Warum wird (konventioneller) Staustrahl nicht für die 2. Stufe des Raketenantriebs verwendet?

Aufgrund der Beschaffenheit von Weltraumraketenstarts mit „konventionellem“ Raketentreibstoff (Brennstoff + Oxidationsmittel, z Board braucht mehr Treibstoff, um es anzuheben).

Daher entspricht jede Treibstoff-/Gewichtseinsparung in frühen Stadien des Raketenflugs der signifikanten Steigerung der Raketenfähigkeit (maximale Höhe oder maximale Nutzlast). Das ist der Grund, warum zum Beispiel Virgin Galactic ein düsengetriebenes WhiteKnight-Flugzeug verwendet, um das Raumschiff auf eine relativ magere Höhe von 20 km zu heben, auch wenn es nur 1/5 der endgültigen Höhe von 100 km ist.

Es ist offensichtlich, dass Turbofan-Triebwerke in Bezug auf die Raumfahrt eine ziemlich niedrige Decke haben, aber warum nicht den Flug (z. B. Beginn des Aufstiegs des Raumschiffs) mit den Staustrahltriebwerken fortsetzen, die die folgenden Eigenschaften haben:

  • Sehr einfaches Design, viel weniger (keine?) beweglichen Teile als der Turbojet/Turbofan
  • Macht immer noch Gebrauch von der Umgebungsluft, braucht kein Oxidationsmittel, daher viel weniger Gewicht zu tragen
  • Mit zunehmender Geschwindigkeit benötigt der Staustrahl eine Regulierung der Luftmenge beim Ansaugen, was natürlich durch immer dünner werdende Luft während des Aufstiegs kompensiert würde und vielleicht überhaupt keine Regulierung benötigt?
  • Im Gegensatz zu Feststoffraketen kann sie bei Bedarf abgeschaltet werden
  • Es ist weit weniger effizient als ein Turbofan, aber aufgrund der Verwendung von Umgebungsluft immer noch viel effizienter als eine Kombination aus Brennstoff und Oxidationsmittel?

Warum also verwendet niemand Ramjets für die zweite Phase des Starts? Vielleicht sogar mit "klassischem" Design, erster Stufe mit Feststoff (um die Mindestgeschwindigkeit für den Staustrahlbetrieb zu erreichen), zweiter Stufe mit Staustrahl und dann dritter Stufe mit flüssigem Kraftstoff?

BEARBEITEN: Ich habe die Frage (und die Antworten) überprüft, die der Grund für diese Frage war, wurde als Duplikat markiert. Ich bin absolut anderer Meinung - die vorherige Frage betrifft Düsentriebwerke im Allgemeinen, und die Antwort ist ziemlich turbofanspezifisch. Ich kenne den Unterschied zwischen verschiedenen Arten von Düsentriebwerken, deshalb habe ich speziell nach dem Staustrahltriebwerk gefragt und auch seine Vorteile skizziert (Turbofan-Triebwerke, allgemein als "Düsentriebwerke" bezeichnet, die in der kommerziellen Luftfahrt verwendet werden, sind ganz andere Bestien im Vergleich zu den Staustrahltriebwerk!) Zum einen ist die Größe die Hauptdisqualifikation für Turbofans in den Antworten auf die vorherigen Fragen aufgrund des Lüfterteils des TurboFAN -Triebwerks.

Daher nein, diese Frage ist kein Duplikat. Ich habe speziell gefragt, weil es sehr wenig Diskussionen über Staustrahltriebwerke gibt, die für den Raketenantrieb verwendet werden. Ich möchte Sie bitten, das Tag "Duplizieren" zu entfernen, da die Frage, auf die sich das Tag bezieht, nur entfernt verwandt ist.

ZWEITE BEARBEITUNG: Ich habe speziell nach Ramjets für die zweite Phase des Starts gefragt. Bitte lesen Sie den Titel meines Beitrags, bevor Sie mich auf die Antwort verweisen, warum Ramjets für die erste Phase nicht verwendet werden können !

