Als Mathematik- und Physikstudent an der High School, der sich für Luft- und Raumfahrttechnik interessierte, versuchte ich, die Grundlagen der Funktionsweise einer Rakete zu verstehen, und konnte online keine Gleichung oder Analyse darüber finden, wie viel Energie der Treibstoff nach seiner Verbrennung freisetzt. in Wärme umwandelt im Vergleich dazu, wie viel das Gas vorwärts treibt und die Brennkammer unter Druck setzt, und da diese Werte für die Berechnung des Schubs (Gesamtdruck und Gesamttemperatur) unerlässlich sind, war ich verloren, als ich versuchte, diese Werte zu berechnen. Es ist möglich, dass ich verstehe, wie die Verbrennung falsch funktioniert, aber ich konnte nichts finden, was mir geholfen hat, zu lernen, wie man diese Dinge theoretisch statt experimentell berechnet. Jede Hilfe wird sehr geschätzt!
Sutton, 4. Auflage, Seite 7:
Die Energie aus einer Hochdruck-Verbrennungsreaktion von Treibchemikalien, üblicherweise ein Brennstoff und eine oxidierende Chemikalie, ermöglicht das Erhitzen von Reaktionsproduktgasen auf sehr hohe Temperaturen (4500 bis 7500 Grad F). Diese Gase werden anschließend in einer Düse entspannt und auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt.
Es ist also nicht "Hitze gegen das, was das Gas vorantreibt". Die Hitze treibt das Gas voran und setzt die Brennkammer unter Druck.
Sie fragen im Grunde, wie die Brennkammerbedingungen berechnet werden sollen, und das ist eine lange Antwort, die wahrscheinlich nicht für Stack Exchange geeignet ist. Stattdessen schlage ich vor, dass Sie sich die online verfügbare Version von Sutton ansehen , obwohl sie nach Meinung vieler Leute früheren Ausgaben unterlegen ist, die Grundlagen sind darin enthalten. Informieren Sie sich darüber und kommen Sie dann mit konkreten Fragen zurück.
Hier ist das Gesamtbild der 4. Ausgabe (Seite 181):
Die Brennkammerbedingungen (wie Kammertemperatur und Gaszusammensetzung) können berechnet werden, indem die Bedingungen der Massenbilanz (-), der Druckbilanz (-), mehrerer chemischer Gleichgewichtsbedingungen (-) und der Energiebilanz (-) verwendet werden. und durch gleichzeitiges Lösen dieser Gleichungen .... Die Unbekannten in diesen Gleichungen sind die Kammertemperatur Tc und die molaren Anteile nj jedes der β-Bestandteile in den Reaktionsproduktgasen; daher muss die Anzahl der unabhängigen Gleichungen gleich β+1 sein.
(-) Ich habe hier die Gleichungsreferenz entfernt, weil sie für den Punkt irrelevant ist und nicht auf das online verfügbare Buch zutrifft.
bearbeiten: @JohnRennies Physics SE-Antwort erklärt dies viel besser als ich es jemals könnte; Nachdem Sie dies gelesen haben, wäre das Lesen dieser Zeit gut investierte Zeit, ebenso wie die Zeit, die Sie damit verbringen, eine seiner Antworten zu lesen.
Die Antwort von @OrganicMarble ist ausgezeichnet und gibt Ihnen eine Ressource zum Weiterlesen. Ich werde eine Antwort hinzufügen, die intuitiv hilfreich sein könnte.
Die Ausdehnung von Gasen führt im Allgemeinen zu einer Abkühlung. Das wissen wir vom idealen Gasgesetz und von der Tatsache, dass Kühlschränke und Klimaanlagen funktionieren.
Was passiert also mit der kinetischen Energie aller Gasmoleküle, wenn das Gas abkühlt?
Wenn Sie einen Ballon im Vakuum platzen lassen , kühlt sich das Gas ab, und die mit der ursprünglichen Temperatur verbundene kinetische Energie bleibt vorhanden, ändert sich jedoch von thermischer Energie zu kinetischer Energie der gerichteten, radialen Ausdehnung.
Die Expansion liefert eine bevorzugte Richtung für die molekulare Bewegung. Anstelle einer völlig zufälligen Bewegung bewegen sich die Atome bevorzugt in Expansionsrichtung . Die Temperatur ist ein Maß für die zufällige Bewegung, daher trägt die kinetische Energie jeder geordneten Bewegung eines Gasbereichs nicht mehr zur thermischen Energie oder Temperatur bei.
Letztendlich verrichtet die kinetische Energie in einer geschlossenen Expansion wie einem Kühlschrank oder einer Klimaanlage oder einem Verbrennungsmotorzylinder mechanische Arbeit an der Expansionszelle. Diese Antwort könnte an dieser Stelle hilfreich sein.
Der im Vakuum platzende Ballon ist eine hilfreiche Analogie zu dem, was in einer Raketendüse passiert. Die kontrollierte, optimierte Expansion wandelt die zufällige Bewegung des heißen Gases in die gerichtete Bewegung des Abgases um, das sich rückwärts bewegt.
Rikki-Tikki-Tavi
Steve Linton