שְׁאֵלָה:
התגברות על הפרש לחץ כדי להזין דלק למנועי רקטות
Johnny Robinson
2017-01-03 09:30:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

כשמשאבים דלק וחמצון למנוע רקטות, אני מניח שהמשאבה חייבת ליצור יותר לחץ מאשר החלק הפנימי של תא הבעירה, אחרת הנוזל היה זורם חזרה. האם זה נכון? ואז רקטה המשתמשת במיכל דלק בלחץ במקום משאבות תצטרך ללחץ יותר בכל מיכל הדלק מאשר במנוע! אז למה בכלל יש את המנוע? המשאבות כבר השיגו את הלחץ! מנוע ה- Raptor עם הזרימה המלאה ממש מבהיל אותי בעניין זה. חייב להיות בזה עוד. מישהו יכול להסביר איך זה עובד?

קשורים: http://space.stackexchange.com/questions/439/in-a-cryogenic-fuel-rocket-at-what-pressure-is-the-fuel-injected-into-the-engin
שְׁלוֹשָׁה תשובות:
TRF
2017-01-03 13:32:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

אתה צודק, לחץ ההזרקה גדול יותר מלחץ החדר של המנוע. על פי " תכנון הנדסי מודרני של מנועי רקטות דלק נוזליות", המנוע הראשי של מעבורת החלל הציג מאפיינים של טורבופומפ כדלקמן:

1.) דחיפה של טורבופומפ בלחץ גבוה (HPOTP) לחץ הפריקה הוא 6,952.2 psia, אשר זורם למברך החומרים המחמצן.
2.) לחץ פריקה של טורבו-דלק בלחץ גבוה (HPFTP) הוא 6,024.8 psia, אשר זורם למברך הדלק.

כל אותה העת היה ל- SSME לחץ תא סמלי של כ -3,000 psia.

באשר לשאלתך, מדוע בכלל יש לנו את המנועים, אם הטורבופומפים יכולים לספק דלק בלחצים כה גבוהים? ובכן, התשובה לשאלתך היא התפקיד של בעירה . ראשית, עלינו לבחון מהי משוואת הדחף שלנו. מניתוח נפח בקרה פשוט, אנו מקבלים משוואת דחף של הטופס, $$ F = \ dot {m} v_2 + (p_2-p_3) A_2 $$ כאשר $ F $ הוא כוח הדחיפה, $ \ dot {m} $ הוא קצב זרימת המנוע, $ v_2 $ הוא מהירות הגז ביציאת הזרבובית, $ p_2 $ הוא לחץ הגז ביציאת הזרבובית, $ A_2 $ הוא שטח החתך ביציאת הזרבובית, ו- $ p_3 $ הוא הסביבה לחץ מחוץ למנוע. באמצעות דינמיקת גז חד ממדית ויחסים איזנטרופיים, אנו יכולים לכתוב את מהירות יציאת הזרבובית בצורה הבאה,

$$ v_2 = \ sqrt [] {\ frac {2 \ gamma} {\ gamma- 1} R T_1 \ שמאל [1- \ שמאל (\ frac {p_2} {p_1} \ ימין) ^ {(\ gamma-1) / \ gamma} \ ימין]} $$

איפה $ \ gamma $ הוא יחס החימום הספציפי, $ R $ הוא קבוע הגז הספציפי, ו- $ T_1 $ היא טמפרטורת החדר (חשוב מאוד בעירה). כפי שמוצג כאן, $ v_2 \ sim \ sqrt [] {T_1} $. באופן דומה, ניתן להשיג את קצב זרימת המסה דרך המנוע מהפרמטר של זרימת המסה, אשר נניח שזרימת חנק בגרון, $$ \ dot {m} = \ frac {A_t p_1} {\ sqrt [] {T_1} } \ \ sqrt [] {\ frac {\ gamma} {R}} \ left (\ frac {\ gamma + 1} {2} \ right) ^ {- (\ gamma + 1) / [2 (\ gamma- 1)]} $$

