Warum werden auf niedrigeren Stufen keine Expansionszyklusmotoren verwendet?

Mir scheint, Sie haben zwei Fragen: 1) Warum können Motoren mit offenem Expansionszyklus größer sein als Motoren mit geschlossenem Zyklus? und 2) Warum gibt es nicht mehr Meeresspiegelmotoren mit Expansionszyklus? Ihre Frage(n) zeigt, dass Sie sich bereits der Skalierbarkeitsprobleme bewusst sind, die Designer von Expander-Engines verfolgen. Bevor wir uns ansehen können, wo solche Probleme entstehen, lassen Sie uns ein wenig mehr darüber sprechen, wie Expander-Cycle-Motoren funktionieren.

Ein Expansionszyklusmotor ist ein gepumpter Motor, aber anstatt einen Gasgenerator zu verwenden (der im Grunde ein kleiner Raketenmotor ist, aber mit einem O / F-Verhältnis verbrannt wird, das weit vom stöchiometrischen Verhältnis entfernt ist, um die Abgastemperaturen niedrig zu halten), um ihn anzutreiben Turbopumpe, ein Expansionszyklus nutzt die Phasenänderung seines flüssigen Treibmittels, um den Druck bereitzustellen, der zum Betreiben der Turbopumpe erforderlich ist. Dieser Phasenwechsel wird durch regeneratives Kühlen der Brennkammer herbeigeführt , wodurch Expansionsmotoren besonders effizient werden, da sie nutzen, was ansonsten Abwärme wäre, um die zum Betrieb der Turbopumpe erforderliche Arbeit zu verrichten.

Die Erkenntnis hier ist, dass Expander-Cycle-Motoren Abwärme benötigen, um die Arbeit des Drehens der Pumpe zu erledigen . Hier fangen wir an, auf Skalierungsprobleme zu stoßen. Wenn Sie Ihre Brennkammer verdoppeln, benötigen Sie das 8-fache Volumen an Treibstoff, um sie zu füllen, aber Sie haben nur die 4-fache Oberfläche, um Abwärme zu gewinnen. Wenn Sie es vergrößern, werden Sie schließlich auf Probleme mit dem Wärmefluss stoßen, bei denen Sie einfach nicht genug Arbeit aus dem begrenzten Kühlbereich ziehen können, um die zum Betrieb des Motors erforderliche Treibmittelmenge zu pumpen .

Aber Sie können dieses Problem verschieben, wenn Sie Ihre Brennkammer kleiner halten können. Dies hat den reizvollen Vorteil, Ihren Verbrennungsdruck und damit Ihre Leistung zu erhöhen. Der Trick dabei ist, Rückflussproblemen vorzubeugen. Wenn Sie Ihren Turbopumpenauspuff in Ihren Verbrennungsdruck leiten, müssen Sie sicherstellen, dass der Druck des Auspuffs Ihren Kammerdruck übersteigt oder die Dinge anfangen, in die falsche Richtung zu fließen . Dies begrenzt Ihren Kammerdruck, da der Abgasdruck Ihrer Turbopumpe niemals sehr hoch sein wird, da alles von der Vergasung Ihrer Treibmittel herrührt.

Tatsächlich schränkt es sogar ein, wie effizient Ihre Turbopumpen sein können. Wenn Sie eine Pumpe mit einem sehr hohen Druckverhältnis konstruieren (ein Verhältnis der Drücke der Strömung, die die Pumpe antreibt, zu der Strömung, die von der Pumpe angetrieben wird), kann Ihre Pumpe, die Treibmittel in die Kammer fördert, dazu führen, dass Ihr Kammerdruck überschritten wird Ihren Pumpenabgasdruck, noch bevor die Verbrennung beginnt. Und das ist schade, denn effizientere Turbopumpen benötigen weniger Arbeit, um die gleiche Treibmittelmenge anzutreiben.

