Stöchiometrie des Merlin-Motors

Kraftstoffreicher Betrieb ist bei Kohlenwasserstoffmotoren üblich und verbessert den spezifischen Impuls, obwohl es einige Verwirrung über den Mechanismus gibt, durch den dies auftritt.

Laut den Raketenantriebselementen von Sutton & Biblarz :

Raketenantriebe arbeiten in der Regel nicht mit dem Anteil ihres Oxidators und Treibstoffs im stöchiometrischen Mischungsverhältnis. Stattdessen arbeiten sie normalerweise kraftstoffreich, da dies ermöglicht, dass leichte Moleküle wie Wasserstoff nicht umgesetzt werden; dadurch verringert sich die mittlere Molmasse der Reaktionsprodukte, was wiederum den spezifischen Impuls erhöht.

Henry Spencer hingegen sagt:

Bei einer chemischen Rakete, bei der die Reaktionsmasse und die Energiequelle ein und dieselbe sind, verringert der Versuch, das Molekulargewicht durch Zugabe eines Überschusses eines Treibmittels zu verringern, auch die Flammentemperatur, und wenn Sie tatsächlich rechnen , ist dies immer ein Nettoverlust .

Warum laufen sie also kraftstoffreich? Nun, teilweise gibt es einige vereinfachende Annahmen in dieser Mathematik, die nicht ganz richtig sind. Wichtiger ist jedoch, dass die Lehrbücher den falschen Teil der Gleichung betrachten. Sie überspringen den Düsenwirkungsgrad, der nicht unabhängig von der Gaszusammensetzung ist. Insbesondere der Unterausdruck (gamma-1)/gamma, [(k-1)/k in Sutton; das " Verhältnis der spezifischen Wärmen "] , das als Exponent in der Düseneffizienz erscheint, ist eine starke Funktion der Gaszusammensetzung und in erster Näherung umgekehrt proportional zur Anzahl der Atome pro Molekül. Also ein Überschuss an Kraftstoff, was bedeutet, dass ein Teil des Kraftstoffs als CO oder H ₂ und nicht als CO ₂ und H endet₂ O, kann einen großen Unterschied in der Düseneffizienz ausmachen, und das kann die verringerte Energiefreisetzung mehr als ausgleichen.

In komplexen Molekülen kann anscheinend viel Wärmeenergie beim Biegen interatomarer Bindungen gebunden werden (wie in einem anderen Archivthread besprochen) , was nicht zum Impuls des entweichenden Abgases beiträgt, das den Schub bestimmt.

Hier ist Clarks Ignition! (Er benutzt$\frac {R} {C_p}$anstelle von Spencers$\frac {\gamma - 1} {\gamma})$:

Betrachtet man spezifische Abgasprodukte, stellt man fest: N ₂ und festes C sind als Energieerzeuger praktisch unbrauchbar. HCl, H ₂ und CO sind ausreichend. CO ₂ ist gut, während B ₂ O ₃ , HBO ₂ , OBF, BF ₃ , H ₂ O und HF sowie festes B ₂ O ₃ und Al ₂ O ₃ ausgezeichnet sind. Wenn wir den R/Cp-Term betrachten, ist die Reihenfolge ganz anders. Die zweiatomigen Gase mit einem R/Cp über 0,2 sind ausgezeichnet. Dazu gehören HF, H ₂ , CO, HCl und N ₂. (Natürlich hat ein einatomiges Gas ein R/Cp von 0,4, aber eine chemische Reaktion zu finden, die große Mengen an heißem Helium erzeugt, liegt außerhalb des Bereichs der praktischen Politik.) Die dreiatomigen Gase H ₂ O, OBF und CO ₂ , mit einem R/Cp zwischen 0,12 und 0,15 sind angemessen. Das vieratomige HBO ₂ und BF ₃ sind mit etwa 0,1 schlecht, und B ₂ O ₃ – nun ja, vielleicht sollte man darüber schweigen. Was die Feststoffe C, Al ₂ O ₃ und B ₂ O ₃ betrifft, so ist ihr R/Cp genau null, ebenso wie der thermische Wirkungsgrad, wenn sie jemals die einzigen Abgasprodukte wären.

Beachten Sie den Fokus auf die Anzahl der Atome in den Abgasprodukten.

Wasserstoff-Sauerstoff-Motoren tun dasselbe; hier ist nochmal Spencer:

Ja, die SSMEs laufen kraftstoffreich – alle Wasserstoffmotoren werden sehr kraftstoffreich betrieben, da dies die Leistung erheblich verbessert. Es stellt sich heraus, dass es in mehrfacher Hinsicht gut für die Leistung ist, eine ganze Menge nicht umgesetzten Wasserstoff im Abgas zu haben, und Wasserstoff ist so leicht, dass die Massenstrafe dafür gering ist. Idealerweise würden Wasserstoffmotoren mit etwa 4:1 laufen, wobei die Hälfte des Wasserstoffs unverbrannt wäre; Da Wasserstoff so sperrig ist, zwingen Überlegungen zur Tankmasse in der Praxis die Motorenleute normalerweise zu einem Kompromiss von etwa 6:1.

Zusätzlich zum Einbringen einfacherer und leichterer Moleküle in den Auspuff hält der kraftstoffreiche Betrieb auch die Verbrennungstemperatur niedrig, wodurch es praktischer wird, die Kammer und die Düse zu kühlen. Zur Kühlung wird ein brennstoffreicher Betrieb gegenüber einem mit Oxidationsmittel reichen Betrieb bevorzugt, da heißes, mit Oxidationsmittel reiches Abgas dazu neigt, das Metall der Brennkammer und der Düse anzugreifen, was schnell zu einer "motorreichen Verbrennung" führt - einem zerstörerischen Durchbrennen von Teilen des Motor.