כאשר $ p_1 $ הוא לחץ החדר. שוב אנו יכולים לראות שקצב זרימת המסה של המנוע מושפע מטמפרטורת החדר כ- $ \ dot {m} \ sim 1 / \ sqrt [] {T_1} $. שילוב של שני הביטויים הללו למשוואת תשואות הדחף,

$$ F = A_t p_1 \ sqrt [] {\ frac {2 \ gamma ^ 2} {\ gamma-1} \ left (\ frac { 2} {\ gamma + 1} \ right) ^ {(\ gamma + 1) / (\ gamma-1)} \ left [1- \ left (\ frac {p_2} {p_1} \ right) ^ {(\ gamma-1) / \ gamma} \ right]} + (p_2-p_3) A_2 $$

כעת נשקול כמה תרחישים היפותטיים ביחס לשאלתך. ראשית נסתכל על מנוע הרקטות הקונבנציונאלי. נניח שיש לנו לחץ תא דומה ל- SSME, בערך $ p_1 $ = 3,000 psia. כמו כן, לצורך פישוט הניתוח, נניח שיש לנו זרבובית המרחיבה באופן מושלם את הגז ללחץ אטמוספרי בגובה פני הים, שתניב יחס לחץ זרבובית של $ p_2 / p_1 $ = 14.7 / 3000 = 0.0049. בנוסף, נניח שאזור הגרון הוא 0.5 רגל $ ^ 2 $. מכיוון שאנו מתרחבים למצב האטמוספרי, $ p_2-p_3 = 0 $ ואין לנו כוח שטח לחץ במשוואה שלנו והדחף הוא שטף תנופה בלבד דרך הזרבובית. הדבר האחרון שיש לקבוע הוא יחס החום הספציפי $ \ gamma $ עבור המנוע. אנו נניח שאנו משתמשים בדלק LOX / LH2, הכולל יחס מוצר שרוף של חום ספציפי של כ $ \ gamma \ כ $ 1.2 ב 6,000 F. החלפת כל זה לביטוי שלנו לדחף שאנו משיגים לרקטה (דומה מאוד ל- SSME, כצפוי ): $$ \ boxed {F = 372,064 \ \ \ text {lbf} \\ \ dot {m} = 1,030 \ \ text {lbm / s} \\ v_2 = 11,614 \ \ text {ft / s} \\ I_ {sp} = 361 \ \ text {sec}} $$

עכשיו נבחן את המקרה שלך, מה אם נשתמש רק בלחץ הזרקת הטורבו-משאף כאמצעי לייצור הדחף שלנו. במקרה זה, נניח שלחץ ההזרקה הוא לחץ הפריקה מה- SSME ושווה ערך נומינלי ל- $ p_1 $ = 6,500 psia. במקרה זה, כאשר אנו זונחים את תפיסת המנוע, לפיכך, איננו דורשים בעירה ויכולים להתמקד בפיצוץ O $ _2 $ ב 6,500 psia דרך זרבובית המתרחבת באופן מושלם לתנאי ים אטמוספריים. כעת, בדיקה ויזואלית של מערכת הצנרת SSME מציינת כי 6,500 psia נכנסת לרשת אינסטלציה שהיא בערך $ \ בערך 1/5 $ בקוטר קווי הזרקה הראשוניים בטמפרטורה של -258 F ( מעל נקודת הרתיחה עבור LOX). יתר על כן, קווי ההזנה הראשוניים של תא הדחף פועלים באופן סמלי בערך 3,100 psia ו- 728 F, כך שנוכל לשקול שני מקרים לשאלתך המוצעת. הראשון, שוקל לחץ הזרקה וטמפרטורה של $ p_1 $ = 6,500 psia ו- $ T_1 $ = -258 F, אך עם אזור גרון של 1/5 הדוגמה של הרקטה שלנו לעיל לזרימה חנוקה. כעת במקרים אלה אין לנו בעירה ויחס החימום הספציפי שלנו יישאר בערך $ \ gamma $ = 1.4. המקרה השני שנשקול הוא שמירה על אותו אזור גרון מהדוגמה הקודמת של הרקטות, אך עם לחץ הזרקה וטמפרטורה של 3,100 psia ו- 728 F. התוצאות למקרה שלך נראות כדלקמן: 1: $ p_1 $ = 6,500 psi, $ T_1 $ = -258 F ו- $ A_t $ = (1/25) (0.5 ft $ ^ 2 $) = 0.02 ft $ ^ 2 $