Alle diese Gegendruckprobleme verschwinden, wenn Sie den Pumpenauslass vollständig von der Kammer trennen. Jetzt haben Sie den offenen Expanderzyklus. Jetzt können Sie eine Kammer mit höherem Druck und eine effizientere Pumpe herstellen und Ihren Schub erhöhen. Der offene Expansionszyklus hat einen weiteren Vorteil, nämlich dass Sie Ihren Tanks Freiraum verschaffen können, indem Sie einfach das Siedewasser durch das Pumpensystem und aus der Düse ablassen. Ein weiterer Bonus ist, dass Sie auch Ihre Pumpen zum Drehen bringen, sodass es unglaublich einfach ist, Ihren Motor wieder zu zünden, und Sie erhalten praktisch unbegrenzte Zündungen. Es gibt einen Grund, warum der RL-10 so erfolgreich ist.

Nun zu Frage zwei...

Hier beginnt meinerseits die Spekulation, einfach weil es Meeresspiegelexpander gibt. Oder sie stehen kurz davor. Zumindest baut JAXA einen und ich bin ziemlich zuversichtlich, dass sie erfolgreich sein werden. Also antworte ich stattdessen "warum gibt es nicht mehr"?

Ich denke, die Antwort ist dreifach. Erstens sind viele der Vorteile eines Motors mit offenem Expansionszyklus auf Meereshöhe nicht erforderlich . Sie brauchen keinen freien Freiraum, Sie brauchen nur eine Zündung, und superhohe TWRs sind nicht so hilfreich. Infolgedessen bauen Menschen seit sehr langer Zeit Gasgenerator-Booster und -Sustainer, und es ist eine erhebliche technologische Lücke entstanden. Warum wenig bekannte Technologie verwenden, wenn Sie sehr gut verstandene Technologie verwenden können? Vielleicht beginnt sich diese Technologielücke mit Mitsubishis Bemühungen zu schließen.

Zweitens waren Expandermotoren in der Vergangenheit UNGLAUBLICH teuer in der Herstellung . Da Sie mehr Leistung erhalten, indem Sie Ihre Brennkammer effizienter kühlen, sind die regenerativ gekühlten Kammern (und Düsen) voller sehr sehr dichter Löcher. Das ist traditionell sehr schwer herzustellen. Dies ist der gleiche Grund, warum die SSME so teuer war (unter anderem), und deshalb wird oft zitiert, dass die RL-10 das teuerste Teil jeder Rakete sind, auf der sie aufsteigen. Dies geht Hand in Hand mit dem ersten Grund. Wenn Sie die Vorteile eines Expander-Zyklus benötigen, mögen die Kosten gerechtfertigt sein, aber sie sind nicht für einen Booster-Motor auf Meereshöhe. Ich glaube, dass die Kosten erheblich sinken werden, wenn die additive Fertigung ausgereift ist und wir möglicherweise mehr Meeresspiegelexpander sehen werden.

Schließlich (und meine wackeligste Antwort) liegt es meiner Meinung nach auch daran, dass Sie auf Meereshöhe keine so große Düse haben können. Wenn Ihr Expansionsverhältnis viel zu hoch ist, werden Sie Ihren Schub zu stark unterexpandieren und bestenfalls Schub verlieren und im schlimmsten Fall Ihre Düse zerstören. Ich habe gesagt, dass Expanderzyklen ihre Turbopumpenarbeit aus der Kühlung der Brennkammer ziehen, aber sie bekommen sie auch aus der Kühlung der Düse. Ganz zu schweigen davon, dass Düsen auch dem Quadratwürfelgesetz unterliegen, und es stellt sich heraus, dass große, auf Meereshöhe optimierte Düsen Ihnen einfach nicht die Arbeit geben, die Sie zum Betreiben Ihrer größeren Pumpen benötigen. Ihr Kilometerstand kann variieren.

Der Artikel „Inside the LEO Doghouse“, den Sie gefunden haben, ist sehr gut. Es wurde von einem Typen geschrieben, mit dem ich irgendwie zusammenarbeite, und wenn Sie nicht das ganze Buch gelesen haben, lohnt es sich, sich die Zeit dafür zu nehmen.

