Welche Herausforderungen gibt es für mehr kleinere Flüssigbrennstoffmotoren anstelle eines großen?

Es tauchten einige Fragen zu Schwierigkeiten bei der Herstellung drosselbarer Flüssigbrennstoffmotoren auf.

Ich frage mich, warum die offensichtliche Alternative nicht häufiger vorkommt: mehrere Motoren, von denen nur einige beleuchtet werden; möglicherweise solche mit unterschiedlichem Schub, so dass Sie Ihren Schub feinabstimmen können , indem Sie auswählen, welche Triebwerke gleichzeitig aktiv sind.

Mehrere sowjetische Trägerraketen verwendeten vier Motoren. Die Shuttles verwendeten drei Motoren. Falcon Heavy verwendet 27 Merlin-Motoren. Sojus verwendet 20 Brennkammern in fünf Triebwerken – daher ist die Lösung mit mehreren Triebwerken nicht ungewöhnlich – aber nicht ganz so verbreitet wie die mit einem Triebwerk. Welche Faktoren entscheiden über seine relativ geringe Beliebtheit?

LF ist flüssiger Kraftstoff?
Skaleneffekte, meistens. Ein Haufen winziger Motoren, die x Gesamtschub liefern, wird mehr als 1 x Schubmotor wiegen.
@Hobbes: Ja - Wasserstoff/Sauerstoff oder so; im Gegensatz zu SRBs.

Antworten (2)

Eine große Auswahl an Schubeinstellungen ist wichtig für Landungen, nicht so sehr für Starts. Während eines Starts möchten Sie eine gewisse Drosselung, um die Lasten um max-Q herum zu reduzieren, aber ansonsten ist ein Start am effizientesten, wenn er so schnell wie möglich erfolgt. Bei nicht wiederverwendbaren Trägerraketen macht es also keinen Sinn, einige Ihrer Motoren abzuschalten.
Wenn Sie mehr Motoren verwenden, steigen die Anzahl Ihrer Teile, die Kosten und das Gewicht und Ihre Zuverlässigkeit sinkt.
Wenn Sie genügend Triebwerke haben (ungefähr 5 Triebwerke scheinen genug zu sein), erhalten Sie die Option, die Mission fortzusetzen, wenn ein Triebwerk ausfällt, aber für die meisten Designs wurde diese Entscheidung noch nicht getroffen (mehr Trägerraketen mit einer kleinen Anzahl von Triebwerken als mit Engine-out-Fähigkeit).

Machen Sie weiter und posten Sie das als neue Frage. Es ist eine interessante Frage, die eine umfassendere Antwort erfordert, als dies in Kommentaren möglich ist.

Wie in diesem anderen Thread besprochen , besteht das größte Problem bei vielen kleinen Motoren darin, dass viele kleine Motoren viele kleine Kraftstoff- und Oxidationsmittelleitungen bedeuten (während Sie mit ein paar großen Motoren davonkommen können, ein paar große zu verwenden Kraftstoff- und Oxidationsmittelleitungen). Was wiederum zwei Probleme schafft:

  1. Kompliziertere Rohrleitungen machen es viel schwieriger sicherzustellen, dass der Kraftstoff- und Oxidationsmittelfluss stabil und gleichmäßig ist – insbesondere wenn Sie viel mehr Motoren haben, die alle die gleiche Schubkraft erzeugen müssen. Infolgedessen haben Konstruktionen mit einer großen Anzahl von Motoren oft ernsthafte Probleme mit einer Instabilität des Kraftstoff- und Oxidationsmittelflusses, was zu einer Instabilität der Verbrennung führt, was bewirkt, dass der Kammerdruck des darunter leidenden Motors schwankt, was die Kraftstoffmenge und -menge beeinflusst Oxidationsmittel, das in den Motor eintritt, was die Instabilität verschlimmert, was alles Vibrationen (als "Pogo-Oszillation" bezeichnet) in der Fahrzeugstruktur induziert , was uns zum zweiten großen Problem führt:
  2. Viele kleine Treibmittelleitungen machen die Leitungen der Rakete viel zerbrechlicher - kleinere, dünnere Leitungen brechen leichter als größere, und es gibt mehr Leitungen, die brechen können . Wenn Sie ein Fahrzeug haben, das bereits zu starken Pogo-Oszillationen neigt, sind zerbrechliche Rohrleitungen nicht Ihr bester Freund.

Betrachten Sie die sowjetische N1- Rakete als Beispiel für die Probleme, die beim Einsatz vieler kleiner Triebwerke auftreten können. Von den vier N1-Startfehlern (die die gesamte Betriebsgeschichte der N1 umfassten) traten drei auf, nachdem Teile des Rattennests der Rohrleitungen, die die 30 (!) Triebwerke in der ersten Stufe der N1 versorgten, aus dem einen oder anderen Grund gerissen waren (Pogo-Oszillation in der ersten Start, eine explodierende Turbopumpe im zweiten, das Treibstoff-/Oxidationsmittel-Äquivalent eines Wasserschlags im vierten), die Teile der Bühne in Brand setzte, was schnell verschiedene wichtige Komponenten durchbrannte.

