Welche Upgrades benötigt der Merlin 1D, um die Zeit zwischen den Überholungen auf 1000 Stunden zu erhöhen?

Das ist eine Frage, über die ich in den letzten Wochen nachgedacht habe, nachdem ich die Details der Merlin 1D-Engine zurückgerechnet habe. Nur als Gedankenübung wollte ich sehen, welche Upgrades der Merlin 1D benötigen würde, um die Zeit zwischen den Überholungen von Flugzeuggasturbinentriebwerken zu erreichen. Nachdem ich einige Dimensionen aus den veröffentlichten Daten über das Design zurückgenommen hatte, kam ich auf eine Reihe von Upgrades. Ich habe folgende Annahmen getroffen, um die Abmessungen zu erhalten:

  1. Sensoröffnungen, Einspritzöffnungen für Zündflüssigkeit und enge Biegungen in Rohrleitungen (z. B. am Turbinenauslass oder am Treibmittelauslass) erzeugen einen Spannungskonzentrationsfaktor von 3.
  2. An Stellen, an denen das Material nicht veröffentlicht ist, wird bei Niedertemperaturkomponenten von der Aluminiumlegierung 2021-T6 und bei Hochtemperaturkomponenten von Rene 88 ausgegangen. (Hochtemperatur ist alles über 400 K).
  3. Das Mischungsverhältnis ist für die Treibmittel stöchiometrisch.
  4. Es wird davon ausgegangen, dass der Kraftstoff aus besteht C 12 H 26 .
  5. Es wird davon ausgegangen, dass die Teile rissfrei sind.

Aus diesen Annahmen wurden unter Verwendung der veröffentlichten Leistungsspezifikationen (wikipedia und spacenews.com) die folgenden Werte berechnet: statischer Druck/statische Temperatur/Wandtemperatur/Durchgangsabmessungen/Wanddicke/durchschnittliche Belastung/maximale Belastung/Lebensdauer.

Brennkammer

  • Druck: 6,77 MPa
  • Statische Temperatur: 3006 K
  • Wandtemperatur: 566 K
  • Durchmesser: 0,609 Meter
  • Wandstärke: 0,004 Meter
  • Durchschnittliche Spannung: 233 MPa
  • Maximale Belastung: 700 MPa/1.000.000 Zyklen oder 54.000 Betriebsstunden des Motors

Kehle

  • Statischer Druck: 3,9 MPa
  • Statische Temperatur: 2613 K
  • Wandtemperatur: 529 K
  • Durchmesser: 0,223 Meter
  • Wandstärke: 0,004 Meter
  • Durchschnittliche Spannung: 105 MPa
  • Maximale Belastung: 316 MPa/Unendliche Zyklen, unterhalb der Dauerfestigkeit von 600 MPa

Auspuff

  • Statischer Druck: 101 kPa
  • Statische Temperatur: 1697 K
  • Wandtemperatur: 388 K
  • Durchmesser: 0,6077 Meter
  • Wandstärke: 0,004 Meter
  • Durchschnittliche Spannung: 7 MPa
  • Maximale Belastung: 10 MPa/Unendliche Zyklen, unterhalb der Dauerfestigkeit von 600 MPa

Oxidationsmittelpumpe

  • Austrittsdruck: 10,6 MPa
  • Gehäusedurchmesser: 0,116 Meter
  • Wandstärke: 0,005 Meter
  • Durchschnittliche Spannung: 123 MPa
  • Maximale Belastung: 320 MPa10.000 Zyklen oder 544 Stunden Motorlaufzeit

Benzinpumpe

  • Austrittsdruck: 16,1 MPa
  • Gehäusedurchmesser: 0,173 Meter
  • Wandstärke: 0,011 Meter
  • Durchschnittliche Spannung: 128 MPa
  • Maximale Belastung: 383 MPa/8.000 Zyklen oder 435 Stunden Motorlaufzeit

Basierend auf diesen Ergebnissen ist der Schwachpunkt in Bezug auf die statische Lebensdauer die Turbopumpe, insbesondere das Gehäuse der Kraftstoff-Turbopumpe. Um 1000 Stunden zwischen Motorüberholungen zu erreichen, muss die durchschnittliche Belastung des Gehäuses sinken. Das Verschachteln der Kraftstoffpumpe innerhalb der Oxidationsmittelpumpe würde die von der Kraftstoffpumpe erfahrene Nettobelastung verringern, indem der von der Oxidationsmittelpumpe entwickelte Druck verwendet wird, um das Kraftstoffpumpengehäuse zusammenzudrücken. Und die Oxidationsmittelpumpe erhöht ihre Wandstärke auf 0,009 Meter, um zwischen den Überholungen 1000 Stunden zu erreichen.