1. Offene Expanderkreisläufe können dennoch sehr effizient sein. Sie können Isp mit LOX/LH2 in der Nähe von 450 s erreichen, was nur wenige s unter RS-25 & RL-10 liegt.

2. Sie müssen verstehen, dass der größte Leistungstreiber für einen Expander die Turbopumpen sind. Die größte Einschränkung ist dann, was Ihre Turbinen unter Druck setzt. Da Sie in einem geschlossenen Expander den Turbinenauslass in das MCC leiten müssen, muss Ihr Turbinenauslassdruck höher sein als der MCC-Druck. Das bedeutet, dass das Druckverhältnis über Ihre Turbinen sehr begrenzt sein wird, in der Größenordnung von 1,5-2,5. Je höher der PR, desto effizienter läuft Ihre Turbine. Die einzige Möglichkeit, diesen PR in einem geschlossenen Expander zu erhöhen, besteht darin, den MCC mit einem niedrigeren Druck (wie RL-10) zu betreiben, wodurch der Gesamtschub / die Gesamtleistung begrenzt wird, oder Ihrer Turbine einen höheren Fluiddruck zu verleihen, aber das führt zu mehr Arbeit für die Pumpe Seite leisten muss, die von der Turbine angetrieben werden muss. Diese Arbeit muss natürlich irgendwo herkommen,

Der sekundäre Begrenzer bei Expanderzyklen ist die Menge an Enthalpie, die Sie durch die Kühlung Ihrer Verbrennungsgeräte aufnehmen können. Es ist einfach, eine Kammer länger zu machen, um die Oberfläche für die Wärmeaufnahme zu vergrößern, aber letztendlich sind Sie durch die Turbinenmaterialien temperaturbegrenzt. Auf diese Weise verletzen Sie auch Ihre Motorhülle. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Massenstrom der Turbine zu erhöhen, aber auch das ist mehr Arbeit, die die Pumpen leisten müssen. Wenn Sie in der Schubklasse skalieren, skalieren diese Dinge wie Wärmeaufnahme und Pumpen- / Turbinenarbeit nicht 1 zu 1. Es ist alles sehr kreisförmig und iterativ mit geschlossenen Expandern, und es gibt überall Kompromisse. Wenn wir keine massiven Durchbrüche in der Materialwissenschaft erzielen, können wir nur begrenzt aus diesem Kreislauf herauskommen.

Interessanterweise hat SSME einen Kammerdruck in der Nähe von 3.000 psi, sodass Sie sich vorstellen können, wie die Druckniveaus im Rest des Motors sind. Bevor es in die Kammer gelangt, muss es alle Kühlmittelleitungen, die Vorbrenner und schließlich den Injektor passieren. Ein Teil davon wird auch abgegriffen, um das LPFP mit Strom zu versorgen, und wird dann für die Panzerunterdrückung verwendet. Der LH2 kommt direkt aus dem HPFP und hat etwa 7.000 psi! Das ist verrückt.

ORRRRRRRRR, Sie können den Turbinenauslass wie in einem offenen Expander zur Atmosphäre hin öffnen und Ihr Turbinen-PR geht sofort von <2 auf >10. Damit sind viele dieser Probleme nicht so schlimm und Sie haben viel mehr Spielraum für die Skalierung. Bei einem offenen Expander, an dem ich arbeite, endete der Zyklus bei etwa 45 klbf, und das basiert auf echter Hardware, die tatsächlich getestet wurde. Es gibt noch viel mehr Platz, um noch höher zu gehen, wenn wir andere Pumpen hätten.

