Was macht den Merlin Saugmotor so tief drosselbar?

Sie haben Recht, es ist der atmosphärische Druck auf Meereshöhe, der die minimale Leistungseinstellung bei den am Boden gestarteten Merlin-Motoren begrenzt. Bei atmosphärischem Druck kann das Abgas nur bis zu einem Punkt überdehnt werden, bevor das Triebwerk beginnt, negativen Schub oder sehr starke oszillierende Schubbelastungen (von der Abgastrennung von den Düsenwänden) zu erzeugen, die das Triebwerk über die Ermüdungslebensdauer der Düse hinaus belasten können Wand- und Schubrahmen.

Um Ihnen zu helfen zu verstehen, wo sich der Kreuzungspunkt befindet, finden Sie hier einige mathematische Berechnungen zum Verständnis der Gasdynamik in der Düse. Im Wesentlichen ist die Düse ein Beschleuniger, der omnidirektionalen statischen Druck in gerichtete Geschwindigkeit umwandelt. Im Vakuum drückt nichts gegen den Auspuff, so dass diese Ausdehnung theoretisch maximal sein kann, wenn der statische Druck des Auspuffs Null ist. Innerhalb der Atmosphäre drückt jedoch die Außenluft gegen den Abgasstrom. Solange der statische Druck des Abgases höher als der atmosphärische Druck ist, beschleunigt sich die Strömung, sobald die Strömung jedoch über den atmosphärischen Druck hinaus ausgedehnt wird, beginnt der atmosphärische Druck, das Abgas zu verlangsamen. Dies würde nicht so viel ausmachen, wenn die Strömung im Auspuff gleichmäßig hoch wäre. Dies geschieht jedoch nicht aufgrund einer sogenannten Grenzschicht. Eine Grenzschicht ist eine dünne Flüssigkeitsschicht entlang einer Wand, die die Strömung von der vollen Abgasgeschwindigkeit an der Wand auf Null bringt. Hier beginnen die Probleme der Abgaswandablösung, da diese Strömung langsamer wird und sich dann umkehrt, nachdem der statische Druck der Düsenströmung unter den atmosphärischen Druck gefallen ist. Diese Strömungsumkehr beginnt dann damit, den Gasstrom von der Wand abzuheben. Aufgrund der Viskosität erfährt dieser Gasstrom nun Scherkräfte, die Wirbel in der Gasschicht aufwirbeln. Diese Wirbel wirken wie Spülpumpen und helfen dem Gasstrom, sich seinen Weg zurück zur Wand zu bahnen. Da das Gas jedoch Masse hat, geht dieses Krallen zu weit und wechselt jedes Mal zwischen dem Auftreffen auf die Wand und dem Abheben weit von der Wand, wodurch eine Schwingung beginnt. Da das Verhältnis von Fließgeschwindigkeit zu Fließviskosität sehr hoch ist (dies wird als Reynolds-Zahl bezeichnet),

Ein Konstrukteur hat hier zwei Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass diese Oszillation beherrschbar bleibt: 1) Minimieren Sie die Düsenlänge, damit die Oszillation nicht zu groß werden und enorme Seitenlasten erzeugen kann. 2) Forme die Düse richtig, um den Gasstrom leicht von der Wand abzuheben, um ihn zu beschleunigen, indem die durch den Strom erfahrene Reibung verringert wird.

Option 1 ist bis zu einem gewissen Punkt machbar, da die Strömung noch gedreht werden muss, und dies muss etwas allmählich erfolgen, um die Bildung von Stoßwellen innerhalb der Düse zu vermeiden. Die von Rocketdyne in den 60er Jahren entwickelte Glockendüse ist immer noch das beste Design dafür, aber einige Aerospike-Düsendesigns versprechen, die Länge weiter zu reduzieren.

Bei Option 2 wurden viele Fortschritte unter Verwendung instationärer Gasdynamiken erzielt. Es wurde eine Klasse von Formen entdeckt, die die Grenzschicht so strukturieren, dass hinter nach hinten gerichteten Stufen eine Reihe von Flüssigkeitswalzen gebildet werden, die die Strömung von der Wand abheben und beschleunigen und dabei helfen, den Punkt zu verzögern, an dem sich die Strömung umkehrt beginnt.

Wenn Sie jetzt die beschädigten Motoren vermeiden möchten, die Sie während des Tests durchlaufen müssen, ist es am besten, dieses Problem ganz zu vermeiden. Daher ist es am besten, die Motoren mit oder nahe der vollen Leistung (dh voller Kammerdruck) zu betreiben, als sie tief in der Atmosphäre zu drosseln. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum das Merlin-Triebwerk in der Atmosphäre einen kleineren Leistungsbereich hat als draußen, weil SpaceX nicht die Zeit und das Geld für die Ausarbeitung der Düsengeometrie durch statische Triebwerkstests aufwenden wollte.