Wie erzeugen Raketentriebwerke mehr Schub als Flugzeugtriebwerke?

Ich kann den Grund nicht finden, warum Raketen im Vergleich zu Turbojets so viel Schub erzeugen können.

Ich weiß, dass die Raketen ihre eigene Sauerstoffversorgung mit sich führen, da es im Weltraum oder in der oberen Region unserer Atmosphäre keinen Sauerstoff gibt. Und dass die oberen Stufen Wasserstoff für eine größere Reichweite verwenden.

Aber angesichts der Tatsache, dass RP-1 im Grunde Kerosin ist. Eine hochraffinierte Form von Kerosin, die in Jets verwendet wird, aber dennoch Kerosin ist. Gibt es noch etwas, das der ersten Stufe der Rakete ihren unglaublichen Schub verleiht, oder liegt es nur am RP-1-Treibstoff?

Sie würden ein Strahltriebwerk, das einen ähnlichen Schub wie eine durchschnittliche Weltraumrakete aussendet, nicht viele Stunden lang nutzen können, und selbst wenn Sie könnten, würden die meisten Passagiere nicht bequem auf der Art von Treibstoff sitzen, die dies könnte produziere es.
Ja, aber wie kommt es, dass es so viel Schub auspressen kann, obwohl es nur für kurze Zeit ist? liegt es am benzin oder an was anderem?
Nun, es ist ein bisschen von allem – ich glaube nicht, dass es darauf eine einzige Antwort gibt. Ich meine, abgesehen davon, dass beide auf den Ausstoß von Gasen angewiesen sind, um Schub zu erzeugen, hat Ihr durchschnittliches Raketentriebwerk nicht wirklich etwas mit einem durchschnittlichen kommerziellen Düsentriebwerk gemeinsam. Andere Arbeitsprinzipien, andere Anwendungsfälle, anderes Design usw. Sie können sich auch fragen, warum eine 747 meiner Meinung nach nicht ins All fliegen kann
Hilft es, dass der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel LOx anstelle von Luft verbrennt, wo nur 21 % Sauerstoff sind?
@F.Sherrif, das hilft nur unter dem Gesichtspunkt, dass die Rakete in Umgebungen ohne ausreichenden Sauerstoff arbeiten kann und dass das Verhältnis von Brennstoff zu Oxidationsmittel für die gesamte Verbrennung optimiert werden kann. Ihre Frage könnte verbessert werden, indem Sie angeben, was Sie über Raketentriebwerke wissen, damit der Umfang des Schreibens eines ganzen Artikels über die Funktionsweise von Raketen eingeschränkt werden kann.
"Während sie das Shuttle in Richtung Umlaufbahn schieben, verbrauchen die Triebwerke flüssigen Treibstoff mit einer Geschwindigkeit, die ein durchschnittliches Familienschwimmbad in weniger als 25 Sekunden entleeren würde, was über 37 Millionen PS erzeugt." ( Quelle ). Diese Masse wird ausgestoßen, um Schub zu liefern (zusätzlich zum Booster-Schub). Beachten Sie, dass der spezifische Impuls von SSME sehr viel niedriger ist als bei einem Turbofan, was bedeutet, dass sie weniger effizient sind.
Vergleichen Sie die Größe des Treibstofftanks (LH2) des Buran-Shuttles ( Quelle ) mit einem Flugzeug und stellen Sie sich vor, dies wäre nur für einen 10-Minuten-Flug. Die Treibstoffrate erklärt, warum der Schub so hoch ist, während die Triebwerke weniger effizient sind. Um diese Rate bereitzustellen, werden sehr effiziente Turbopumpen verwendet.
Es ist umgekehrt: Raketen-Erststufen werden benötigt, um sehr große Treibstoffladungen vertikal auf viel höhere Geschwindigkeiten als Flugzeuge zu beschleunigen. Daher müssen sie sehr viel Strom erzeugen und entsprechend gebaut sein.
Raketentreibstoff steht unter sehr hohem Druck, wodurch er viel schneller verbraucht werden kann - Düsentriebwerke verwenden Propeller, um Druck aus dem Einlass zu erzeugen, aber es gibt eine Grenze dafür, wie viel tatsächlich aufgrund seiner rotierenden Natur produziert werden kann Raketen haben diese Einschränkung nicht. Wie F.Sherrif bereits erwähnte, verbrennen sie viel reinere Brennstoffe.