Und dank @Hobbes wissen wir, dass die NASA ein Design hat, das genau diese Abfolge von Antriebstechniken beinhaltet , also nochmal meine Frage: Warum verwenden es keine kommerziellen Betreiber - da sie anders als die NASA sehr kostenbewusst sind. Oder sein sollte.

Design für eine wiederverwendbare Rakete mit Staustrahl- und Turbostrahlstufen: nasa.gov/offices/ipp/centers/dfrc/technology/…
@Hobbes, das ist eigentlich eine großartige Antwort. Es zeigt, dass ein solches Design viel effizienter und billiger zu betreiben ist, daher ist meine Frage direkt vor Ort: Warum nutzt es niemand kommerziell?
Bezüglich Ihrer Bearbeitung: Die zweite, höher bewertete Antwort auf diese Frage befasst sich mit Ramjets. Lesen Sie alle positiven Antworten, nicht nur die erste.
Die zweite Stufe/das Haupttriebwerk des Ferranti Bloodhound SAM war ein Staustrahltriebwerk.
@NathanTuggy Diese zweite Antwort ist jedoch sehr kurz und befasst sich mit einem anderen Fall. Das OP schlägt die Verwendung als zweite Stufe vor. Ich verstehe nicht, warum dies geschlossen wurde.
@NathanTuggy die zweite Antwort ist irrelevant, ich frage, warum Ramjets nicht als zweite Stufe verwendet werden. Mir ist durchaus bewusst, dass sie nicht im Leerlauf betrieben werden können. Ich habe sogar die Option mit Feststoffrakete in der ersten Phase in meinem ursprünglichen Beitrag vorgeschlagen! Und irgendwie vermute ich, dass ich mehr über Ramjets weiß als die Leute, die den Thread geschlossen haben.
@NathanTuggy die Erwähnung der "zweiten Stufe" ist im Titel meiner Frage, ich bin total entsetzt darüber, wie Leute meine Frage in vielerlei Hinsicht falsch interpretieren können. Das war sehr eng und gut definiert.

Antworten (2)

Was nützt eine zweite Stufe mit Staustrahl in einer Höhe, in der die verbleibende Luft sehr, sehr dünn ist? Die erste Stufe von Falcon 1 wird bis zu einer Höhe von 90 km eingesetzt, die zweite Stufe erreicht eine Höhe von 200 km, wo der Satellit in die Umlaufbahn gebracht wird.

Sie würden drei Stufen benötigen, die erste mit einem Raketentriebwerk, um eine Geschwindigkeit zu erreichen, bei der ein Staustrahl verwendet werden kann, die zweite mit einem Staustrahltriebwerk bis zu der Höhe, wo die verbleibende Luft für den Staustrahlbetrieb zu dünn ist, und eine zusätzliche dritte Stufe mit a Raketentriebwerk, um in eine niedrige Umlaufbahn in 200 km Höhe zu gelangen.

Als hypothetisches Beispiel wird der Staustrahl ab 13 km Höhe und 19 % des Bodenluftdrucks bis 36 km Höhe mit 1 % Druck eingesetzt. Die erste Etappe ist auf nur 13 km beschränkt, die zweite Etappe fügt nur 23 km hinzu und die restlichen 164 km werden der dritten Etappe überlassen. Schauen wir uns die Geschwindigkeit an, ob der Staustrahl von Mach 2 auf Mach 5 oder von 0,66 km/s auf 1,7 km/s operiert. Für eine niedrige Umlaufbahn müssen wir eine Geschwindigkeit von 7,8 km/s erreichen. Die dritte Stufe muss die restlichen 6,1 km/s liefern.

Ich habe in Wikipedia nach einigen Geschwindigkeitswerten für einen Staustrahl gesucht.

