Was sind die Unterschiede zwischen einem Standard-Merlin-Motor und dem Merlin-Vakuummotor?

Ich weiß, dass es einen Unterschied zwischen den Falcon 9-Triebwerken der 1. Stufe von SpaceX und dem Triebwerk der 2. Stufe gibt, da diese Stufe speziell auf Vakuum abgestimmt ist. Wikipedia sagt auch, dass die Merlin Vacuum Engine größer ist als die Standard-Merlin 1D. Das hat mich zum Nachdenken gebracht ... gibt es noch mehr Unterschiede?

Was sind die Unterschiede zwischen den Merlin-Motoren der ersten Stufe und dem Merlin-Vakuummotor der zweiten Stufe? (Ich interessiere mich besonders für Größenvergleich, Effizienz, Schub usw.)

Antworten (3)

Der größte Unterschied ist die Düse . Für eine optimale Leistung im Vakuum benötigen Sie einen viel größeren.

Laut Spaceflight 101 ist der Kammerdruck derselbe, aber das Expansionsverhältnis (Halsfläche zu Endfläche der Düse) ist bei der Vakuumvariante 7-mal größer, was (wenn richtig) etwa das 2,7-fache des Düsendurchmessers bedeutet, wenn die Rachen ist unverändert.

Die Wikipedia-Beschreibung des 1C-Vakuums besagt, dass die Expansionsdüsenlänge 2,7 Meter beträgt, während die Gesamtlänge der ersten Stufe 1C nur 2,9 Meter lang ist – ungefähr die Hälfte davon ist die Düse. Die Düsenlänge wird also grundsätzlich verdoppelt. Vermutlich ist die Beziehung zwischen dem 1D- und dem 1D-Vakuum analog.

Dieses Bild soll von links nach rechts sein: Falcon 1 Merlin 1C, Falcon 9 1C (andere Montage) und Falcon 9 2. Stufe 1C-Vakuum - ohne Verlängerungsdüse, also eine kürzere, dickere Düse als die anderen.

2 Merlin 1Cs und ein 1C-Vakuum

Und so sieht die Verlängerungsdüse alleine aus:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Da die zweite Stufe der Falcon 9 einen einzelnen Motor im Körper des gleichen Durchmessers wie die erste Stufe (mit ihrer Gruppe von 9) montiert, gibt es viel Platz für die große Düse.

Dieser Reddit-Thread enthält einige nicht schlüssige Debatten darüber, wie sehr sich die Vakuummotoren tatsächlich unterscheiden. Es gibt sicherlich Unterschiede in der Montage und Anordnung (am offensichtlichsten ist die Abgasdüse des Gasgenerators weiter nach außen geneigt, um ein Auftreffen auf die Düsenverlängerung zu vermeiden), aber die Turbopumpen usw. sind anscheinend gleich.

Gemäß der Überarbeitung des Falcon 9-Benutzerhandbuchs vom Oktober 2015 hat das 1D-Vakuum eine viel stärkere Drosselfähigkeit als das Triebwerk der ersten Stufe, bis zu etwa 40 % des maximalen Schubs (360 kN-934 kN). Es ist unklar, was der Grund für den Drosselungsunterschied ist; Es könnte sein, dass der Motor bei niedrigen Schubeinstellungen für eine Ablösung des Abgasstroms in einen hohen Umgebungsluftdruck anfällig ist.

