Als ich über die Sea Dragon-Idee las, stieß ich auf dieses Argument dagegen , das überzeugend klingt, sich aber auf detailliertere Kenntnisse stützt als ich:
Diese sollen druckgespeist werden, um "Komplexität" zu vermeiden. Komplexität? Wie steht es mit der Verbrennungsinstabilität durch außer Kontrolle geratene Druckwellen von der Größe von Häusern? Es dauerte sieben Jahre, um Verbrennungsprobleme davon abzuhalten, den F1 auf Prüfständen zu töten, und wenn es nicht Ende der fünfziger Jahre als Forschungsprojekt gestartet worden wäre, hätte es das gesamte Mondprogramm verzögert.
AFAIK, der Sea Dragon hätte einen unter Druck stehenden Heliumbeutel mit etwa 60 psi, der als Schieber der kryogenen Flüssigkeiten in den Motor fungiert. Es scheint völlig kontraintuitiv zu sein, dass dies mehr mechanische Probleme hätte als ein turbinengetriebenes System.
Warum ist das? Was bewirkt, dass ein erstaunlich einfacher druckbetriebener Motor unter großen Druckinstabilitäten leidet, die sich vom Motor ausbreiten?
In den druckgespeisten Raketentriebwerken wird das Treibmittel (sowohl das Oxidationsmittel als auch der Brennstoff) durch das unter Druck stehende Gas (normalerweise Helium) in die Brennkammer geleitet und enthält keine Komplexität wie eine gespeiste Pumpe oder Turbopumpen
Das Vorhandensein der Turbopumpe verhindert, dass die Druckwelle den Treibstofftank erreicht. Aber in einem druckgespeisten Raketentriebwerk befindet sich nur das Ventil, das sich unter Druck öffnet und schließt
Das Ventil öffnet, wenn der Druck in der Brennkammer geringer ist als der Druck im Treibstofftank (der dickwandig ist, weil er hohen Drücken standhalten muss).
Das Ventil schließt, wenn der Druck in der Brennkammer höher ist als der Druck im Treibstofftank (um zu verhindern, dass die Druckwellen den Treibstofftank erreichen)
Bei einem direkt druckgespeisten Zyklus führt jede Druckänderung zu einer doppelten Änderung in der gesamten Schleife, wodurch die Schwingung verstärkt wird. Es gibt keine Turbine zwischen den Injektoren und den Behältern, die verhindert, dass sich diese Schwingung ausbreitet
Während des Verbrennungsprozesses steigt der Druck in der Brennkammer (die Strömungsgeschwindigkeit nimmt ab), gleichzeitig nimmt die Menge des vom Injektor eingespritzten Treibmittels ab und plötzlich steigt die Strömungsgeschwindigkeit (der Druck in der Brennkammer sinkt), die Injektoren spritzen mehr Treibmittel ein, das nach außen verbrennt die Düse.
Theoretisch wird die Verweilzeit des Kraftstoffs in einer Brennkammer durch die charakteristische Länge (normalerweise mit L * bezeichnet) (Mindestlänge, die der Kraftstoff in der Brennkammer und Düse verbleibt, damit eine vollständige Verbrennung stattfinden kann) angegeben.
q ist der Treibmittelmassenstrom, V ist das durchschnittliche spezifische Volumen und ist die Verweilzeit des Treibmittels A ist der Schallhalsbereich
die Treibmittelmenge ist also eine Funktion der Druckdifferenz zwischen Brennkammer und Treibmitteltank und mit zunehmender Treibmittelmenge infolge Unterdrucks (im Vergleich zum Druck im Kraftstofftank) in der Brennkammer die charakteristische Länge auch Zunahmen (da die Düsenlänge konstant bleibt) führen zu Instabilitäten bei der Kraftstoffverbrennung und die Verbrennung findet außerhalb der Düse statt
Das Problem mit Sea Dragon und der Druckinstabilität besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit einer Druckinstabilität exponentiell zunimmt, wenn die Größe der Brennkammer und der Düsendurchmesser linear ansteigen. Die Glocke von Sea Dragon sollte einen Durchmesser von über 75 Fuß haben und eine Kraft von 350 Meganewton abgeben (etwa 5000 % mehr als ein F-1-Motor). Die F-1 hatten große Probleme mit der Verbrennungsstabilität, die schließlich gelöst wurden.
Truax kümmerte sich nicht um die Verbrennungsstabilität, da der Motor ein Zapfeninjektortyp sein sollte. Er glaubte, dass die natürliche Verbrennungsstabilität des Zapfeninjektors es enormen Motoren ermöglichen würde, bei einer Vielzahl von Drücken hochstabil zu sein. (Variabler Druck war ein wichtiger Bestandteil seines Designs, da er ein viel einfacheres und schlampigeres System ermöglichte, bei dem der Druck hoch begann und langsam abnahm, als sich die Tanks entleerten.)
TRW (der die Raketen für den Apollo-Lander baute) bestätigte später seine Überzeugung . In diesem Papier weisen sie darauf hin, dass Zapfeninjektoren eine stabile Verbrennung mit Motoren gezeigt haben, die im Maßstab um 50.000:1 variieren. Also hatte Truax wahrscheinlich recht.
Interessanterweise hatten die Sowjets das gleiche Problem mit der Verbrennungsstabilität wie wir. Aus diesem Grund verwendeten frühe sowjetische Motoren vier kleinere Brennkammern anstelle einer großen. Die Unfähigkeit der Sowjets, große Motoren zu entwickeln, führte dazu, dass die N1 (ihre Mondrakete) so viele Motoren hatte (33 in der ersten Stufe, glaube ich). Was dann zu enormen Sanitärproblemen führte, die zum Ausfall der N1 führten, was zum Scheitern des sowjetischen Mondprogramms führte.
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