Wie kann das Abfeuern eines Space Shuttle OMS-Triebwerks unter 21 km dazu führen, dass seine Düse "kollabiert"?

Diese Antwort auf Kann das Space Shuttle OMS-Triebwerke während der Landung verwenden? sagt:

NEIN

und zitiert Abschnitt 3.7 des Orbital Maneuvering System Workbook; OMS 21002 10. Oktober 2006, Endfassung, USA006500 Rev. A:

3.7 EINSCHRÄNKUNGEN UND EINSCHRÄNKUNGEN

Das Folgende ist eine Liste der Beschränkungen und Beschränkungen für das OMS, die für den Besatzungsbetrieb relevant sind.

Die Mindesthöhe für einen OMS-Triebwerksbrand beträgt 70.000 Fuß. Unterhalb dieser Höhe könnte der Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren der OMS-Triebwerksdüse zum Kollabieren führen.

Wenn ein Vakuummotor mit einem erheblichen Umgebungsdruck betrieben wird, wird der Auspuff zu wenig expandiert und kann sich von den Innenwänden der Düse lösen . Ich hatte immer angenommen, dass dies auf den Umgebungsdruck zurückzuführen ist, der sich von außen einschleicht.

Ist das Phänomen, das in diesem Fall zum Kollabieren der Düse führen könnte, auf einen „Trennfehler“ zurückzuführen ? Obwohl es schwer vorstellbar ist, ist der Druck des OMS-Raketenabgases niedriger als der Umgebungsdruck, deutlich niedriger als 21 Kilometer?

Vergessen Sie Bernoulli nicht - en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli%27s_principle
Es hört sich so an, als würden Sie im Grunde um Klärung einer Antwort auf eine vorherige Frage bitten. Das ist eines der Dinge, für die Kommentare gedacht sind . Gibt es einen Grund, warum Sie das Gefühl hatten, dass dies stattdessen eine separate Frage sein sollte?
@asdfex Es ist nicht so, wie das Bernoulli-Prinzip funktioniert, es beschreibt Druckänderungen entlang der Stromlinie (für dasselbe "Flüssigkeitspaket"), Sie können es nicht verwenden, um etwas über den Druckunterschied zweier nicht verwandter Flüssigkeitselemente zu sagen (es wird bereits beim Versuch fehlschlagen um "Geschwindigkeit" anzugeben, da sie relativ und nicht absolut ist). Natürlich wird es einen Druckabfall geben, wenn Gas die Brennkammer verlässt, aber relativ zum Druck in der Kammer (Ursprung der Stromlinie), nicht relativ zur umgebenden Atmosphäre. (Eine andere Sache sind Annahmen über nicht komprimierbar, Energieerhaltung usw ...)
@IlmariKaronen: Ich bin anderer Meinung. Obwohl uhoh auf eine Antwort verweist, ist dies eine völlig neue und interessante Frage. Die Antwort darauf kann (und ist es hoffentlich) so komplex sein, dass sie nicht in einen anderen Kommentar passt.
Das Beantworten eines Kommentars in einem Kommentar ist selten angemessen @DarkDust - durch Kommentieren der Antwort weist man darauf hin, dass es für einen naiven Leser möglicherweise nicht intuitiv ist, dass dies der Fall wäre, und gibt dem Autor der Antwort die Möglichkeit, seine Antwort zu erweitern wenn sie es für angebracht halten. Der Autor kann dann den Kommentar ignorieren, die wahrscheinlich am besten beantwortete Frage in einer separaten Frage zurückkommentieren oder die Antwort integrieren. Indem er eine Frage stellt und dann in einem Kommentar auf die neue Frage verlinkt, fühlt sich der Autor der Antwort möglicherweise verpflichtet, eine weitere vollständige Antwort zu schreiben

Antworten (1)

Ein Triebwerk ist überdehnt, wenn der Düsenabgasdruck kleiner als der Umgebungsdruck ist, Umgebung, wenn der Düsenabgasdruck gleich dem Umgebungsdruck ist, oder unterexpandiert, wenn der Düsenabgasdruck größer als der Umgebungsdruck ist. Da der Umgebungsdruck im Vakuum im Wesentlichen Null ist, ist jedes im Vakuum arbeitende Triebwerk per Definition eine unterexpandierte Düse.

