Ich weiß, dass es einen Unterschied zwischen den Falcon 9-Triebwerken der 1. Stufe von SpaceX und dem Triebwerk der 2. Stufe gibt, da diese Stufe speziell auf Vakuum abgestimmt ist. Wikipedia sagt auch, dass die Merlin Vacuum Engine größer ist als die Standard-Merlin 1D. Das hat mich zum Nachdenken gebracht ... gibt es noch mehr Unterschiede?
Was sind die Unterschiede zwischen den Merlin-Motoren der ersten Stufe und dem Merlin-Vakuummotor der zweiten Stufe? (Ich interessiere mich besonders für Größenvergleich, Effizienz, Schub usw.)
Der größte Unterschied ist die Düse . Für eine optimale Leistung im Vakuum benötigen Sie einen viel größeren.
Laut Spaceflight 101 ist der Kammerdruck derselbe, aber das Expansionsverhältnis (Halsfläche zu Endfläche der Düse) ist bei der Vakuumvariante 7-mal größer, was (wenn richtig) etwa das 2,7-fache des Düsendurchmessers bedeutet, wenn die Rachen ist unverändert.
Die Wikipedia-Beschreibung des 1C-Vakuums besagt, dass die Expansionsdüsenlänge 2,7 Meter beträgt, während die Gesamtlänge der ersten Stufe 1C nur 2,9 Meter lang ist – ungefähr die Hälfte davon ist die Düse. Die Düsenlänge wird also grundsätzlich verdoppelt. Vermutlich ist die Beziehung zwischen dem 1D- und dem 1D-Vakuum analog.
Dieses Bild soll von links nach rechts sein: Falcon 1 Merlin 1C, Falcon 9 1C (andere Montage) und Falcon 9 2. Stufe 1C-Vakuum - ohne Verlängerungsdüse, also eine kürzere, dickere Düse als die anderen.
Und so sieht die Verlängerungsdüse alleine aus:
Da die zweite Stufe der Falcon 9 einen einzelnen Motor im Körper des gleichen Durchmessers wie die erste Stufe (mit ihrer Gruppe von 9) montiert, gibt es viel Platz für die große Düse.
Dieser Reddit-Thread enthält einige nicht schlüssige Debatten darüber, wie sehr sich die Vakuummotoren tatsächlich unterscheiden. Es gibt sicherlich Unterschiede in der Montage und Anordnung (am offensichtlichsten ist die Abgasdüse des Gasgenerators weiter nach außen geneigt, um ein Auftreffen auf die Düsenverlängerung zu vermeiden), aber die Turbopumpen usw. sind anscheinend gleich.
Gemäß der Überarbeitung des Falcon 9-Benutzerhandbuchs vom Oktober 2015 hat das 1D-Vakuum eine viel stärkere Drosselfähigkeit als das Triebwerk der ersten Stufe, bis zu etwa 40 % des maximalen Schubs (360 kN-934 kN). Es ist unklar, was der Grund für den Drosselungsunterschied ist; Es könnte sein, dass der Motor bei niedrigen Schubeinstellungen für eine Ablösung des Abgasstroms in einen hohen Umgebungsluftdruck anfällig ist.
Es gibt mehrere Gründe für eine starke Drosselung im Vakuummotor, aber nicht im Motor der ersten Stufe.
(1) Die erste Stufe kann keine große Expansionsglocke verwenden und könnte dies auch dann nicht, wenn die Mechanik dies zulässt, da sich der Abgasstrom von der Glocke trennen würde. Dies würde zu Strömungsinstabilität / Rückfluss / ... führen, was wahrscheinlich die Glocke zerstören oder beschädigen oder Schlimmeres verursachen würde. Der Austrittsdruck jeder Raketenglocke sollte für maximale Effizienz mit dem atmosphärischen Umgebungsdruck übereinstimmen. (Dies bedeutet, dass jede herkömmliche Raketendüse mit dem besten Wirkungsgrad auf Meereshöhe in allen höheren Höhen weniger effizient ist.)
(2) Die erste Stufe muss nur gegen Ende ihrer Verbrennung leicht gedrosselt werden, um die Nutzlastbeschleunigung auf fünf oder sechs g zu begrenzen (ich vergesse ... 6, glaube ich). Auch ohne Drosselung könnte dies durch Abschalten der Motoren erreicht werden.
(3) Die zweite Stufe muss viel stärker und früher gedrosselt werden (prozentual; die Verbrennung ist erheblich länger), um die g-Kräfte der Nutzlast zu begrenzen. Bei geringerer Nutzlast muss er noch stärker und früher drosseln. Da der Motor im leeren Raum zündet, gibt es keine Begrenzung für die Größe der Düse oder Bedenken hinsichtlich der Strömungsablösung.
Das Hauptziel jedes Raketentriebwerks besteht darin, der Rakete den höchsten Impuls zu geben. mv (Rakete) = mv (Kraftstoff), also möchten Sie für eine bestimmte Kraftstoffmasse die maximal mögliche Geschwindigkeit. Die größere Düsendivergenzglocke nutzt das Vakuum besser aus, um die höchstmögliche Geschwindigkeit zu erreichen.
Than Brimhall
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