Früher waren die meisten Raketentriebwerke nicht drosselbar. Ich glaube, der erste war tatsächlich der Abstiegsmotor der Apollo-Mondlandefähre.
Aber ich interessiere mich für große, turbopumpengespeiste Motoren mit RP-1/LOX oder LH2/LOX. Warum ist es so schwer, diese drosselbar zu machen? So wie ich es sehe, sollte der Vorbrenner, der die Turbopumpe antreibt, drosselbar sein, indem man einfach den Ansaugstrom mit einigen Ventilen variiert.
(Ich könnte natürlich einen falschen Eindruck bekommen. Vielleicht ist es nicht so schwer, aber sie brauchten das einfach nie für Raketenstufen und wollten daher keine unnötige Komplexität hinzufügen?)
Hinweis: Ich brauche keinen großen Bereich wie 1% bis 100% Schub. Eher 50 % bis 100 % oder sogar 75 % bis 100 % wären wahrscheinlich in Ordnung.
Damit ein großes Bipropellant-Raketentriebwerk sicher und stabil zünden kann, müssen Brennstoff und Oxidationsmittel sehr gründlich bei hoher Durchflussrate und hohem Druck gemischt werden, bevor sie zünden. Andernfalls kommt es zu Sputtern und Popping, was bei dieser Größenordnung sehr schlimm ist.
Außerdem ist bei vielen Triebwerken ein "Film" aus unverbranntem Treibmittel, das entlang der Wände der Düse fließt, für die Kühlung kritisch. Der Film muss gleichmäßig sein, sonst brennt er durch. Beim Ausstoßen in die Atmosphäre bei niedrigen Leistungspegeln neigt der Abgasstrom dazu, eine Seite der Düse zu trennen und an der anderen zu haften, was einen außermittigen Schub und eine unerwünschte punktuelle Erwärmung verursacht, anstatt sich frei in der Mitte zu bewegen. Um diese Strömungstrennung zu vermeiden, benötigen Sie entweder eine sehr kurze Düse (die den spezifischen Impuls reduziert) oder eine Aerospike- , Expansions-Deflection- oder andere kompensierende Düse; diese erhöhen im Allgemeinen das Gewicht und wurden nicht gründlich erforscht und entwickelt.
Daher ist das Design des Kraftstoffeinspritzsystems kritisch und es reagiert sehr empfindlich auf Durchflussraten. Die gängigen Injektordesigns für große Flüssigkeitsmotoren werden als "Duschkopf" -Injektoren bezeichnet, und wie bei herkömmlichen Duschköpfen erhalten Sie, wenn die Treibmittelventile teilweise geschlossen sind, ein ungleichmäßiges Tröpfeln anstelle eines feinen, vorhersehbaren Sprühnebels.
So wurden insbesondere frühe Motoren auf Stabilität in einem engen Bereich um Vollgas herum ausgelegt.
Zapfeninjektoren, wie sie im SpaceX Merlin verwendet werden, sind anscheinend weniger empfindlich als Duschkopfinjektoren, und der Stand der Technik in der Strömungssimulation ist heute viel besser als in den 60er Jahren, sodass der Merlin drosselbarer ist als manche und kann drosseln über ein breites Spektrum. Die Oktober 2015-Überarbeitung des Falcon 9-Benutzerhandbuchs behauptet eine Drosselung von 70 % bis 100 % für die Merlins der ersten Stufe, aber 39 % bis 100 % für die Merlin Vacuum der zweiten Stufe; Dies deutet darauf hin, dass Probleme mit der Düsenströmung (außerhalb der Atmosphäre stark reduziert) eher der begrenzende Faktor als die Stabilität der Kammer sind.
Die Usenet-Beiträge von Henry Spencer enthalten wie immer einige gute Informationen:
Diese deuten darauf hin, dass eine Drosselung von 70 % bis 100 % relativ einfach zu erreichen ist, wobei die Herausforderung darin besteht, deutlich darunter zu bleiben.
Diese NASA-Studie über tiefe Drosselung (2010?) ist jedoch optimistischer und legt nahe, dass 4:1-Bereiche (dh 25%-100%) mit kleinen Modifikationen an Triebwerken mit festem Schub einfach zu erreichen sind. Er erwähnt insbesondere:
Eine Reihe moderner Trägerraketen verwenden Motoren mit erheblicher Drosselfähigkeit, die verwendet werden, um die aerodynamische Belastung um den maximalen Q und / oder die übermäßige g-Kraft am Ende des Laufs der ersten Stufe zu reduzieren, wenn die Kraftstofftanks fast leer sind:
Organischer Marmor
McCoy Pauley