Vraag:
Bij welke druk wordt de brandstof in een cryogene brandstofraket in de motor geïnjecteerd?
user39
2013-07-19 11:58:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De druk in de hoofdmotoren van de Space Shuttle moet erg hoog zijn om het voertuig van de grond te krijgen (uiteraard met de SRB-ondersteuning). Met zulke hoge drukken in de motor, hoe injecteert u brandstof in de motor? Ik begrijp dat de brandstof rond de motor wordt geleid zodat het de nozzle koelt, zodat de uitlaat niet smelt, en vervolgens in de motor. Ik ging er echter altijd van uit dat de druk van de brandstof die de motor ingaat hoger moet zijn dan de druk die de uitlaatgassen uitoefenen. Zo ja, hoe pompt de shuttle dan zulke brandstof onder hoge druk in de motoren?

Drie antwoorden:
#1
+11
Adam Wuerl
2013-09-07 03:03:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De SSME is een raketmotor met gefaseerde verbranding, wat betekent dat een klein deel van de drijfgasstroom naar de hoofdverbrandingskamer eerst wordt omgeleid naar een kleine voorbrander (twee eigenlijk). Deze voorbranders verbranden (relatief) kleine hoeveelheden brandstof en oxidatiemiddel om heet uitlaatgas te produceren dat wordt geëxpandeerd door een turbine, die mechanisch is verbonden met een pomp (vandaar turbopomp), die wordt gebruikt om onder hoge druk brandstof en oxidatiemiddel aan de hoofdleiding te leveren. verbrandingskamer.

De eigenlijke motor is aanzienlijk gecompliceerder dan dit (zelfs in een vereenvoudigd schema), maar dit is het uitgangspunt van elke motor met turbopomp: heet gas zet een turbopomp aan die de hoofdvoorraad van drijfgas oppompt en injecteert het in de verbrandingskamer. De SSME heeft veel andere kleine details, zoals hoge- en lagedrukpompen, en het terugvoeren van de verbrandingsgassen naar de hoofdkamer - in plaats van ze overboord af te blazen zoals de RS-68 dat doet.

Maar het komt erop neer dat het OP juist is. De druk is erg hoog in de verbrandingskamer, je spuit drijfgas in de verbrandingskamer door een nog hogere druk te hebben aan de uitlaat van de turbopompen. Bewaar in de tanks met een lagere druk, pomp op met de turbo's en berijd dan de drukgradiënt helemaal naar het heldere blauwe licht aan het einde van het mondstuk.

SSME schematic met dank aan Wikipedia.

Als u een beter begrip wilt van waarom het drijfgas in de eerste plaats onder hoge druk moet staan.

Hier is een verbazingwekkend detail. In de SSME gaan de uitlaatgassen van zowel de brandstofturbine als de oxidatieturbine naar de verbrandingskamer. Dat betekent dat de druk in de voorbranders die de turbines aandrijven veel hoger is dan de hoofdverbrandingskamerdruk. Dus hoe injecteer je de brandstof en het oxidatiemiddel in de voorbranders? Met zeer hoge druk. Er zijn eigenlijk 3 oxidatiepompen: lage druk, hoge druk en voorbrander.
#2
+10
Erik
2013-07-19 20:20:29 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dit is ingewikkeld, maar hier is de kern:

Stuwkracht wordt gegenereerd door gas onder hoge druk naar een omgeving met lagere druk te laten stromen. Deze stroming is supersonisch, dus wat stroomafwaarts van de keel (bovenkant van het mondstuk) gebeurt, kan niet worden waargenomen door wat er in de verbrandingskamer gebeurt (geluid is slechts een drukgolf). Het mondstuk is supersonisch, de verbrandingskamer is subsonisch. Het mondstuk zet het gas uit om de vereiste hoge stagnatiedruk te creëren - meestal door de snelheid van het gas te verhogen. Merk op dat stagnatiedruk (de waarde waaraan u denkt) niet alleen statische druk is, maar ook een snelheidscomponent.

Kortom, de Shuttle doet dat niet brandstof en oxidatiemiddel in de verbrandingsmotor moeten pompen met een hogere druk dan die bij de uitgang van het mondstuk, omdat:

  • Er wordt geen drukinformatie teruggestuurd van de uitgang van het mondstuk naar de verbrandingskamer vanwege de supersonische stroom in het mondstuk.
  • Een groot deel van de uitlaatdruk van het mondstuk (stagnatiedruk) wordt veroorzaakt door de snelheid van de gassen - snelheid die wordt gecreëerd door de supersonische gasstroom uit te breiden.
  • Brandstof en oxidatiemiddel wordt echter tot op zekere hoogte onder druk gezet door turbopompen om een ​​positieve afgifte in de verbrandingskamer te verzekeren.

Ik hoop dat dit helpt. Voortstuwing is een zeer gecompliceerd veld.

Update : De hoofdverbrandingskamerdruk op de SSME's op vol vermogen is ongeveer 3008 pond per vierkante inch.

Dus dan wordt de tegenovergestelde reactiekracht uitgeoefend op het mondstuk, niet bovenaan de verbrandingskamer?
Ja, ik geloof dat de stuwkrachtreactie door de mondstukwanden gaat. In feite kun je de stuwkracht van een raketmondstuk effectief opslokken door grenslaagscheiding aan één kant van het mondstuk te induceren, waardoor de stuwkrachtvector roteert.
Wauw, ik denk dat ik het begrijp. Ik wou dat ik CAD-modellen van de motor kon krijgen, zodat we ze konden 3D-printen om kinderen te leren hoe dit allemaal werkt.
Als je een 3D-printer hebt, helpt dit misschien: http://www.3dcadbrowser.com/download.aspx?3dmodel=14607
Ik heb het gedaan, ik heb het gedaan!
Ik denk niet dat dat helemaal juist is. De druk in de verbrandingskamer moet hoger zijn dan de druk in de straalpijp, anders wordt de stroom drijfgas door de keel omgekeerd. Er is een consistent verlies van zowel statische als stagnatiedruk van turbopompen naar het uitgangsvlak. In feite zal de stroom helemaal niet stikken zonder een significante 2–3 × drukverhouding over de keel. De turbopompen op de SSME's bestaan ​​juist omdat als ze dat niet deden, de motor in feite geen stuwkracht zou produceren.
De stroming in het mondstuk is supersonisch - daarom komt er geen drukinformatie langs de keel van het mondstuk. Dat betekent echter niet dat je geen turbopompen nodig hebt - je moet nog steeds druk overwinnen in de verbrandingskamer.
#3
  0
Adam
2015-02-26 06:44:54 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Gewoon om een ​​beetje perspectief toe te voegen. De hogedrukbrandstof-turbopomp werkt met een vermogen van ongeveer 69.000 pk, en de os is 25.000 pk http://www.rocket.com/space-shuttle-main-engine. Dus alleen het verpompen van hogedruk-cryogene techniek kost ~ 100.000 pk op elke shuttle-motor. (In de orde van grootte van 500-1000 automotoren)



Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 3.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...