Warum weisen chemische Raketen in diesem Schub-gegen-Isp-Diagramm eine seltsame Form auf?

Betrachten Sie diese Grafik des Triebwerksschubs im Vergleich zum spezifischen Impuls (von https://dawn.jpl.nasa.gov/mission/ion_prop.html ):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die meisten Antriebstechnologien umfassen ungefähr rechteckige Regionen auf dem Diagramm. Elektrischer Antrieb ist die Vereinigung zweier rechteckiger Bereiche (Ionen und Magnet). Der chemische Antrieb hat jedoch eine unregelmäßige Form.

Warum hat der chemische Antrieb diese unregelmäßige Form?

Der erreichbare Isp ist für chemische Triebwerke mit niedrigem Schub kleiner als für größere. Für Triebwerke mit kleinem, mittlerem und großem Schub werden unterschiedliche Brennstoff/Oxidationsmittel-Kombinationen verwendet. Aber ich würde gerne sehen, dass dieser Graph auf MN (Meganewton) erweitert wird. Das F-1-Triebwerk von Saturn V hatte etwa 7 MN, das J-2-Triebwerk der zweiten und dritten Stufe 1 MN.
Spekulation: Kleine Motoren haben relativ höhere Wärmeverluste als große.
@Uwe es würde sich ungefähr nur weiter nach rechts erstrecken. Niedrige 300er (solid) bis mittlere 400er (Hydralox) ist immer noch der Leistungsbereich für wirklich große Chemiemotoren.
ISP ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Abgasprodukte. All dies sagt Ihnen, dass es für chemische Motoren mit niedrigem Schub schwierig ist, sehr hohe Abgasgeschwindigkeiten zu erzeugen. Erst wenn die Motoren eine bestimmte Größe überschreiten, können sie die Infrastruktur aufnehmen, die erforderlich ist, um die höchsten chemischen Abgasgeschwindigkeiten zu erzeugen. Für kleinere Motoren, um einen so hohen ISP zu erreichen, müsste den Konstruktionen zu viel Gewicht hinzugefügt werden, wodurch Delta-V aufgezehrt würde, das der höhere ISP möglicherweise hinzufügt, sodass sie einfach nicht hergestellt werden.
Ich spekuliere, dass die Form seltsam ist, weil der Graph logarithmisch ist. Auf einer nicht-logarithmischen Skala ist es wahrscheinlich nur eine diagonale Parabel.

Antworten (3)

Ich vermute, dass die chemische Raketenhülle in der Handlung Punkte umfasst, die tatsächlich gebaute Raketentriebwerke darstellen, und nicht theoretische, daher ist ein Teil der Unregelmäßigkeit der Form auf historische Unfälle zurückzuführen.

10N ist ziemlich klein für einen chemischen Raketentriebwerk. Solche Einheiten werden hauptsächlich zur Lagesteuerung kleiner Raumfahrzeuge verwendet, anstatt signifikante Manöver durchzuführen, daher sind Zuverlässigkeit, Einfachheit und geringes Gewicht kritischer als ein spezifischer Impuls. Ich bin mir nicht sicher, ob es eigentlich nicht möglich ist, kleine Triebwerke mit hohem Isp herzustellen, oder ob es nur niemanden stört.

Insbesondere stelle ich fest, dass Aerojets Katalog von Bipropellant (MMH + NTO)-Triebwerken ( die etwa 300 Sekunden Isp erreichen) bis hinunter zu 22 N reicht; darunter bieten sie katalysierte Hydrazin-Monoprop-Triebwerke (ca. 220 Sekunden) bis hinunter zu 1 N; Die technische Einfachheit, nur einen einzigen Treibmitteltank zu benötigen, zahlt für den Verlust des spezifischen Impulses (und es ist wahrscheinlich schwierig, in einer so kleinen Brennkammer eine gute Bitreibstoffmischung zu erreichen). Diese beiden Kategorien von Triebwerken tragen zu den linken zwei Dritteln der Hüllkurve des chemischen Triebwerks in der Darstellung bei.

