Kysymys:
Miksi paineistetuilla moottoreilla on epävakaa palaminen?
AlanSE
2013-08-03 22:47:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kun luin Sea Dragon -ideasta, sain tämän väitteen sitä vastaan ​​, joka kuulostaa pakottavalta, mutta vetoaa yksityiskohtaisempaan tietoon kuin minulla on:

Ne on syötettävä paineella "monimutkaisuuden" välttämiseksi. Monimutkaisuus? Entä palamisen epävakaus pakenevien paine-aaltojen ollessa talon kokoisia? Kesti seitsemän vuotta lopettaa polttokysymykset tappamasta F1 testikioskeilla, ja ellei sitä olisi aloitettu 50-luvun lopulla tutkimusprojektina, se olisi viivästyttänyt koko kuuohjelmaa.

AFAIK, Sea Dragonilla olisi noin 60 psi: n paineistettu heliumpussi, joka toimii kryogeenisten nesteiden työntäjänä moottoriin. Vaikuttaa täysin intuitiiviselta, että sillä olisi enemmän mekaanisia ongelmia kuin turbiinikäyttöisellä järjestelmällä.

Miksi tämä on? Mikä saa hämmästyttävän yksinkertaisen painekäyttöisen moottorin kärsimään suurista paineen epävakaisuuksista, jotka leviävät moottorista?

Ainoa viite ja suositusluku vanhojen aikojen historiasta: Harrje, Reardon (1972) - NASA SP-194 nestepotkuriaineen raketinpolton epävakaus.
On mielenkiintoista huomata, että "palamisen epävakaus" vaihtelee vain pienestä tärinästä erittäin viihdyttävään mutta vaaralliseen ja kalliiseen räjähdykseen. Erittäin hieno kysymys!
Alan, F-1 ja J-2 syötettiin pumpulla. Ajattelet [SM] (http://astronautix.com/engines/aj10137.htm) ja [LM] (http://astronautix.com/engines/tr201.htm) moottoreita.
Paineella syötetyllä moottorilla, joka toimii 60 psi: ssä, työntövoima on melko huono. Ajattele satoja psi: tä, jos tarkoituksena on käyttää sitä kantorakettiin. Useimmat puhallettavat paineella syötetyt järjestelmät varastoivat paineistetta tuhansiin, jos psi.
Toinen viite: Nestemäisen rakettimoottorin palamisen epävakaus. Vigor Yang, William Anderson (toim.). AIAA # 169, 1995.
@AdamWuerl: Kyse on paineen toimittamisesta polttokammioon, ei paineesta, joka toimii suorana ponneaineena. Nestemäisen vedyn ja hapen syöttäminen 60 psi: n paineeseen kammioon, jossa ne reagoivat kiivaasti ja tarjoavat todellisen käyttövoiman, tuntuu vähäiseltä kohdalta.
@SF. Öö ei. Rakettimoottorit eivät toimi näin. Polttokammion ponneaineen on oltava korkeassa paineessa. Kammio ei ole suljettu, joten palamistapahtuma ei lisää painetta kuten polttomoottorissa. Palaminen nostaa lämpötilaa, mikä antaa energian, joka muuttuu nopeudeksi laajentamalla suuttimen läpi, mutta ilman painetta mikään niistä ei toimi. Palotila syötetään korkeapainelähteellä tai varastoidaan matalassa paineessa ja pumpataan ylös. 60 psi on todennäköisesti syöttöpaine turbopumppuihin.
@AdamWuerl Luulin, että reaktio lisää painetta kartiossa, mutta se ei etene takaisin ylöspäin, koska virtaus on tukossa. Mutta voi olla paljon mitä en ymmärrä. Ajattelin myös, että Saturn V käytti samanlaista 60 psi: n Helium-työntöpalloa. Ehkä se olisi syytä tutkia.
@AdamWuerl: Jos paine on jo olemassa, miksi tarvitaan niin paljon lämpöä? Ymmärsin lämpötilan pudotuksen torjumisen paineistetun materiaalin laajentuessa estääkseen koko asian jäätymisen, mutta normaalisti lämpötila yksinään ei muutu nopeudeksi (tai aurinko lentäisi todella nopeasti), se voi vain lisätä kaasun energiaa, joko laajentamalla sitä tai lisäämällä sen painetta (ja avoimesta kammiosta laajeneva kaasu antaa työntövoimaa suuttimen suuntaan.) Et kuitenkaan tarvitse siihen lämpöä, paineistettu kylmä kaasu riittää edelleen.
@SF. ja AlanSE. Nämä ovat tarpeeksi hyviä kysymyksiä, joiden mielestäni ansaitsevat oman ketjunsa: [Miksi pumppu- ja painesyöttöisten nestemoottoreiden on toimittava korkeassa paineessa?] (http://space.stackexchange.com/q/1827/127)
Rakastan tätä keskustelua. Olen myös miettinyt merilohikäärmeen toteutettavuutta. Vaelluksissani huomasin, että Falcon 1: n ylemmässä vaiheessa käytetty SpaceX Kestrel -moottori oli pintle-muotoinen ja myös paineistettu (ei turbopumppua). Se tuotti kuitenkin vain vajaat 7000 lbf työntövoimaa. Mutta Sea Dragon olisi edellyttänyt moottoria, joka oli 10000 kertaa suurempi. Sillä oli painosuhde 65: 1, joten moottori olisi itsessään painanut yli miljoona kiloa. Tämä on tietysti olettaen täysin lineaarinen skaalaus, jota ei todellakaan tapahdu käytännössä.
Kaksi vastused:
#1
+15
Israel Walker
2016-09-07 06:52:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Sea Dragonin ja paineen epävakauden ongelmana on, että paineen epävakauden todennäköisyys kasvaa eksponentiaalisesti, kun palotilan koko ja suuttimen halkaisija kasvavat lineaarisesti. Sea Dragonin kellon piti olla halkaisijaltaan yli 75 jalkaa ja se antoi voimaa 350 meganewtonia (noin 5000% enemmän kuin F-1-moottori). F-1: llä oli valtavia palamisen vakauteen liittyviä ongelmia, jotka lopulta ratkaistiin.

