RD-170-Familie, Antares mit NK-33, Vulcan und New Glenn mit BE-4.
@ReubenFarley-Hall Ich bewundere Ihren Optimismus, dass ein Generator/Motor, der „so viel PS wie 28 Lokomotiven liefert“ und in einer wilden thermischen Umgebung betrieben werden kann, einfach ist. Bewundern, aber nicht teilen.

Antworten (1)

Ausgehend von der Falcon-Pumpenleistung von 7500 kW und der Leistung zu Gewicht von 10 kW/kg (elektrischer Flugzeugmotor) und unter der Annahme, dass der Generator das gleiche wiegt wie der Motor, ergibt dies ein Motor-/Generator-Set im besten Fall für einen Merlin-Motor von 1500 kg eine vorhandene Motormasse von 750kg also sicherlich nicht leichter als die Dichtungen und die dazugehörigen Leitungen.

Einige mögliche Fälle, in denen es sinnvoll sein könnte, sind jenseits der Erdumlaufbahn, wo Dinge wie die Fähigkeit, den Motor mit elektrischer Energie zu starten, eine feine Geschwindigkeitsregelung, eine mögliche Querverbindung für Redundanz und die Fähigkeit, den Generator nur für Strom zu betreiben, dies möglicherweise ausgleichen könnten Massenstrafe, aber diese werden kompliziert zu berechnen.

Haben wir zusätzliche Quellen für die Zahl von 7500 kW (18 kW/kN)? Der Rutherford-Motor von Electron wird mit einer sechsmal geringeren Leistung von 74 kW (3 kW/kN) angegeben.
@asdfex Ich frage mich, ob dies die kombinierte Leistung aller 9 Motoren ist, die 2 kW / kN und einen 83-kg-Motorgeneratorsatz pro 750-kg-Merlin und ungefähr 7,4 kg Elektromotor bei einem Rutherford ergeben, was alles vernünftiger erscheint.
Ja. Nur eine der 4 Turbopumpen in der einen SSME "lieferte so viel PS wie 28 Lokomotiven". ( alternativewars.com/BBOW/Space_Engines/… ) Könnte eine Art großer Elektromotor sein.
Dieser SSME-Link gibt uns einen weiteren Punkt bei 25 kW/kN nur für die Kraftstoffpumpe. Insgesamt etwa 3 Mal mehr als der Merlin und Faktor 18 über dem Rutherford. Wir müssen bedenken, dass nicht die Strömung, sondern die Strömung mal der Druck die Leistung bestimmt, aber das gleiche gilt für den Schub ...
Für J-2X habe ich 2x 10 kW/kN gefunden. Ich denke, unser Hauptproblem ist, dass einer die Leistung an der Antriebswelle auflistet und andere die thermodynamische Gesamtleistung auflisten. Aufgrund der Effizienz liegt zwischen ihnen ein Faktor von 4. Damit werden aber auch die Vergleiche mit Lokomotiven hinfällig
Warum verwenden keine Motoren turboelektrische Oxidationspumpen?
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