Warum werden Vakuummotoren nach Mach 1 nicht eingeschaltet?

Es scheint mir jedoch, dass, sobald das Fahrzeug Mach 1 erreicht, keine Luft in die Düse eindringen kann, da sich das Fahrzeug schneller bewegt als die Geschwindigkeit, mit der Luft angesaugt würde.

Mehrere Gründe.

Ein Grund ist die Stoßfront, die die Trägerrakete umhüllt. Es ist die gut aus dem Fahrzeug entfernte Luft, die sich relativ zum Fahrzeug mit Mach 1 oder höher bewegt. In der Nähe des Fahrzeugs bewegt sich die Luft mit Unterschallgeschwindigkeit. Sobald ein Fahrzeug die Schallgeschwindigkeit überschreitet (in Bezug auf gut vom Fahrzeug entfernte Luft), entwickelt sich eine Stoßfront vor und um das Fahrzeug herum. Innerhalb der Stoßfront bleibt die Geschwindigkeit der Luft in Bezug auf das Fahrzeug Unterschall. Dies macht die Grundvoraussetzung der Frage ungültig.

Ein weiterer Grund ist die Sicherheitskritikalität. Die zweite Stufe ist bei den meisten Trägerraketen bis zur Trennung der ersten Stufe eingehüllt. Es wäre eine sehr schlechte Idee, das Triebwerk der zweiten Stufe zünden zu lassen, während es eingehüllt bleibt. Dies würde bedeuten, dass die Treibstofftanks der ersten Stufe mit heißem Abgas der zweiten Stufe überschwemmt würden. Dies ist ein Paradebeispiel für eine „Muss-nicht-funktionieren“-Funktion.

Sicherheitskritische Funktionen werden als "muss funktionieren" oder "muss nicht funktionieren" kategorisiert, wobei die Kategorisierung je nach Flugphase möglicherweise von einer zur anderen wechselt. Zum Beispiel geht die Zündung der zweiten Stufe in einer typischen Trägerrakete (ein Fahrzeug, in dem die zweite Stufe eingehüllt ist) von einer "muss nicht funktionieren"-Funktion vor der Trennung der ersten Stufe zu einer "muss funktionieren"-Funktion nach der ersten über Stufentrennung.

Das Space Shuttle war das einzige Fahrzeug, das ich kenne, in dem die Vakuummotoren vor der Stufentrennung hätten gezündet werden können. Sogar beim Space Shuttle war das Zünden der Triebwerke des Orbital Manoeuvreing Systems unterhalb einer Höhe von 21,4 km (70000 Fuß) eine „Muss-nicht-funktionieren“-Funktion. Unterhalb dieser Höhe bestand die Gefahr, dass die Düse aufgrund einer starken Überdehnung des Auspuffs zusammenbrach . Mehrere Hemmungen verhinderten, dass die Shuttle-OMS-Triebwerke unterhalb dieser Höhe zündeten.

Ihre Vorstellung, dass "keine Luft in die Düse eindringen könnte, weil sich das Fahrzeug schneller bewegt als die Geschwindigkeit, mit der Luft angesaugt würde", ist ungenau. Aber die Fahrzeuggeschwindigkeit spielt hier keine Rolle.

Die Antwort ist in der obersten Antwort hier ziemlich gut zusammengefasst, da jemand anderes verlinkt ist, aber um es noch einmal zu sagen:

Vakuumoptimierte Motoren werden nicht in der Atmosphäre betrieben, da die Strömung in der Düse abreißt, was zu großen Seitenlasten (gegen die Wände der Düse) und Instabilitäten in der Düse führt, was wahrscheinlich zu einem strukturellen Versagen oder einem Zusammenbruch der Düse führt. Die Strömungsablösung kann auch Stöße innerhalb der Düse erzeugen, was ebenfalls zu strukturellem Versagen führen wird.

Eine Strömungsablösung tritt auf, wenn der Druck am Ausgang der Düse deutlich niedriger ist als der äußere Umgebungsdruck; ein Ausgangsdruck, der niedriger ist als der Umgebungsdruck, wird als Überexpansion bezeichnet. Es gibt kein genaues Verhältnis, bei dem eine Strömungsablösung auftritt, aber allgemeine Schätzungen liegen im Bereich von P_exit/P_ambient = 0,2–0,4. Die Druckdifferenz am Düsenausgang führt dazu, dass das Abgas mit niedrigerem Druck durch das Umgebungsgas mit höherem Druck in Richtung der Mittelachse "eingeklemmt" wird. Wenn diese Kraft zu groß wird, wahrscheinlich im Bereich der genannten Verhältnisse, löst sich die Düsenströmung von den Wänden der Düse, was als Strömungsablösung bezeichnet wird.

Um die Leistung einer Raketendüse zu optimieren, sollte der Austrittsdruck möglichst nahe am Umgebungsdruck liegen; Da Vakuummotoren für den Einsatz im Weltraum optimiert sind, ist der Austrittsdruck extrem niedrig. Der Austrittsdruck wird durch das Expansionsverhältnis oder Flächenverhältnis der Düse (A_exit/A_throat) gesteuert; Bei Vakuummotoren sehen wir viel größere Düsen, um das Expansionsverhältnis zu maximieren und den Austrittsdruck zu minimieren.

Also um deine Frage kurz zu beantworten:

• Die Raketengeschwindigkeit (oder Mach #) ist nicht dasselbe wie die Düsenaustrittsgeschwindigkeit
• Die Strömungsablösung ("angesaugte Luft") ist abhängig vom Verhältnis des Düsenaustrittsdrucks zum Umgebungsdruck, nicht von der Raketen- oder Düsenaustrittsgeschwindigkeit.
• Selbst in großen Höhen wäre die Vakuumdüse im Allgemeinen immer noch überdehnt und von einer Strömungsablösung bedroht.