$ $ \ boxed {F = 30,796 \ \ text {lbf} \\ \ dot {m} = 215 \ \ text {lbm / s} \\ v_2 = 4,613 \ \ text {ft / s} \\ I_ {sp} = 143 \ \ text {sec}} $$

המקרה שלך 2: $ p_1 $ = 3,100 psi, $ T_1 $ = 758 F ו- $ A_t $ = 0.5 ft $ ^ 2 $

$$ \ boxed {F = 357,865 \ \ text {lbf} \\ \ dot {m} = 6,212 \ \ text {lbm / s} \\ v_2 = 1,854 \ \ text {ft / s} \\ I_ {sp} = 58 \ \ text {sec}} $$

בשני המקרים שלך, אנו מגיעים עד לדחף המיוצר והדחף הספציפי ללא בעירה. למעשה, הדחף המיוצר בתרחיש השני דומה לדחף המיוצר עבור מנוע הדומה ל- SSME, אולם הדחף הספציפי הוא נורא. הפעלת הרקטה באופן זה תהיה שנות אור מעבר ליעילות. חוסר היעילות נובע ממהירות הפליטה הנמוכה כתוצאה של $ v_2 \ sim \ sqrt [] {T_1} $ וקצב זרימת המוני הגדול כתוצאה של $ \ dot {m} \ sim 1 / \ sqrt [] {T_1 } $. לפיכך, דרך להשיג $ v_2 $ גבוה $ $ ונקודה {m} $ עבור אותו אזור גרון, היא להשיג $ T_1 $ גדול, הדורש בעירה. גם אם היינו שוקלים להשתמש בקו H $ _2 $ במקום ב- O $ _2 $, היינו מקבלים רק $ I_ {sp} $ של 167 עבור התרחיש האחרון, שהוא דומה למאיץ רקטות מוצק, תוך שימוש בנוזל דלק, כלומר ביצועים איומים.

לא שזה משנה את הטיעון המצוין שלך, אבל אזור הגרון של SSME היה בערך 0.65 רגל ^ 2 (93 ב ^ 2). https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/3PFD.pdf
תמיד חיפשתי את ממדי הגרון של זרבובית SSME, אבל מעולם לא יכולתי להיתקל בזה! תודה!
זו לא תשובה, זה בחור שמשוויץ במתמטיקה שלו. זה לא נדרש להסבר, אין תג מדעי קשה. ניתן לשפר תשובה זו בקלות על ידי הסרת המתמטיקה המיותרת והצעת הסבר פשוט במקום. נְשִׁיקָה.
אם רק שאלת תכנון מנוע הרקטות לא הייתה כרוכה במתמטיקה ...
Eeeek! יחידת ה- SI היחידה בה השתמשת היא השנייה !! זז עם הזמנים! ;-)
@TRF לכתוב מעניין ואינפורמטיבי. אבל שאלה אחת - האם הדחף אינו תלוי בטמפרטורת החדר? למשוואת הדחף אין מונח טמפרטורה. כיצד לקחת חשבון מידע על תהליך הבעירה ועליית הטמפרטורה במשוואה?
שים לב @karthikeyan, ניתן להחליף את היחס של $ p_2 / p_1 $ ל- $ T_2 / T_1 $ באמצעות יחסי זרימה איזנטרופיים. בנוסף, קצב זרימת המסה דרך המנוע הוא פרופורציונאלי ל- $ 1 / \ sqrt [] {T_1} $, ואילו מהירות הפליטה פרופורציונאלית ל- $ \ sqrt [] {T_1} $. מקווה שזה עוזר.
@TRF כן. אני חושב שדרך החשיבה האיזנטרופית הגיונית! תודה
SF.
2017-01-20 13:00:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

תן לי לנסות לנשוך, לשים את זה במונחים קלים.

