Was werfen Raketen aus?

So reagiert zum Beispiel beim Space Shuttle flüssiger Wasserstoff mit flüssigem Sauerstoff, um Wasserdampf zu erzeugen. Wird aus der Rakete nur Wasserdampf ausgestoßen? Oder wird die ausgestoßene Masse eine Mischung aus Wasser und Wasserstoff sein?

Wenn die ausgestoßene Masse eine Mischung ist, geschieht dies absichtlich? Oder kann man auch mit dem richtigen stöchiometrischen Verhältnis kein reines Wasser ausstoßen? Was ist denn die gewünschte Mischung?

Idealerweise möchten Sie, dass nur Wasserdampf aus der Rakete ausgestoßen wird, da das Ausstoßen von nicht umgesetztem Wasserstoff wertvolle Energie verschwendet.
Tatsächlich ist es effizienter, Wasserstoff und Dampf auszustoßen, da die Abgasgeschwindigkeit höher ist
Es kann erforderlich sein, Wasserstoff und Dampf auszustoßen, um das Raketentriebwerk vor Oxidation zu schützen. Sehr heiße Metalle und Dampf neigen dazu, unter Bildung von Metalloxiden und Wasserstoff aus dem Dampf zu reagieren.
Verwandte (aber keine vollständige Antwort): space.stackexchange.com/questions/22148/…
@BorisDeletic Die entscheidenden Ressourcen für Raketen sind nicht nur Treibstoff, sondern auch Reaktionsmasse.

Antworten (2)

In Raketentriebwerken besteht das Ziel der Verbrennung darin, den maximalen ISP zu erzeugen, was bedeutet, dass die aus der Düse austretenden Gase die höchstmögliche Geschwindigkeit haben.

In einem typischen Szenario hat eine Änderung des Kammerdrucks keinen großen Einfluss auf den ISP. Die Austrittsgeschwindigkeit wird jedoch durch das Molekulargewicht der Gase beeinflusst, da die gleiche Austrittsmachzahl für ein leichtes Gas eine höhere Geschwindigkeit bedeutet als für ein schweres Gas.

Dies ist Teil der Optimierung, die letztendlich zu optimalen Leistungsparametern der Rakete führen soll, nicht des Triebwerks, unter Berücksichtigung weiterer Faktoren.

Für Wasserstoff liegt die Stöchiometrie bei einem Verhältnis von 8:1, und ein optimaler ISP wird bereits bei einem Mischungsverhältnis von 3,5:1 erreicht, was bedeutet, dass mehr als die Hälfte des Wasserstoffs unverbrannt ausgestoßen wird. Dies würde jedoch zu extrem großen und schweren Wasserstofftanks führen, sodass eine optimale Wahl etwas dazwischen liegen wird.

Für Kohlenwasserstoffkraftstoffe gilt das gleiche in geringerem Maße. CO2 ist ein ziemlich schweres Molekül, daher stoßen Raketen auch viel CO aus, um einen höheren ISP zu erhalten.

Ich glaube nicht, dass die Austrittsgeschwindigkeit wichtig ist; Ich denke, der Austrittsimpuls der Moleküle / Partikel ist wichtig.
Das Ziel ist nicht, den maximalen spezifischen Impuls zu erzeugen. Es soll die Kosten minimieren, um eine Nutzlast in die Umlaufbahn zu bringen, oder vielleicht die Masse der Nutzlast maximieren. Dies kann durchaus bedeuten, dass ein suboptimaler spezifischer Impuls verwendet wird.
Ich denke, die Aussage, dass "das Ziel der Verbrennung in einem Raketentriebwerk darin besteht, die Gase mit maximaler Geschwindigkeit auszustoßen", ist so wie sie ist gültig, da ich dies weiter unten klarstelle.
Das Ziel eines Raketentriebwerks ist nicht immer die Maximierung des ISP. Für die erste Stufe ist Schub zu Gewicht viel wichtiger. Ein extremes Beispiel sind Ionentriebwerke, die einen massiven ISP, aber sehr wenig Schub haben. Wenn ISP das Wichtigste wäre, würden wir in unseren ersten Phasen Ionentriebwerke verwenden.
Das Ziel der Verbrennung selbst (nicht des Motors) ist es immer noch, die Gase so weit wie möglich zu beschleunigen.

Grundsätzlich testen sie vor Ort, um die optimale Mischung zu bestimmen, und verwenden diese Mischung. Diese Website zeigt einige davon, von denen ich hier eine Grafik veröffentlichen werde. Beachten Sie, dass dies Massenverhältnisse sind.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie finden also heraus, wie hoch Ihr Kammerdruck sein sollte, und mischen dann die Gase so, wie es optimal ist. Das wird oft keine reine Mischung der beiden Elemente sein, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen. Für LOX/LH hat der optimale Punkt einige ungenutzte Kraftstoffe. Bei anderen Kraftstoffen kann das Gemisch bei steigendem Druck im Allgemeinen ein anderes Gemisch begünstigen.

Ich erinnere mich, gehört zu haben, dass normalerweise ein "kraftstoffreiches" Gemisch verwendet wird, IIRC, da die beschleunigten unverbrannten Kraftstoffkomponenten den Schub leicht erhöhen. Hast du dazu auch ein paar Infos?
Ein bisschen mehr über diese Art von Sachen hinzugefügt.
Das stöchiometrische Verhältnis beträgt 8:1 und ein Mischungsverhältnis von 6:1 ist wasserstoffreich, nicht sauerstoffreich, siehe . Kann es sein, dass hier etwas nicht stimmt? Für welche Brennstoff-Oxidationsmittel-Kombination gilt das Diagramm?
Du hast Recht, seufz ... Das bekomme ich, wenn ich morgens als erstes Raketenwissenschaft mache!
@DarkDust, der maximale spezifische Impuls wird erreicht, wenn das Abgas das niedrigstmögliche Molekulargewicht hat. Wenn der Brennstoff leichter ist als das Oxidationsmittel (z. B. Wasserstoff/Sauerstoff), möchten Sie unverbrannten Brennstoff. Wenn es umgekehrt ist (z. B. Kerosin / Sauerstoff), möchten Sie nicht umgesetztes Oxidationsmittel (oder in der Praxis teilweise verbrannten Kraftstoff in Form von Kohlenmonoxid).
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