Antworten (7)

Betrachten Sie zum einen nicht nur den Motor, sondern das gesamte Antriebssystem. Dazu gehören Tanks, Rohrleitungen, Steuerungen, Pumpen und der eigentliche Motor. Jetzt sieht die Rakete viel weniger günstig aus, besonders wenn Sie die Tanks für gleiche Laufzeiten dimensionieren.

Die Rakete benötigt keine der Teile, die vor der Brennkammer eines Strahls liegen, und benötigt auch keine Turbine. Da es nur für vollen Schub ausgelegt ist, benötigt es keine einstellbare Düse. Bitte sehen Sie sich unten die Motorinstallation eines typischen Verkehrsflugzeugs an (ich habe es versucht, konnte aber keinen passenden Querschnitt eines Turbojets plus Einlass finden):

Schnittzeichnung von Strahltriebwerk und Gondel

Strahltriebwerk und Gondel-Schnittzeichnung ( Bildquelle ). Wie @Talisker in den Kommentaren richtig festgestellt hat, müssen die Bezeichnungen "Hochgeschwindigkeitsstrahl" und "Langsamstrahl" vertauscht werden, um korrekt zu sein.

Nur der mit "Brenner" bezeichnete Teil und der Abschnitt hinter der Turbine sind tatsächlich mit einem Raketentriebwerk vergleichbar - alles andere wird benötigt, um Luft zu konditionieren und zu komprimieren oder die Turbomaschinerie vorn anzutreiben. Eine Rakete genießt den Luxus, Treibstoff und Oxidationsmittel im genau richtigen Verhältnis, Zustand und unter hohem Druck zuzuführen, und da das Oxidationsmittel hauptsächlich reiner flüssiger Sauerstoff ist, können die Turbopumpen zu seiner Komprimierung viel kleiner sein als die Turbomaschinerie eines Jets das mit einem Gasgemisch aus 80 % Stickstoff und 20 % Sauerstoff arbeitet.

Danke mein Herr. Aber wenn Sie sagen, dass Kraftstoff und Oxidationsmittel genau im richtigen Verhältnis gemischt werden. Meinen Sie damit, dass mehr Sauerstoff hinzugefügt werden kann, um mehr Schub zu gewinnen, anstatt dass ein Turbojet mit dem Sauerstoff in der Druckluft auskommen müsste?
@RoryAlsop, Turbojet wird tatsächlich ein viel besseres Verhältnis von Sauerstoff zu Kraftstoff haben. Die meisten laufen mit viel überschüssigem Sauerstoff, um eine gute Verbrennung zu erreichen. Aber da man aus einer gegebenen Kraftstoffmenge sowieso nicht mehr Leistung herausholen kann, indem man mehr Sauerstoff (über das stöchiometrische Verhältnis) hinzufügt, spielt es keine Rolle!
@F.Sherrif Rockets verwenden gerade genug Sauerstoff, um die Mischung auf eine Temperatur zu erhitzen, bevor zu viel Energie durch Ionisierung verbraucht wird, was zu einer geringeren Dichte der Strömung und damit zu einem höheren spezifischen Impuls führt. Jets hätten am liebsten weniger Sauerstoff, brauchen aber den Massenstrom für den Schub. Sie beschleunigen den Abgasstrom um viel weniger als eine Rakete.
@F.Sherrif, Sie können nicht mehr Schub aus der gleichen Menge Kraftstoff gewinnen, indem Sie mehr Sauerstoff hinzufügen. Da jedoch eine Flüssigsauerstoffpumpe viel mehr Sauerstoff liefern kann als ein Luftkompressor vergleichbarer Größe, kann ein Raketentriebwerk so gebaut werden, dass es viel mehr Treibstoff pro Zeiteinheit verbrennt.
@JanHudec Das ist der entscheidende Punkt, den ich verpasst habe: Den Pumpen in Raketenmotoren werden Flüssigkeiten zugeführt, keine Gase. Dadurch können sie viel kleiner sein.
Vielen Dank Peter Kampf und Jan Hudec für Ihre Antworten :) Ich verstehe jetzt.
@PeterKämpf Nur aus Neugier, sagen wir, ein 3-4-stündiger Flug musste sein gesamtes oxidierendes O2 in einem kryogenen Tank mitnehmen, wie groß müsste er sein?
@curious_cat: Nur der Sauerstoff, der zum Verbrennen von Kraftstoff benötigt wird? Um 1 kg Kerosin zu verbrennen, benötigt man 15,6 kg Luft oder 3,59 kg O 2 . Seine Dichte als Flüssigkeit beträgt 1,14 g / cm³, sodass er das 2,65-fache des Kraftstoffvolumens verbraucht. Voraussetzung ist allerdings ein Kryotank mit ausreichender Isolierung. Für den Betrieb normaler Strahltriebwerke würden Sie immer noch viel Prozessgas benötigen. Das mitzunehmen ist unmöglich.
@curious_cat - Ich denke, das wäre eine ausgezeichnete Folgefrage. Wir hatten die Frage, warum Flugzeuge kein eigenes Oxidationsmittel mitführen, und die Antwort ist immer , dass es zu viel braucht, um praktisch zu sein , aber ich erinnere mich nicht an eine Antwort, die besagt, wie viel es dauern würde , ob praktisch oder nicht.
Ein Nebenpunkt, aber ist es in dem Diagramm, das Sie verwendet haben, richtig, dass der Kernstrom als "Low-Speed-Jet" und der Lüfterstrom als "High-Speed" bezeichnet wird? Ich weiß, dass der größte Teil des Schubs aufgrund des enormen Massenstroms vom Lüfter kommt, aber ich dachte, dass der eigentliche Jet-Auspuff immer noch einen höheren spezifischen Schubbeitrag hatte.
@Talisker: Gut erkannt! Natürlich sind die Etiketten falsch und müssen ausgetauscht werden. Ist mir selbst nicht aufgefallen!