Die Notwendigkeit von drei statt zwei Stufen erhöht die Komplexität und die Kosten und die Zuverlässigkeit ist geringer, was bedeutet, dass das Risiko, die Nutzlast aufgrund einer Fehlfunktion der gesamten Rakete zu verlieren, höher ist. Die dritte Stufe muss mehr Geschwindigkeit und Höhe beisteuern als die zweite Stufe einer herkömmlichen Rockert-Lösung, benötigt daher mehr Treibstoff und einen eventuell stärkeren Raketenmotor. Die erste Stufe ist vielleicht etwas billiger, aber die dritte Stufe wird teurer und wir haben die zusätzlichen Kosten für die zweite Staustrahlstufe. Ich bezweifle, dass die Gesamtkosten niedriger sind.

Ich mag diese Antwort, aber könnten wir ein paar Links für Informationen sehen, wie z. B. die Geschwindigkeiten und Höhen, mit denen Ram-Jets operieren können?
@Uwe Aufgrund von Nichtlinearitäten, verursacht durch Henne-Ei-Abhängigkeiten (Nutzlast und Kraftstoff), sind die 23 Kilometer mehr Reichweite nicht zu verachten. Die Saturn-V-Rakete hatte 3 Stufen, die erste Stufe hatte etwa 80% des Gewichts und hob die Rakete "nur" 67 km hoch. Die Turbofan/Staustrahl-Kombination würde zu einer viel, viel kleineren ersten (jetzt dritten) "echten Raketen"-Stufe führen, auch wenn es auf dem Papier winzig erscheint!
Wenn die erste Stufe kleiner ist, gilt dies nur für die Treibstofftanks. Die Raketentriebwerke benötigen den gleichen Schub für einen Auftrieb. Mit kleineren Tanks und weniger Sprit spart man nicht viel Geld. Die Kosten für Motoren und Elektronik sind gleich. Saturn V hatte drei Stufen nicht nur für eine erdnahe Umlaufbahn, sondern auch für die Mondinjektion. 2 Stufen können einen Satelliten auf eine niedrige Umlaufbahn heben.
@Uwe, mit kleineren Tanks und weniger Sprit kann man das Verhältnis von Nutzlast zu Treibstoff deutlich erhöhen und das ist der entscheidende Punkt.
Für die erste Stufe ist die „Nutzlast“ alle zusätzlichen Stufen, die benötigt werden, um die endgültige Nutzlast dorthin zu bringen, wo sie hin soll. So wie für Apollo die Nutzlast der dritten Stufe der CSM/LM-Stapel war.
@MichaelKjörling ok, sagen wir "ultimative Nutzlast" zum Gesamtkraftstoffverhältnis oder "ultimative Nutzlast" zum Gesamtgewichtsverhältnis, um billigere Starts zu ermöglichen, wie die NASA tatsächlich in ihrem Vorschlag schreibt.
@xmp125a: Du konzentrierst dich viel zu sehr auf die Höhe. Die Höhe ist nicht der schwierige Teil des Weltraumflugs. Der schwierige Teil ist die Geschwindigkeit . Sie müssten in der Lage sein, Ihren Ramjet viel schneller auf Geschwindigkeit zu bringen, als je gezeigt wurde, damit es sich lohnt, ihn als Bühne hinzuzufügen. Sobald Sie die Geschwindigkeit erreicht haben, ist es einfach, die zusätzliche Höhe zu erreichen. Allerdings redest du von „23 Kilometer mehr Reichweite“ und so, als ob das irgendetwas zu bedeuten hätte . Das tut es wirklich, wirklich nicht. Sobald Sie die Atmosphäre verlassen, können Sie stärker beschleunigen, aber das Verlassen der Atmosphäre ist der einfache Teil.
@CBHacking Meine (möglicherweise fehlerhafte) Annahme ist, dass Staustrahl verwendet werden kann, wenn genügend Luftmasse in den Motor eintritt. Ich sehe keinen Grund, warum man in einer sehr dünnen Atmosphäre keine extremen Geschwindigkeiten erreichen könnte (solange noch etwas Atmosphäre übrig ist). Für einen Staustrahljet spielt es wirklich keine Rolle, ob die Atmosphäre nur 1% Dichte hat, wenn Sie mit 100-facher Nenngeschwindigkeit an der Meeresoberfläche fahren. Die Frage ist also, ob die Atmosphäre schneller dünner wird, als der Staustrahl an Geschwindigkeit gewinnen kann.
@ xmp125a: "Konventionelle" Staustrahltriebwerke (ohne Überschallverbrennung) haben eine ziemlich strenge Geschwindigkeitsobergrenze, die niedrig genug ist, dass Sie eine dritte Stufe benötigen würden, die fast so stark ist wie eine moderne zweite Stufe. Oberhalb dieser Geschwindigkeit (in der Nähe von Mach 5) ist eine Unterschallverbrennung nicht mehr möglich - Sie können die einströmende Luft nicht genug verlangsamen - und während Überschallverbrennungs-Staujets (oder Scramjets ) in kleinen Zahlen demonstriert werden , scheinen sie viel schwieriger zu entwerfen, zuverlässig zu arbeiten und zu kontrollieren.
@CBHacking ok, das macht Sinn. Saturn IV bewegte sich am Ende der Verbrennung der ersten Stufe in der Nähe von Mach 7 und Falcon 9 anscheinend bei Mach 6. Wenn also Mach 5 die Staustrahlgrenze ist, dann ist dies definitiv einer der Gründe. Vielen Dank.
@xmp125a: Es gibt keinen großen Unterschied zwischen einer Dichte von 1 % oder 0,1 %, nur ein paar Kilometer mehr Höhe. 100-fache Nenngeschwindigkeit ist nicht möglich, Ramjets sind auf Mach 5 oder 6 beschränkt, wie CBHacking schrieb.
Ich persönlich glaube, dass eine wiederverwendbare 1. Stufe aus SRBs und Ramjets praktikabel wäre. Während die Geschwindigkeit und Höhe nicht sehr beeindruckend erscheinen, ist es ein Unterschied zwischen atmosphärischen und Vakuumraketentriebwerken, wobei letzteres erheblich effizienter ist, was erhebliche Einsparungen für die oberen Stufen bedeutet - und der Staustrahl versucht nicht, 6 Mach aufrechtzuerhalten, sondern gerade genug, um weiterzulaufen kann sehr gut verwendet werden, um die Startbühne nach der Bühnentrennung zurück zum Startplatz zu manövrieren.

