Was ist die Effizienzverbesserung beim Rutherford-Raketentriebwerk?

Diese Behauptung der "Effizienz" ist sachlich korrekt, aber als Maß für die Leistung einer Rakete nahezu bedeutungslos. Es ist ähnlich wie darauf hinzuweisen, dass ein Auto hocheffiziente LED-Scheinwerfer hat. Das ist großartig, aber es bedeutet nicht unbedingt, dass das Auto eine bessere Leistung oder Wirtschaftlichkeit hat.

In einem Gasgeneratorzyklus werden eine kleine Menge Brennstoff und Oxidationsmittel verbrannt, um heißes Hochdruckgas zu erzeugen, das dann durch eine Turbine geleitet wird. Die Turbine wandelt die Energie im Gas in Arbeit um, die sie zum Betreiben einer Kraftstoff- oder Oxidationsmittelpumpe verwendet. Turbinen haben praktische und theoretische Grenzen ihrer Effizienz; Das Turbinenabgas ist kühler und hat einen niedrigeren Druck als das eintretende Gas, trägt aber immer noch etwa die Hälfte der Energie des eintretenden Gases. Daher 50% Effizienz (ungefähr, typischerweise). Ein Elektromotor unterliegt nicht denselben thermodynamischen Gesetzen wie die Turbine. Moderne bürstenlose Gleichstrommotoren können 95 % der eingehenden elektrischen Leistung in mechanische Leistung umwandeln und verlieren nur 5 % an Abwärme.

Aber die Gesamtfahrmetrik für Startraketen ist nicht die Effizienz der Kraftstoffpumpe, sondern die Dollar/kg-Kosten der Nutzlast. Dazu gehören die Effizienz der Rakete, die Baukosten sowie die Test- und Betriebskosten.

Turbopumpen, die von einem Gasgeneratorkreislauf angetrieben werden, sind vor allem wegen ihres erstaunlichen Leistungsgewichts in Raketen allgegenwärtig. Der Gasgenerator selbst (Brenner) ist im Grunde eine Baugruppe aus hochtechnisiertem Blech. Es ist Licht. Die Turbinen selbst sind so konstruiert, dass sie bei sehr hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten arbeiten und für ihr Gewicht eine unvorstellbare Menge an Energie gewinnen. Beispielsweise hatte die SSME-Hochdruck-Oxidator-Turbopumpe eine Leistung von 23.260 PS und maß nur 600 x 900 mm (24 x 35 Zoll). Das ist für die Turbine UND die Pumpe. Der Treibstoff, den sie verbrennen, hat Gewicht, aber er ist bereits an Bord und verbraucht sich, wenn die Rakete steigt.

Elektromotoren haben ein großes Leistungsgewicht, aber nicht so gut wie Gasturbinen. Die Batterie ist ein zusätzliches System, das am Ende der Raketenzündung genauso wiegt wie am Anfang. Eine detaillierte Analyse würde wahrscheinlich zeigen, dass ein Gasgeneratorzyklus Ihrer Rakete viele Pfund einsparen würde, und diese eingesparten Pfund würden direkt in die Nutzlastkapazität fließen und die $ / kg erheblich senken. Die in Raketenturbopumpen verwendeten Turbinen gehören jedoch zu den am weitesten entwickelten, ausgiebig getesteten, längsten Entwicklungszeiten und insgesamt teuersten Teilen der gesamten Rakete. Deren Ersatz durch hocheffiziente Elektromotoren und Batterien bedeutet eine erhebliche Kosten- und Zeitersparnis sowohl in der Entwicklung als auch in der Endproduktion.

Was Rutherford getan hat, ist die technische Entscheidung, dass sie angesichts der Besonderheiten ihrer Rakete - ihrer Größe, des erwarteten Volumens, ihres Entwicklungsbudgets und ihres Zeitplans - besser dran sind, "billige, aber schwere" Elektromotoren und Batterien zu verwenden als eine "leichte, aber teure". Gasgenerator und Turbine. Der Anstieg in Dollar/kg aufgrund des Verlusts der Nutzlast durch das schwerere elektrische Pumpensystem wird durch die (vermutlich) schnellere Markteinführung und niedrigere Entwicklungs- und Produktionskosten mehr als ausgeglichen. Der Hinweis darauf, dass ein Elektromotor effizienter als eine Gasturbine ist, ist eine gute Marketingidee, aber vom Standpunkt der Raketenleistung aus bedeutungslos.