Wie bestimmt man das optimale CH4:O2-Verhältnis in einem Methan-LOX-Raketentriebwerk?

Der SpaceX Raptor verwendet ein O2:CH4-Verhältnis von 78:22 . Es hat auch Brennkammerdrücke, die höher sind als bei jedem anderen jemals gebauten Raketentriebwerk.

Meine Fragen sind:

  • Was ist die Mathematik / Chemie, die bestimmt, welches Verhältnis Isp optimiert?
  • Wie wichtig ist der Brennkammerdruck bei der Bestimmung des optimalen O2:CH4?
  • Können wir Isp erhöhen, indem wir mehr CH4-reich in Brennkammern mit höherem Druck betreiben?
Teilduplikat zur ersten Frage: Stöchiometrie des Merlin-Motors
Hier ist eine Erklärung der Isp-Gleichung . Einerseits die chemischen Make-up-Begriffe R G A S Und k sind unabhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen, aber andererseits ändert sich die chemische Zusammensetzung des Abgases mit unterschiedlichen Eigenschaften in der Brennkammer. Ich vermute , dass heißere Kammern mit höherem Druck magerere Mischungen bis hin zur vollständigen Verbrennung begünstigen (weil die Hitze die Abgasprodukte dissoziieren kann), aber Motoren sind durch Kühlbeschränkungen eingeschränkt.

Antworten (1)

Darauf gibt es keine einfache Antwort.

Aus rein chemischer Sicht können Sie beobachten, dass ein CH4-Molekül vollständig mit zwei O2-Molekülen reagiert. CH4 hat ein Molekulargewicht von 16, O2 hat ein Molekulargewicht von 32. Sie benötigen also 4x so viel O2 nach Gewicht.

Es spielen jedoch noch zwei weitere Faktoren eine Rolle:

  1. Sie können mit etwas unverbranntem Kraftstoff im Auspuff tatsächlich mehr Schub erzielen - was zählt, ist Geschwindigkeit, nicht Energie, und das niedrigere Molekulargewicht kann helfen. Ich denke, es ist nur für Hydrolox relevant, aber ich bin mir nicht sicher.

  2. Sehr heißer Sauerstoff ist ein extrem starkes Oxidationsmittel. Sie möchten nicht , dass es Ihren Motor irgendwo berührt, oder Sie werden wahrscheinlich mit einem, wie ich schön beschrieben habe, motorreichen Auspuff enden. Dies ist eine Frage der Physik des Motors im Gegensatz zu einer Frage der Chemie. Sie müssen genügend zusätzlichen Treibstoff hinzufügen, um die Sicherheit des Motors zu gewährleisten, auch wenn dies die Leistung der Rakete verringert.

Beachten Sie, dass Sie, wenn Sie sich um Ihren Motor kümmern, immer sicherstellen müssen, dass der Sauerstoff vor dem Kraftstoff abgeschaltet wird. (Wenn Sie die Stufe zu diesem Zeitpunkt einfach verwerfen, spielt es keine Rolle, aber wenn Sie vorhaben, den Motor wieder anzuzünden oder wiederherzustellen, ist dies der Fall.)

Wie bestimmt man das optimale CH4:O2-Verhältnis in einem Methan-LOX-Raketentriebwerk?
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