Wow, ausgezeichnete Antwort. Das ist genau das, wonach ich gesucht habe. Ich bin überrascht, wie viel größer der Vakuummotor ist. Ich werde warten, bis ich akzeptiere, nur für den Fall, dass es andere Antworten gibt, aber noch einmal, eine großartige Antwort.
Ja, vakuumoptimierte Düsen können erstaunlich groß sein. Das Antriebssystem des Apollo-Servicemoduls ist ein gutes Beispiel; Angesichts seiner Größe, die proportional zum Raumfahrzeug ist, könnte man meinen, dass der Motor mehr als 0,3 g produzieren sollte.
Die Vakuumdüsenverlängerung ist eine dünne Schale (1/64 Zoll unten), die kein aktives Kühlsystem hat. Die Nicht-Vakuumdüse hat viel dickere Wände mit angebrachten Kanälen, Kraftstoff fließt durch die Kanäle, um die Düse zu kühlen.
... und während des atmosphärischen Fluges nach dem frühen Stadium der dichten Atmosphäre (erste 10 km oder so) würde die große Düse der Motorleistung zugute kommen, zuerst würde die große Glocke zusätzlichen Luftwiderstand erzeugen, und außerdem ist einfach kein Platz für so große Düsen die 9 dicht gepackten Motoren.
Wäre eine Frage, warum größere Düsen im Vakuum besser funktionieren, angebracht? Das klingt absolut interessant.
Die Ausdehnung der Düse reduziert den Abgasdruck, und die Leistung ist am besten, wenn der Druck am Ende der Düse dem Umgebungsdruck (Außendruck) entspricht. Im Vakuum möchten Sie eine unendlich große Düse, um den Ausgangsdruck auf Null zu bringen, aber das ist unpraktisch ...
Das Drosseln eines Motors verursacht einen starken Abfall des Kammerdrucks. Beim Überschallflug durch die Atmosphäre könnten die Luftturbulenzen Verbrennungsinstabilitäten verursachen, indem sie den Strom von Abgasen unter niedrigerem Druck stören. Ein Vakuummotor kann sich viel niedrigere Drücke leisten, und niedriger Schub ist gut für Präzisionsmanöver. Auch das Landetriebwerk würde von der geringeren Drosselung profitieren, aber wenn es mit der Düse voran in den Wind fliegt, kann es sich nicht wirklich leisten, dass Umgebungsluft gegen den Auspuff in die Brennkammer gepumpt wird.
@SF. Die Landung will kein niedrigeres Gas; das verschwendet Sprit.
@RussellBorogove: Die Landung ohne niedrigeres Gas verschwendet oft die Rakete. Es würde definitiv ein niedrigeres Gas geben, wenn es genug Zeit bedeutet, um zu manövrieren und sich auf dem Drohnenschiff niederzulassen, anstatt entweder ins Meer zu stürzen oder wieder hochzufahren. Derzeit kann es nicht unter TWR 1 drosseln, das gesamte Hover-Slam-Verfahren ist sehr prekär und lässt nur sehr wenig Raum für Korrekturen. Sicheres Bremsen bei Vollgas, aber das Aufsetzen könnte definitiv von einer präziseren Steuerung profitieren.

Es gibt mehrere Gründe für eine starke Drosselung im Vakuummotor, aber nicht im Motor der ersten Stufe.

(1) Die erste Stufe kann keine große Expansionsglocke verwenden und könnte dies auch dann nicht, wenn die Mechanik dies zulässt, da sich der Abgasstrom von der Glocke trennen würde. Dies würde zu Strömungsinstabilität / Rückfluss / ... führen, was wahrscheinlich die Glocke zerstören oder beschädigen oder Schlimmeres verursachen würde. Der Austrittsdruck jeder Raketenglocke sollte für maximale Effizienz mit dem atmosphärischen Umgebungsdruck übereinstimmen. (Dies bedeutet, dass jede herkömmliche Raketendüse mit dem besten Wirkungsgrad auf Meereshöhe in allen höheren Höhen weniger effizient ist.)

(2) Die erste Stufe muss nur gegen Ende ihrer Verbrennung leicht gedrosselt werden, um die Nutzlastbeschleunigung auf fünf oder sechs g zu begrenzen (ich vergesse ... 6, glaube ich). Auch ohne Drosselung könnte dies durch Abschalten der Motoren erreicht werden.

(3) Die zweite Stufe muss viel stärker und früher gedrosselt werden (prozentual; die Verbrennung ist erheblich länger), um die g-Kräfte der Nutzlast zu begrenzen. Bei geringerer Nutzlast muss er noch stärker und früher drosseln. Da der Motor im leeren Raum zündet, gibt es keine Begrenzung für die Größe der Düse oder Bedenken hinsichtlich der Strömungsablösung.

Dies scheint ein erweiterter Kommentar zu einer anderen Antwort zu sein, keine Antwort auf diese Frage. Möglicherweise können Sie es bearbeiten, damit es für sich stehen kann.
Ja hat keine Statistiken oder Fakten. Auch die Geschwindigkeit der Nutzlast sollte in Geschwindigkeit und nicht in Beschleunigung ausgedrückt werden (z. B. m/s oder km/s statt m/s2).

Das Hauptziel jedes Raketentriebwerks besteht darin, der Rakete den höchsten Impuls zu geben. mv (Rakete) = mv (Kraftstoff), also möchten Sie für eine bestimmte Kraftstoffmasse die maximal mögliche Geschwindigkeit. Die größere Düsendivergenzglocke nutzt das Vakuum besser aus, um die höchstmögliche Geschwindigkeit zu erreichen.

Was sind die Unterschiede zwischen einem Standard-Merlin-Motor und dem Merlin-Vakuummotor?
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