מטרת המנוע היא לספק דחף - על ידי פליטת דלק (מוצרי בעירה) במהירות גבוהה ככל האפשר.

הדלקים אוגרים אנרגיה כימית רבה - יותר מכפי שכל חדר סגור יכול להכיל. אם היו מאפשרים להם להמיר את כל האנרגיה הזו ללחץ במקום אחד, החדר היה מתפוצץ, נקודה. הלחץ יהיה בסדרי גודל רבים ממה שהמשאבות יכולות לספק.

לכן יש בתא הבעירה גרון ונחיר. כאשר הדלקים נשרפים, הם היו מגבירים את הלחץ, אך הם מאווררים בו זמנית דרך הזרבובית - הם מתרחבים, הלחץ יורד, מהירותם עולה. הטורבופומפ לא צריך להתגבר על הלחץ שייגרם בעירה בחלל סגור - הוא רק צריך להתגבר על לחץ שיווי המשקל בין מה שמצטבר בעירה לבין מה שאבד בגלל שפורקן דרך הנחיר. הלחץ נשמר באיזון - הנפח גדל. גידול בנפח זה הופך ישירות לתנועה - גז שנפלט במהירות גבוהה דרך הזרבובית - והנעה.

בנוסף, המשאבות צריכות לשאוב דלק נוזלי במקום גזי בעירה - עבודת המשאבה פרופורציונאלית ללחץ ו > נפח נשאב, לא מסה . שאיבת 100 ליטר מים ב 10 בר היא אותה עבודה כמו שאיבת 100 ליטר קיטור ב 10 בר, שנוצרת באמצעות הרתחה של ליטר מים. אותו הדבר כאן - רוב העבודה נעשית בעת שריפת הדלק, ויוצרים הרבה גז שנע במהירות. משאבה שתזיז את אותו מסה של גז באותו לחץ תצטרך לספק הרבה יותר עבודה - מכיוון שנפח הגז הזה יהיה גדול בהרבה.

הצביעו על היותם ברורים בהרבה משאר התשובות.
בנוסף להגדלת הנפח (המגביר את מהירות הגז הנמלט דרך הגרון), הבעירה מגבירה את הטמפרטורה, כלומר תנועה אקראית של מולקולות. לאחר מכן ממיר הנחיר את מרבית התנועה האקראית הזו לתנועה מסודרת לכיוון הפליטה, ותורם לדחיפה (כאשר מולקולות הנעות הצידה פוגעות בזרבוב הן דוחפות את הרקטה קדימה בגלל השיפוע).
זו תשובה מעולה. וואו. לא הצלחתי להבין את זה, ועכשיו אני מבין. אני חושב שאוכל אפילו להסביר את זה למישהו אחר. תודה רבה לך. מנקודת מבטי המפתח להמשגה זו הוא המסה. כמו שאמרת, המשאבה שואבת יותר את הנוזל המסיבי. והפליטה, בהוצאת גזים היא יצירת מהירות הפליטה הגבוהה. מכיוון שכמובן, אנרגיה בכמות מסוימת תניע בינוני קל יותר מהר יותר מכבד יותר. תודה.
הסכום הנתון של @JohnnyRobinson: יניע מהירות בינונית קלה יותר (נכון מאוד; $ H_2 $ הוא דלק מצוין כגז פליטה, למשל עבור מנוע NTR) אך גם גדול רוב האנרגיה הזו נובעת מהבעירה. לעתים קרובות מקישים על גזי הפליטה כדי להניע את טורבו-משאבה - מכיוון שיש צורך רק בנפח גדול יותר של פליטה בכדי לשאוב נפח נוזל לאותו לחץ. אבל אתה זקוק רק לטיפה מהנוזל כדי לייצר נפח גדול יותר של פליטה.
". שאיבת 100 ליטר מים ב -10 בר היא אותה עבודה כמו שאיבת 100 ליטר אדים ב -10 בר" - לא בטוח שאני מסכים עם זה, מכיוון שאתה מעביר מסה.
@MikeW: זהו קירוב, שאינו תקף להפרש לחץ נמוך בעל תפוקה גבוהה (המוני המסה הועברו, ללא לחץ) אך בהחלט עובד להפרש לחץ גבוה. כמות העבודה הדרושה ללחץ 1 מ '^ 3 מכל מדיום שבין 1 ל -10 בר מאפילה לחלוטין על כמות העבודה הדרושה בכדי להזיז את המדיום המרחק המתאים לשינוי הנפח שהתקבל. אם כי כן, שאיבת 100 ליטר אוויר ממיכל בר אחד למיכל 1.01 בר תדרוש פחות עבודה מאשר לעשות את אותו הדבר עד 100 ליטר זפת חמה.
Organic Marble
2017-01-03 10:25:28 UTC
view on stackexchange narkive permalink

