Wie viel Effizienz geht bei einer festen De Laval-Düse verloren, wenn sie für den atmosphärischen Einsatz modifiziert wird?

Feststehende Düsen, die für Vakuum ausgelegt sind, sind größer/breiter als solche, die für atmosphärische oder kombinierte Luft-/Weltraumanwendungen ausgelegt sind, die aufgrund des Widerstands, den ein größerer Flansch in der Atmosphäre verursachen würde, weniger Flanschdüsen haben.

Wie viel Effizienz wird durch die Reduzierung des Flansches der Düse für den Einsatz beim Bodenstart im Vergleich zu einer Düse gewährt, die für den Einsatz im reinen (Fast-)Vakuum ausgelegt ist?

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Umformulierung der Frage:

Wie viel weniger effizient ist eine feststehende Düse, die für eine optimale Starteffizienz auf Meereshöhe ausgelegt ist, wenn sie im Vakuum verwendet wird, im Vergleich zu einer feststehenden Düse, die für eine optimale Effizienz im Vakuum ausgelegt ist?

Ich denke, dies ist ein Duplikat dieser Frage: space.stackexchange.com/questions/14820/…
@OrganicMarble Das scheint umgekehrt zu sein, eher überdehnt als die Unterdehnung, die eine atmosphärenoptimierte Düse im Weltraum haben wird.
Gleiche Gleichung, nein?
Die Optimierung der Düsengröße ist nicht widerstandsbezogen.
Die in der als Duplikat verknüpften Frage erwähnte Angelegenheit ist „ungenutztes Potenzial im Gas vor dem Austritt aus der Düse“, wenn sie unterexpandiert sind. Obwohl die Gleichung dieselbe ist, scheint dies ein physikalisches Phänomen zu sein, das sich von überdehnten Düsen unterscheidet. Ich hätte also gerne mehr Input von Leuten mit mehr Wissen, aber ich neige dazu, dies offen zu lassen.
@organic Ich glaube nicht, dass es ein Betrüger ist: Ich habe die Frage bearbeitet, um sie hoffentlich zu vereinfachen und einzugrenzen.
@kim Ich habe eine alternative, eingeschränkte Version der Frage hinzugefügt, von der ich glaube, dass sie dasselbe stellt

Antworten (2)

Wir können die Gleichung verwenden

F = q v e + ( P e − P a ) EIN e

Woher P e ist der Austrittsebenendruck, P a Umgebungsdruck ist, und EIN e ist die Fläche der Austrittsebene. q v e ohne den Korrekturterm ergibt den Schub, wenn der Druck der Austrittsebene dem Umgebungsdruck entspricht. Hier q Massenstrom ist und v e Austrittsgeschwindigkeit ist.

Für eine auf Meereshöhe optimierte Düse P e = P a daher gibt es beim Abheben keinen Schubverlust durch den Druckeffekt der Austrittsebene.

Sobald das Fahrzeug Vakuum erreicht, wäre der Ausdruck in Klammern gleich P e . Anhand der Gleichung können Sie sehen, dass dies einen zusätzlichen Schub ergibt, der dem Produkt von entspricht P e EIN e . Dieses Abgas würde jedoch stark unterexpandiert und würde aufgrund eines Musters von Expansionswellen am Düsenausgang Verluste erfahren.

Ein Bild von hier

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Eine Unterexpansion ist unvermeidlich, da eine unendlich lange De Laval-Düse erforderlich wäre, um den Druck in der Austrittsebene auf Null zu bringen. (Dies bedeutet, dass Ihre "feststehende Düse, die für eine optimale Effizienz im Vakuum ausgelegt ist" immer ein Kompromiss ist - sie wird aufgrund von Gewicht, Verpackungsaspekten usw. abgeschnitten.) Eine Unterexpansion ist auch wünschenswerter als eine Überexpansion, die zu einer Strömungsablösung führen kann und schwerwiegend Stoßverluste, daher die Verwendung von Doppelglockendüsen und anderen Schemata, um zu versuchen, die Austrittsebene und den Umgebungsdruck besser anzupassen. Wenn diese ausgefallenen Schemata nicht praktikabel sind, wird ein gewisser Kompromissentwurf des Austrittsebenendrucks verwendet.

Die verlinkte Präsentation erklärt all dies hervorragend mit Beispielen aus der Praxis und Minderungsstrategien.

Sollte es nicht sein P e im dritten Absatz nicht P a ?
Pe = Pa (wenn Pa = Bodenniveau P), aber Ihr Vorschlag ist klarer, Bearbeitung.

Dies könnte ein Duplikat sein, wie Organic Marble andeutet. Aber ich denke, es gibt ein Missverständnis über die Laval-Düse. Der Zweck der Düse besteht darin, ein Druckgleichgewicht zwischen den Abgasen und dem Umgebungsdruck herzustellen.

Wenn sie nicht im Gleichgewicht sind, geht der Schub verloren.

Stellen Sie sich den Umgebungsdruck als Ring vor, der direkt mit der Düse verbunden ist. Wenn der Ring kleiner als Ihre Düse ist, geht Energie verloren, um sich um den Ring zu bewegen, wenn er größer ist, geht Energie verloren, um den Spalt zwischen Düse und Ring zu füllen.

Da für Umgebungen mit niedrigerem Druck größere Düsen benötigt werden, würde der höhere Widerstand einer Düse, die größer als der Raketenkörper ist, niemals auftreten, wenn sie für die Effizienz von Abgasen konstruiert wäre.

Wie viel Effizienz geht bei einer festen De Laval-Düse verloren, wenn sie für den atmosphärischen Einsatz modifiziert wird?
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