Ein Triebwerk, das für den Betrieb im Vakuum ausgelegt ist, hat einen extrem niedrigen Düsenausgangsdruck, wenn das Triebwerk in Betrieb ist. Das Betreiben eines Triebwerks, das für die Verwendung im Vakuum ausgelegt ist, wenn der Umgebungsdruck größer als der Auslassdruck ist, führt dazu, dass die unterdruckte Düse des Vakuumniveaus zu einer überdehnten Düse wird. Wenn der Umgebungsdruck viel größer als der Austrittsdruck ist, besteht die Gefahr, dass die Düse zu einer stark überdehnten Düse wird.

Mit stark überdehnten Düsen sind viele ernsthafte Probleme verbunden. Der Auspuff kann sich von der Düse lösen, was zu Stoßschäden an der Düse führen kann. Schlimmer noch, der Druckunterschied zwischen dem Äußeren der Düse (Umgebungsdruck) und dem Inneren der Düse kann dazu führen, dass die Düse in sich zusammenfällt. Erinnern Sie sich an Ihre Kindheitserziehung, als Sie Wasser in eine Blechkanne gefüllt, zum Sieden erhitzt und die Dose dann verkehrt herum in einen Behälter mit kaltem Wasser gesteckt haben. Raketendüsen können einer Unterdehnung standhalten. Gefährlich ist die Überdehnung, insbesondere die grobe Überdehnung.

Eine 1-Gallonen-Quadrat-"Gasdose" mit ein wenig kochendem Wasser im Boden wurde in meiner Küche dramatisch zerquetscht, als ich 5 Jahre alt war, indem ich einen Deckel herunterkurbelte und dann die Hitze entfernte. Ich werde es nie vergessen, es "knickte". ( 1 2 ) Bei 21 km beträgt der Druck 0,06 bar, daher kann diese Höhengrenze einen Sicherheitsfaktor enthalten, dh es ist nicht garantiert, dass es bei 21 km einknickt, aber dann sollten Sie es besser abschalten, da Sie an diesem Punkt möglicherweise ziemlich schnell absteigen .
Es ist für mich immer noch kontraintuitiv, dass Niederdruckabgase sich in Umgebungen mit höherem Druck drücken können. Ich meine nicht, dass ich es nicht glaube; Es ist nur eines dieser Dinge, mit denen ich mich nicht ganz zufrieden fühle. Ist der Schub geteilt durch die Düsenfläche hier wirklich der Druck, oder ist der "seitliche Druck" auf die Düse aufgrund einer Bernoulli-Sache, die in den Kommentaren unter der Frage erwähnt wird, unterschiedlich?
@uhoh so ziemlich alle Booster-Triebwerke sind beim Abheben überdehnt; dh "Niederdruckabgas, das sich in höheren Druck drückt." Linkes Triebwerk in der Grafik aerospaceweb.org/design/aerospike/figures/fig11a.jpg
@OrganicMarble Um Ihren Gedankengang fortzusetzen, kann sich ein Niederdruckabgas in eine Atmosphäre mit höherem Druck drängen, weil das Abgas die Düse mit einer Geschwindigkeit verlässt, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist. Der Auspuff weiß nicht recht, dass die Luft da ist.
@uhoh Sie können leicht erkennen, wann ein ursprünglich beim Start überdehnter Motor die Höhe erreicht, in der der Abgasstrom unterdehnt wird. Da blüht plötzlich die Abgasfahne auf. Es gibt eine verwandte Frage zu diesem Thema, die Sie gestellt haben, die eine richtige Antwort hat, die Sie noch nicht akzeptiert haben. Welche Faktoren bestimmen die Höhe, in der Raketenabgasfahnen gewaltig zu blühen beginnen?
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