TL;DR: Viele kleine Motoren zu haben bedeutet, viele komplizierte, zerbrechliche Leitungen zu haben, was für eine Rakete im Allgemeinen nicht gut ist.

Die Sojus hat 20 Brennkammern, die mit 5 Tankpaaren verbunden sind. Die Falcon Heavy hat 27 Triebwerke, die mit drei Panzerpaaren verbunden sind. Aber der N1 hatte 30 Motoren, die mit nur einem Tankpaar für Kraftstoff und Oxidationsmittel verbunden waren. Mehrere erfolgreiche Raketen haben 4 bis 9 Triebwerke pro Panzerpaar.
Das einzige, was wir wirklich von der N1 lernen, ist, dass unzuverlässige Motoren für eine unzuverlässige Rakete sorgen. Ich vermute, dass die Zeit zeigen wird, dass die 27 Triebwerke der Falcon Heavy in Ordnung sind.
@PhilipNgai: Die Motoren sind vollkommen in Ordnung - es war die Rakete, die versuchte, dreißig von ihnen gleichzeitig aus einem einzigen Satz Treibmitteltanks zu füttern, die immer wieder explodierten.
@PhilipNgai: Der NK-33- Motor wurde später erfolgreich eingesetzt.
Erster Start: defekte Motoren. link Wie sich herausstellte, hatten hochfrequente Vibrationen sechs Sekunden nach dem Start ein Gasdruckmessrohr abgerissen, das sich hinter der Turbopumpe in Triebwerk Nr. 2 befand. Zu allem Überfluss wurde bei T+25 Sekunden ein Messrohr abgerissen Treibstoffdruck, bevor auch der Gasgenerator abgebrochen war und Kerosin in die Eingeweide der Rakete gespuckt hatte.
Zweiter Start: defekte Motoren. Eine Link- Analyse der verfügbaren Telemetrie-, Foto- und Filmaufnahmen ergab, dass eine Viertelsekunde vor dem Start eine Turbopumpe explodierte, die das Triebwerk Nr. 8 mit flüssigem Sauerstoff versorgte, als das Antriebssystem feuerte, während sich die Rakete noch auf der Startrampe befand. Die Turbopumpe von Triebwerk Nr. 8 wies im Gegensatz zu den anderen 29 Triebwerken Schmelzspuren und Schäden durch eine interne Explosion auf. Die Wucht dieser Explosion war für die gesamte Rakete tödlich. Verschiedene Arterien, die zu anderen Motoren führten, wurden durchtrennt.
Noch mehr Info: Link Die eigentlichen Flugmotoren konnten nicht statisch getestet werden. Viele Ventile wurden mit Pyros statt mit hydraulischer oder pneumatischer Kraft geöffnet und geschlossen. Nach einem Probelauf waren die Ventile zugeschweißt und ließen sich nicht öffnen.
Die Testrichtlinie bestand darin, Motoren in Losen von 6 vom Werk anzunehmen. 2 wurden zur Testeinrichtung des Kusnezow-Büros geschickt und getestet und dann verschrottet. Wenn diese beiden eine vollständige Verbrennung abgeschlossen haben, wurden die anderen 4 nach Baikonur geschickt und ohne Tests in den Stufen installiert. Daher ist es nicht verwunderlich, dass es bei 120 Flugtriebwerksläufen zu zwei Turbopumpenexplosionen und einem Heißgasleck (der eigentlichen Ursache des ersten Flugausfalls) kam.
Die Vorstellung, dass N-1 mit den verbesserten NK-33-Triebwerken ein Erfolg gewesen sein könnte, wird durch die schreckliche Bilanz dieser Triebwerke im Antares-Programm widerlegt. Dieses Ausfallbrett riss viele NK-33 auf Lager bei Aerojet ab und stellte fest, dass etwa 1/3 Metall an der Turbopumpenwelle fehlte. Dies war wahrscheinlich ein Bearbeitungsfehler der Nachtschicht in der Fabrik von Kuznetsov, der von der Qualitätskontrolle übersehen wurde.
@PhilipNgai: Erster Start: Teile der Rohrleitungen wurden durch Vibrationen auseinandergerissen. Das ist ein Problem mit der Zerbrechlichkeit der Rohrleitungen. Zweiter Start: Die explodierende Turbopumpe hat die Rakete zum Scheitern verurteilt , weil sie genug von der Rohrleitung durchriss , um ein Feuer zu entfachen, das mehrere der anderen Triebwerke so schwer beschädigte, dass sie automatisch abgeschaltet wurden; Das Buggy-Motorsteuerungssystem des N-1 tat dies, indem es die gesamte Bühne abschaltete (mit Ausnahme eines Motors, der die Nachricht nicht erhielt - vielleicht ein Kabelbruch?). Stabilere Leitungen hätten der Schockwelle standgehalten, ergo kein Feuer, ergo kein Kaboom.
Ein Teil der Leitungen von THE ENGINE wurde auseinandergerissen.
@PhilipNgai: Genau. DIE SANITÄRE, DIE ZUM MOTOR FÜHREN. NICHT der Motor selbst.
Diese Leitungen waren Teil des Motors.
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