Weiter oben und rechts stecken kleine Wasserstoff-Sauerstoff-Motoren das obere Ende des Isp-Umschlags ab: der chinesische YF-73 mit 44 kN und 420 Sekunden, dann eine Reihe von Motoren in der Nähe des US RL10 : 65-100 kN und 440-460 Sekunden. Das ist die Hochwasser-spezifische Impulsmarke für chemische Produktionsmotoren, der Hauptmotor des Space Shuttles RS-25 liegt mit 2200 kN und 452 Sekunden auf der rechten Seite des Diagramms. Auch hier bin ich mir nicht sicher, ob es möglich ist, Wasserstoff-Sauerstoff-Motoren mit hohem Isp kleiner als ~ 40 kN herzustellen, oder ob dies einfach nicht getan wird.

Wäre in der Tat interessant, ob kleine High-Isp-Motoren möglich sind, mit modernen 3D-Drucktechniken und so weiter. Ich würde in naher Zukunft ein beträchtliches Interesse an solchen Motoren sehen.

Das historische NASA-Dokument "SPACE HANDBOOK: ASTRONAUTICS AND ITS APPLICATIONS" hat eine nützliche Tabelle, die ich hier teilweise wiedergeben werde:

TABELLE 1.-Spezifischer Impuls einiger typischer chemischer Treibmittel

Niederenergetische Monotreibstoffe________________________ 160 bis 190.

Hochenergetische Monotreibstoffe: Nitromethan________________________________ 190 bis 230

Bitreibstoffe (flüssig): Niedrigenergie-Bitreibstoffe_____________ 200 bis 230.

Bitreibstoffe mittlerer Energie________________________ 230 bis 260.

Hochenergetische Biotreibstoffe___________________________ 250 bis 270.

Sehr energiereiche Biotreibstoffe _______________________ 270 bis 330.

Superhochenergetische Biotreibstoffe_______________________ 300 bis 385.

Bormetallbestandteile und Oxidationsmittel____________________ 200 bis 250.

Lithiummetallbestandteile und Oxidationsmittel___________________ 200 bis 250.

Es scheint mir sehr wahrscheinlich, dass die Kategorie "Chemical" mehrere verschiedene Brennstoffe umfasst, und wahrscheinlich sowohl feste als auch flüssige Brennstoffe, weshalb es sich nicht um eine einheitliche Form handelt.

Ein Experte kann vielleicht erraten, aus welchen spezifischen Kraftstoffen die verschiedenen Bereiche bestehen.

Diese Tabelle ist extrem veraltet (ca. 1958 vielleicht?) - Wasserstoff/Sauerstoff ist nicht einmal aufgeführt, aber der RL10 flog bis 1962 einen spezifischen Impuls von 425+ Sekunden auf Wasserstoff/Sauerstoff.

Die "chemische" Form existiert aufgrund von zwei klaren Regimen. Das ist ein bisschen zufällig wegen der beteiligten Treibmittel, aber im Grunde ist es das:

  • Motoren auf der linken Seite sind druckgespeist oder fest
  • Motoren auf der rechten Seite werden mit verschiedenen Arten von Pumpen gespeist (Expanderzyklus / Gasgenerator / gestufte Verbrennung / elektrisch)

Abgesehen davon verdeutlicht das Diagramm nicht wirklich die gesamte Bandbreite der Möglichkeiten für elektrisch verstärktes Hydrazin-Monotreibmittel, z.

Sind Arcjets in der Handlung nicht von „elektrothermisch“ abgedeckt?
Sie könnten sein, ich fand diese bestimmte Blase in der Handlung tatsächlich schwer zu verstehen. N2H4 zersetzt sich, glaube ich, zu H2, N2 und NH3, die Anwesenheit der meisten davon in der Blase ließ mich fragen, was die Etiketten bedeuten.
Ich habe das als "elektrothermische Triebwerke mit Wasserstoff, Hydrazin oder Ammoniak als Reaktionsmasse" gelesen.
Es ist auch etwas seltsam zu sehen, dass "Antimaterie" scheinbar versucht, eine teure und gefährliche Version einer nuklearen Thermalrakete mit festem Kern zu sein.
Warum weisen chemische Raketen in diesem Schub-gegen-Isp-Diagramm eine seltsame Form auf?
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