Dies basiert jedoch auf den Daten, die ich in Erfahrung bringen konnte. Die eigentlichen Schwachstellen sind meiner Meinung nach die Laufräder, Wellen und Lager der Turbopumpe. Da sie sich mit 20.000 U/min drehen, können sie schnell ein Ermüdungsleben durchlaufen, wenn aufgrund von Kavitation, Schmutz oder externen Vibrationen ein Ungleichgewicht auftritt. Ich bin sicher, dass SpaceX und Barbor-Nichols (die Leute, die die Turbopumpen entworfen haben) sich dessen bewusst sind und vielleicht einige Lösungen haben. Abgesehen von der Erhöhung der Dämpfung in der Pumpe durch Verwendung eines Ferrofluids / Magneten und Magnetlagern weiß ich nicht, wie man die Überholungszeit verlängern würde.

Daher frage ich die Community: Wie würdet ihr das machen? Was würden Sie am Motordesign ändern, um 1000 Stunden zwischen den Motorüberholungen zu erreichen?

Darf ich fragen, warum Sie 1000 Stunden anstreben? Es scheint mir keine sehr realistische Zahl zu sein. Die typische Zeit bis MECO beträgt ca. 140-160 s. Das bedeutet, dass 1000 Stunden 22.500 Flüge sind. Zugegeben, die drei Motoren, die während der Wiederherstellung verwendet werden, werden etwas mehr genutzt, aber Sie sind immer noch eine Größenordnung höher als die angegebenen Nicht-Refurb-Flugziele von 10.
Egal, ich sehe das Ziel Flugzeugturbinenlaufzeiten zu erreichen. Ich sehe auch das Alter der Frage - oops. Unabhängig davon denke ich, dass eine realistischere Zahl für die Berechnung von Zahlen etwa 36 Stunden zwischen den Renovierungsarbeiten wäre, um das Ziel von 10 Flügen plus einen kleinen Puffer für die Landung und statische Brände vor den Flügen zu berücksichtigen.
Kürzlich erklärte Musk, dass die Entrußung der Turbopumpe ein Problem sei. Ich frage mich, ob es schwierig wäre, eine neue Turbopumpe zu bauen, die mit einem weniger rußigen dritten (Pumpen-)Kraftstoff betrieben wird. Vielleicht könnten sie diese neue Turbopumpe mit Alkohol oder Dimethylether betreiben. Oder vielleicht könnte eine Wasser- oder Methanoleinspritzung zusammen mit rp1-Kraftstoff in den Gasgenerator das Rußproblem mildern.
Ich muss Punkt Nr. 3 widersprechen - Raketen verbrennen treibstoffreich, um sicherzustellen, dass sie niemals sauerstoffreich verbrennen. Ein Motor, der sauerstoffreich verbrennt, verbrennt im Allgemeinen motorisch reich.

Antworten (1)

„Musk sagte, dass die Entrußung der Turbopumpe ein Problem sei. Ich frage mich, ob es schwierig wäre, eine neue Turbopumpe zu bauen, die mit einem weniger rußigen Drittel (Pumpen-) Kraftstoff läuft.“

Meiner Meinung nach bringt dies das Problem der mittleren Zeit bis zum Ausfall auf den Punkt - die Kerosinverbrennung hat ein inhärentes Rußproblem, das sich nachteilig auf eine erhebliche Erhöhung der MTTF auswirken wird.

Die wirkliche Lösung besteht darin, einen neuen Motor zu bauen, der von Grund auf Wartbarkeit und Wiederverwendung als Designanforderungen hat. Daher Raptor.
Meth-LOX hat nicht die Rußprobleme, die Ker-LOX hat; und Raptor hat andere Designverbesserungen gegenüber Merlin, um die MTTF zu erhöhen.

Welche Upgrades benötigt der Merlin 1D, um die Zeit zwischen den Überholungen auf 1000 Stunden zu erhöhen?
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