Scheint, als ob jeder die einfache, offensichtliche Antwort verpasst hat: die Geschwindigkeit, mit der der Motor Kraftstoff verbrennt. Um ein konkretes Beispiel zu nennen: Die erste Stufe der Saturn V beförderte 205.400 gal/770.000 l Kerosintreibstoff, den sie in etwas weniger als 3 Minuten verbrannte: https://www.space.com/18422-apollo-saturn-v- mondrakete-nasa-infografik.html

Im Gegensatz dazu trägt eine Boeing 747 etwa ein Viertel so viel (48.445 gal/183.380 l) und verbrennt es über vielleicht 12 Stunden.

Das Raketentriebwerk erzeugt unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der es sich bewegt, den gleichen Schub. Andererseits hängt der Schub des Strahltriebwerks von der Geschwindigkeit ab und nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit aufgrund des Stauwiderstands ab. Es ist weitgehend nutzlos, wenn sich die Motordrehzahl der Abgasgeschwindigkeit annähert. Die genaue Formel für den Wirkungsgrad finden Sie hier :

η p = 2 1 + v e v

Dadurch kann das Raketentriebwerk bei richtig hoher Geschwindigkeit deutlich mehr Schub erzeugen.

Der erste und wichtigste Grund ist, dass mehr Kraftstoff hineingepumpt und verbrannt wird. Warum hat eine Autobatterie mehr gespeicherte Energie als eine AA-Batterie? Weil es größer ausgelegt ist, weil es für die Designanforderungen erforderlich ist. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Die Quecksilber-Redstone-Rakete, die Alan Shepard trug, hatte 78.000 Pfund Schub, während die Boeing 777 bis zu 115.000 Pfund Schub pro Triebwerk haben kann!