Ja, ein offener Expander ist weniger effizient, aber nicht genau warumSie denken. Sie haben Recht, dass der Effizienzverlust von der Menge an Treibmittel herrührt, das unverbrannt bleibt, aber es zum Unterdrücken in die Tanks zu leiten, wird nicht viel bewirken - es braucht so wenig, um die Tanks zu unterdrücken, sodass Sie am Ende den Rest entlüften . Das Klügere ist, diese Flüssigkeit aus einer viel kleineren Düse auszustoßen, damit Sie zumindest etwas daraus machen (wie Merlin, obwohl dies ein GG-Zyklus ist), das häufig für die Rollkontrolle bei einem einmotorigen Fahrzeug oder verwendet wird Lageregelung an einem mehrmotorigen Fahrzeug. Die Verluste entstehen dadurch, dass die Pumpen Arbeit in diese Flüssigkeit stecken müssen, aber wie Sie gesagt haben, wird diese Flüssigkeit unverbrannt ausgestoßen, sodass Sie viel weniger Arbeit daraus ziehen, als Sie hineinstecken. Unabhängig davon, ob Sie das Treibmittel verwenden für unterdrücken, deine Pumpen stecken immer noch Arbeit in die Flüssigkeit, die sie Kommt nicht wieder raus in die Verbrennung. Zeichnen Sie ein Kontrollvolumen um Ihren Motor und Sie werden sehen, was ich meine.

Ein weiteres Problem ist die spezifische Wärme verschiedener Treibmittel, die einige für verschiedene Zyklen besser machen als andere. Für die Expander, über die wir sprechen, wird LH2 Ihnen die meiste Enthalpie aus der Kühlung des MCC bringen, außerdem lässt es sich mühelos entzünden, aber LH2 ist ein schrecklicher Kernphasenbrennstoff. Und da Expanderzyklen so empfindlich auf Wärmeaufnahme reagieren, macht es LH2 mit einem angenehm niedrigen kritischen Druck (etwa 200 psia, wenn ich mich erinnere) besser, damit zu arbeiten, da Sie sich nicht mit einer 2-Phasen-Strömung in Ihren Kühlmittelkanälen auseinandersetzen müssen. Methan hingegen hat einen viel höheren kritischen Druck (fast 700 psia, wenn ich mich erinnere), sodass Sie in Ihren Kühlmittelkanälen leicht in eine 2-Phasen-Strömung geraten können, es sei denn, Ihre Drücke sind hoch genug. Die 2-Phasen-Strömung erzeugt eine unvorhersehbare Wärmeübertragung und kann zu heißen Stellen und Durchbrennen der heißen Wand der Kammer führen, wenn es schlimm genug wird. Methan ist auch ein PITA ans Licht.

Sie haben Recht mit Ihren zusätzlichen potenziellen Vorteilen Nr. 2 und Nr. 3. Aber solange wir mit SC- oder GG-Zyklen vergleichen, gibt es einen weiteren zusätzlichen Vorteil. Weil alles in einem Expanderzyklus so intrinsisch miteinander gekoppelt ist, sind sie in einer Anomalie sicher. Angenommen, Ihre Kraftstoffpumpe beginnt aus irgendeinem Grund zu versagen - sie gibt keine unter Druck stehende Flüssigkeit ab, sodass die Turbinen nicht das bekommen, was sie brauchen, und der Motor langsam abschaltet. Angenommen, Ihre Ox-Pumpe oder Ihr Haupt-Ox-Ventil fallen aus, Ihr Mischungsverhältnis beginnt zu sinken, Ihr Kühlmittel bekommt nicht genug Wärme, um die Turbinen anzutreiben, und der Motor schaltet sich aus. Angenommen, Sie haben sogar einen Ausfall eines der Kraftstoffventile - Ihr Mischungsverhältnis wird stark ansteigen und Ihre Kammerwand durchbrennen. Sobald das passiert, leckt Ihr Kühlmittel in die Kammer, anstatt die Pumpen anzutreiben, und Sie haben es erraten, der Motor geht aus. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass Sie eine Fahrzeugzerstörungsexplosion bekommen, wenn ein Expander ausfällt.

Der offene Expander LOX/LH2, an dem ich arbeite, entweicht etwa 2 Masse-% des Treibmittels über Bord.

Anton hat einige gute Punkte angesprochen, die ich übersehen habe. Es gibt jedoch einige Dinge, die ich bemängele.