Truax ei ollut huolissaan palamisen vakaudesta, koska moottori oli pintle-injektorityyppi. Hän uskoi, että mäntäsuuttimen luonnollinen palamisstabiilisuus antaisi valtavien moottoreiden olla erittäin vakaita erilaisissa paineissa. (Muuttuva paine oli keskeinen osa hänen suunnittelua, koska se mahdollisti paljon yksinkertaisemman ja huolimattomamman järjestelmän, jossa paine alkoi korkealla ja laski hitaasti alas säiliöiden tyhjentyessä.)

TRW (joka rakensi raketit Apollo-laskeutuva) myöhemmin vahvisti uskomuksensa. Tuossa paperissa he huomauttavat, että pintle-injektorit ovat osoittaneet stabiilin palamisen moottoreilla, joiden mittakaava on 50 000: 1. Joten, Truaxilla oli todennäköisesti oikeassa.

Mielenkiintoisen sivuhuomautuksen mukaan Neuvostoliitolla oli sama ongelma palamisen vakauden kanssa kuin meillä. Siksi varhaisen Neuvostoliiton moottoreissa käytettiin neljää pienempää palotilaa yhden suuren sijasta. Neuvostoliiton kyvyttömyys kehittää suuria moottoreita johti siihen, että N1: llä (heidän kuurakettansa) oli niin monta moottoria (mielestäni ensimmäisessä vaiheessa 33). Mikä johti sitten valtaviin putkisto-ongelmiin, jotka johtivat N1: n epäonnistumiseen, mikä johti Neuvostoliiton kuu-ohjelman epäonnistumiseen.

Tämä on hyvä tieto (ja linkitetty TRW-paperi on loistava luku), mutta olen skeptinen, että jopa 2900 kN: n pintle-injektorimoottoreiden käyttäytyminen kertoo paljon siitä, mitä he tekevät 120-kertaisella tasolla.
Vaikka ruiskun injektori ei pinota merikäärmekokoisina, tämä on erinomainen vastaus ja osoittaa kuinka ennakoiva Truax oli. Joten näyttää totta sanomalla, että epävakaus on se, mikä houkuttelee klustereita? Olen aina miettinyt joidenkin klusteroitujen mallien monimutkaisuutta.
@WetSavannaAnimalakaRodVance: Tietysti useammat moottorit merkitsevät suurempia mahdollisuuksia ainakin yhdelle monista tehdä jotain räjähtämistä, mikä johtaa muihin epävakauden muotoihin
Myös Sea Dragon -ehdotusasiakirja näyttää tavallisen suihkupään injektorin ensimmäisen vaiheen moottorista; onko sinulla viittausta Truaxiin harkitsemaan pintle-injektiota SD: lle?
#2
+13
Hash
2013-09-04 21:48:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Painesyöttöisissä rakettimoottoreissa ponneaine (sekä hapetin että polttoaine) syötetään polttokammioon paineistetulla kaasulla (yleensä heliumilla), eikä se sisällä mitään monimutkaisuutta, kuten syöttöpumppu tai turbopumppu

enter image description here

Turbo-pumpun läsnäolo estää paineaallon pääsyn ponneainesäiliöön. Mutta paineella syötetyssä rakettimoottorissa on vain venttiili, joka avautuu ja sulkeutuu paineen alaisena.

Venttiili avautuu jos paine polttokammiossa on pienempi kuin ponneainesäiliö (joka on paksuseinämäinen, koska niiden on kestettävä korkea paine)

Venttiili sulkeutuu , jos paine polttokammiossa on yli paine ponneainesäiliössä (jotta paineaallot eivät pääse ponneainesäiliöön)

suoralla paine-syöttösyklillä on, että mikä tahansa paineen vaihtelu johtaa kaksinkertaiseen muutokseen koko paineessa silmukka, vahvistamalla värähtelyä. Suuttimien ja säiliöiden välissä ei ole turbiinia, joka estäisi värähtelyn etenemisen. laskee ja yhtäkkiä virtausnopeus kasvaa (palotilan paine laskee) injektorit, ruiskuttaa enemmän ponneaineita, jotka palavat suuttimen ulkopuolella.

Teoreettisesti polttoaineen viipymisaika polttokammiossa annetaan Tyypillinen pituus (yleensä merkitty L *) (vähimmäispituus, jonka polttoaine pysyy polttokammiossa ja suuttimessa täydellisen palamisen tapahtuessa)

$$ L ^ * = {{q * V * t_s} \ yli A} $$

q on ponneaineen massavirta, V on keskimääräinen ominaismäärä ja $ t_s $ on ponneaineen oleskeluaika A on äänen kurkun alue

joten potkurin virtausnopeus on polttokammion ja ponneainesäiliön välisen paine-eron funktio ja kun ponneaineen nopeus kasvaa polttokammiossa olevan matalan paineen (verrattuna polttoainesäiliön paineeseen) seurauksena myös ominaispituus kasvaa (koska suuttimen pituus pysyy vakiona) johtaa epävakaaseen polttoaineen palamiseen ja palaminen tapahtuu suuttimen ulkopuolella



Tämä Q & A käännettiin automaattisesti englanniksi.Alkuperäinen sisältö on saatavilla stackexchange-palvelussa, jota kiitämme cc by-sa 3.0-lisenssistä, jolla sitä jaetaan.
Loading...