Wollen Sie damit sagen, dass ein Turbofan und eine Rakete ähnlicher Proportionen ähnliche Leistungen haben könnten?
Von den Proportionen hast du nichts gesagt. Deine Fragen sind schlecht formuliert. Es ist, als würde man sagen: "Kann ein Schaufel- oder Baggerlader mehr Schmutz bewegen?" Die Antwort lautet, dass dies von der jeweiligen Konstruktion abhängt ... Im Allgemeinen ist der Schub einer Gasturbine nicht durch die Kraftstoffmenge begrenzt, die Sie entleeren können hinein.
Scheint eine genaue Antwort zu sein, mehr Masse wird mit höherer Geschwindigkeit ausgestoßen. Eine der Schwierigkeiten besteht darin, den Motor zu speisen, also die Komplexität der Turbopumpen, die den Druck des flüssigen Kraftstoffs oder Oxidationsmittels von 2 bar auf etwa 500 bar erhöhen müssen. Die zum Pumpen von Treibmitteln benötigte Energie ist enorm. Siehe diese Frage auf SE .

Die Antwort ist einfacher als andere hier erwähnen. Es ist einfach so, dass die Rakete bei viel höheren Temperaturen arbeitet als Gasturbinen. Dies führt zu mehr Schub bei den höheren Temperaturen. Turbinenschaufeln in Turbojets würden bei solch hohen Temperaturen schmelzen. Raketen kühlen die äußere Auskleidung der Raketenbrennkammer. Dazu wird flüssiger, extrem kalter Wasserstoff in Rohren eingesetzt, die die heiße Brennkammer umschließen. Die höhere Temperatur in Raketen gibt mehr Schub.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich verstehe, was du meinst. Die Temperatur könnte eine Rolle spielen (obwohl ich keine Ahnung habe, wie viel), aber ich würde vermuten, dass dies mit der Energieabgabe und dem Druck / der Kraftstoffrate in den Motoren zu tun hat.
Das ist falsch. Nun, es stimmt, dass die Temperaturen in Raketentriebwerken höher sind, aber es ist unbedeutend im Vergleich zu der Menge an Treibstoff, die pro Sekunde verbrannt wird (was in anderen Antworten erwähnt wurde). Die Verbrennungstemperatur wird für eine gegebene Mischung chemisch bestimmt; ein Automotor, der ein (fast) stöchiometrisches Gemisch verbrennt, hat eine vergleichbare Verbrennungstemperatur wie ein Raketenmotor; es ist einfach nicht kontinuierlich. Oder, ein anderes Beispiel, der Nachbrenner: Er hat normalerweise eine um 30-40 % höhere Temperatur als in der Hauptkammer, aber den dreifachen Kraftstofffluss (um den Schub ungefähr zu verdoppeln).
@dalearn Höhere Temperatur bedeutet mehr potenzielle Energie, bedeutet höheren Druck, bedeutet höhere Geschwindigkeit der austretenden Gase.

Ein paar Gründe.

  1. Atmosphärische Luft ist ein relativ mieser Oxidator. Erstens besteht es nur zu 20 % aus Sauerstoff, zweitens ist es ein Gas, also müssen Sie große Mengen davon in die Brennkammer bringen. Drittens variieren der verfügbare Druck und das verfügbare Volumen mit dem Flugregime.
  2. Strahltriebwerke haben hinter der Brennkammer eine Turbine. Dies begrenzt die verwendbaren Kammertemperaturen (vorausgesetzt, Sie können dies umgehen, indem Sie einen Nachbrenner verwenden).

Orbitalstartraketen verwenden flüssigen Sauerstoff, der von separat angetriebenen Turbopumpen zugeführt wird, sodass diese Probleme nicht auftreten.

Der Kompromiss besteht natürlich darin, dass Raketen viel Treibstoff und Oxidationsmittel verbrennen, sodass sie nur für relativ kurze Zeit einen hohen Schub aufrechterhalten können. Um in den Orbit zu gelangen, ist das genau das, was Sie brauchen, um ein Flugzeug zu fliegen, ist ein Motor mit schlechterem Schubgewicht, aber geringerem schubspezifischen Kraftstoffverbrauch die bessere Wahl.

Der von einer Rakete erzeugte Schub kann mathematisch mit der Menge und spezifischen Energie des oder der Treibmittel und der Brenndauer in Beziehung gesetzt werden. Anders als der Schub eines Turbojet-Triebwerks ist er nicht durch die Masse der Luft begrenzt, die in einer bestimmten Zeit komprimiert und mit Kraftstoff vermischt werden kann, oder durch die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre.

Wie erzeugen Raketentriebwerke mehr Schub als Flugzeugtriebwerke?
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