אתה צודק שעבור מנוע המוזן בלחץ, לחץ תא הבעירה חייב להיות נמוך יותר מלחץ המיכל. אבל לגבי "למה בכלל יש את המנוע" .... דבר חשוב קורה בתא ה בעירה . כלומר, בעירה! תהליך זה משתמש באנרגיה הכימית של הדחפים כדי להאיץ את הגזים שנוצרו דרך הנחיר. ותאוצה של גז למהירות גבוהה היא העניין. הדחף הוא מהירות הפליטה כפול זרימת המסה (בתוספת מונח לחץ הקשור ללחץ מישור היציאה ... בדרך כלל תורם קטן בהרבה לדחף [לפעמים גורם]).

אני לא בטוח מה שאלתך על מנוע הראפטור הוא. זה נדון ב שאלה זו ושריפה מבוצעת בתזרימה מלאה נדונה ב שאלה זו.

האם לא נקודת הבעירה היא יצירת לחץ מנוע? האם מהירות הפליטה לא נוצרת על ידי לחץ המנוע שדוחף את מסת התגובה אל פתח הנחיר המכווץ? רואים את הנקודה שלי? אם לחץ המכל גבוה מלחץ המנוע, אתה יכול פשוט לשים זרבובית על המיכל ולקבל את אותה מהירות פליטה (או ליתר דיוק גבוהה יותר). חייב להיות בזה יותר.
תהליך הבעירה נקרא התלקחות והוא למעשה בעירה בלחץ קבוע. אז לא, הבעירה לא מעלה את לחץ הגז.
"התהליך הזה מוסיף אנרגיה למערכת" - לא ממש. זה הופך רק אנרגיה כימית פוטנציאלית לאנרגיה קינטית, המכונה "משחררת" אנרגיה מדלק. דבר קטן, אבל זה לא מדויק כשזה לא דורש הרבה יותר מילים, נכון?
@JohnnyRobinson נקודת הבעירה היא העלאת הטמפרטורה. ראה את התשובה של TRF אם אתה רוצה מתמטיקה.
@TRF מעניין לשמוע דלקות בתוך המנוע! האם לחץ הבעירה יהיה זהה ללחץ הזרקה או פחות מזה?
@karthikeyan במקרה אידיאלי, הלחץ לאחר הבעירה יהיה זהה ללחץ ההנעה הראשוני לפני הבעירה. עם זאת, תמיד יש הפסדים בתא דחף, כך שהלחץ בפועל יהיה מעט פחות. ככל הנראה בסביבות 5% פחות. נותן או קח כמה אחוזים.


שאלה ותשובה זו תורגמה אוטומטית מהשפה האנגלית.התוכן המקורי זמין ב- stackexchange, ואנו מודים לו על רישיון cc by-sa 3.0 עליו הוא מופץ.
Loading...