Dank vieler Leute, die geantwortet und kommentiert haben, denke ich, dass es wie folgt zusammengefasst werden könnte:

1) Für den suborbitalen Flug ist die Höhe wichtig. Ramjets könnten dafür verwendet werden. Die NASA erforschte sogar Staustrahl als Antriebsoption.

2) ABER wenn es Ihr Ziel ist, den Orbit zu erreichen, spielt die Höhe keine so große Rolle. Sie können Ihr Raumfahrzeug auf eine Höhe heben, und es wird wie ein Stein herunterfallen. Was beim Orbital- und Interplanetarflug zählt, ist die Geschwindigkeit - (siehe Fluchtgeschwindigkeit ), also wird der Großteil der investierten Energie zum Beschleunigen des Fahrzeugs verwendet, nicht zum reinen Anheben. In diesem Fall werden Staustrahltriebwerke aufgrund des engen Geschwindigkeitsbereichs deutlich weniger nützlich.

Insbesondere in Grund 2, dem relativ engen Geschwindigkeitsbereich der Nützlichkeit von Staustrahltriebwerken - etwa Mach 1 bis 5 -, wenn Sie Mach 25 erreichen müssen.
Und die Energie, die erforderlich ist, um von M5 zu M25 zu gelangen, beträgt nicht das 5-fache, sondern das 25-fache, da die kinetische Energie das Quadrat von V ist.
@OrganicMarble: Andererseits, wenn sich Ihr Ramjet bei Mach 5 in einen Scramjet verwandeln kann ...
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