Was meinst du mit all dem Gelaber? Der Boiloff ist der Füllstand. Ein weiterer Ort, an dem Sie definitiv keinen 2-Phasen-Fluss wünschen, geht in Ihre Pumpen, daher bin ich mir nicht sicher, was Sie meinen, wenn Sie den Boiloff durch Ihre Pumpen laufen lassen.

Außerdem starten viele Motoren, wenn sich die Pumpen bereits drehen. Das wird nur als Tankkopfstart bezeichnet, wie es bei der SSME mit gestufter Verbrennung der Fall ist, und das hat nicht wirklich viel damit zu tun, wie einfach ein Motor zu zünden ist. Die Treibmittelkombination hat einen viel größeren Einfluss auf die Leichtigkeit der Zündung. Und "praktisch unbegrenzte" Starts gibt es nicht wirklich. Das Starten eines Raketentriebwerks fordert einen echten Tribut von der gesamten Hardware. Pumpen laufen außerhalb des Designs, also reiben Dichtungen, und wenn es sich um hydrostatische Lager handelt, reiben diese auch. Die Kammer wird durch die Abweichungen des Mischungsverhältnisses und die heterogene Strömungsverteilung, insbesondere wenn sie stöchiometrisch durchlaufen muss, geschlagen und wird schließlich einen Durchbrand haben. Aus diesem Grund ist die Anzahl der Starts eine Konstruktionsanforderung mit sehr hoher Priorität, wenn wir mit der Entwicklung eines neuen Motors beginnen.

Sie haben jedoch Recht, dass RL-10 ein außerordentlich zuverlässiger Motor ist. Aber es ist nicht die erste Wahl für Motoren der Oberstufe, nur weil es ein Expander ist. Es ist, weil es eine hervorragende Leistung und Zuverlässigkeit hat. Die Zuverlässigkeit ist der Schlüssel, wenn es um Oberstufenmotoren geht, bei denen oft mehrere Starts erforderlich sind. Ein Teil dieser Zuverlässigkeit kommt jedoch daher, dass es sich um einen Expander handelt – je weniger Verbrennungsgeräte Sie haben, desto besser. GGs werden jedoch auch oft als Triebwerke der Oberstufe verwendet - SpaceX M1vac und J-2X. Ich glaube auch, dass die Raumschiff-Oberstufe von SpaceX ebenfalls von Raptors mit gestufter Verbrennung angetrieben wird.

Mir wurde einmal von einem Firmeninsider gesagt, dass der RL-10 im Grunde alles andere bei Aerojet subventioniert, bis der RS-25-Neustart kam. Die Kosten mit Additiv haben die Dinge jedoch billiger gemacht. Das gesamte Entwicklungsprogramm, an dem ich für einen offenen Expander gearbeitet habe, lag unter 18 Millionen. Aber einfach für Hardware und Arbeit sprechen wir nur über 2-3 Millionen pro Kopie. Es ist fast vollständig additiv. Der Grund, warum der SSME/RS-25 etwa 40 Millionen US-Dollar pro Exemplar kostet und eine Vorlaufzeit von 7 Jahren hat, ist hauptsächlich die Düse. Die Düse hat 1.080 einzelne Kühlmittelrohre, die zusammengelötet werden müssen. Ein Großteil dieser Arbeit wird von Hand erledigt. Bis vor kurzem dauerte das 6 JAHRE pro Düse. Ich denke, wir haben es jetzt auf 3 oder 4 Jahre reduziert, aber nicht wegen additiver, sondern nur wegen Prozessänderungen. Die NASA baut jetzt Stück für Stück Additiv in RS-25 ein, um die Kosten zu senken, aber es

Sie erwähnen auch die Düsengröße bei SL. Es gibt jetzt Technologien, um das abzumildern. Abgesehen von Aerospike, das es schon lange gibt, haben wir jetzt Thrust Augmented Nozzles und Dual-Bell-Düsen, aber beide sind mindestens 10 Jahre von der Flugreife entfernt.