Domanda:
Perché un motore a razzo fornisce più spinta nel vuoto che nell'atmosfera?
Hash
2013-10-18 17:35:34 UTC
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Secondo la NASA

Ogni motore principale dello Space Shuttle funziona con un rapporto di miscela ossigeno liquido / idrogeno liquido di 6 a 1 per produrre una spinta a livello del mare di 179.097 chilogrammi (375.000 libbre) e una spinta a vuoto di 213.188 (470.000 libbre).

Perché un motore a razzo fornisce più spinta nel vuoto che nell'atmosfera?

Questo vale per tutti i motori a razzo?

Azzarderei che la risposta risieda nella domanda; sforzo applicato per superare la resistenza atmosferica.
È solo spinta statica (spinta trovata in un esperimento di laboratorio) penso @Everyone
Mentre è sottovuoto, c'è una differenza di pressione di 1 bar in più tra la camera di combustione e l'esterno. Non so quanto sia il contributo che dà.
Conduci questo esperimento mentale: prendi una bottiglia vuota, cioè piena di aria a 1 atmosfera. Metti un tappo. Rimuovi il tappo a) nel tuo soggiorno. b) nel vuoto. Cosa succederà in ogni caso?
Cinque risposte:
#1
+32
Tristan
2013-10-18 18:34:29 UTC
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La spinta del razzo è data dall'equazione

$$ F = \ dot {m} v_ {exit} + A_e (P_1 - P_2) $$

dove $ \ dot {m} $ è la portata massica, $ v_ {exit} $ è la velocità media del flusso di uscita attraverso il piano di uscita, $ A_e $ è l'area della sezione trasversale del getto di scarico sul piano di uscita, $ P_1 $ pressione statica all'interno del motore appena prima del piano di uscita e $ P_2 $ è la pressione statica ambiente ( ie pressione atmosferica).

A condizione che l'ugello non sia sovraespanso e la separazione del flusso non si verifica, $ A_e $ rimane costante e la differenza di spinta si realizza principalmente dalla variazione di $ P_2 $. Se l'ugello è sovraespanso al punto che si verifica la separazione del flusso, tuttavia, anche l'area del getto di scarico si riduce, causando ulteriori perdite.

Quindi, per dirla in parole povere, la spinta non ha bisogno di spingere contro la pressione dell'aria e forma una forma più ottimale?
Più o meno, è corretto.
@john3103 Tralascerei "e forma una parte di forma più ottimale". La considerazione principale è che nel vuoto non c'è pressione atmosferica che combatte la spinta del motore. È vero che questa contropressione cambia il rapporto di espansione ottimale, ma non è questo il motivo fondamentale per cui la spinta del vuoto è sempre maggiore della spinta a livello del mare.
Ho appena chiesto [Dall'equazione della spinta generale verso Tsiolkovsky, come spiegare l'abbandono dei termini lungo la strada?] (Https://space.stackexchange.com/q/31488/12102)
#2
+11
Hash
2013-10-18 21:02:05 UTC
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Oltre alla risposta di Tristan, vorrei aggiungere qualche altro punto

La spinta nel razzo è uguale a $ T = \ dot m V $ (supponendo che l'ugello del razzo stia funzionando alla sua condizione ottimale)

La spinta è una forte funzione della velocità di scarico

$$ V = \ sqrt {\ frac {2 \ gamma R _ {{} ^ {\ circ}} T _ {{} ^ {\ circ}}} {(\ gamma -1) \ mu} \ sinistra (1- \ sinistra (\ frac {P_e} {P_c} \ destra) {} ^ {\ frac {\ gamma - 1} {\ gamma}} \ right)} $$

Questa equazione fornisce la velocità di scarico del razzo

La velocità di scarico è una funzione di $ \ left (\ frac { P_e} {P_c} \ right) {} ^ {\ frac {\ gamma -1} {\ gamma}} $ e per il vuoto $ P_e $ è quasi uguale a zero quindi il termine sopra si riduce a zero quindi la velocità di scarico è massimo

Per il livello del mare il termine sopra non si riduce a zero quindi la velocità di scarico è minore rispetto a quella nel vuoto

Quindi la spinta nel vuoto è maggiore di quella in mare livello (all'interno dell'atmosfera)

Se il flusso è supersonico (come vorrebbe qualsiasi motore a razzo marginalmente accettabile), a meno che l'ugello non sia sovraespanso fino al punto di separazione del flusso, il flusso all'interno dell'ugello non avrebbe modo di "sapere" quale sia la pressione ambiente. $ P_e $ sarà solo una funzione della forma dell'ugello e delle condizioni di flusso a monte. Questo è il motivo per cui i motori del primo stadio non funzionano così come i motori dello stadio superiore ad altitudini elevate: il flusso è sottoespanso e qualsiasi espansione dopo che il flusso lascia l'ugello non contribuisce alla spinta.
@Tristan quando il flusso è sovraespanso o sottoespanso si verifica uno spreco di spinta a causa della formazione di onde d'urto (sia oblique che ondate di espansione) che creano contropressione e riducono la velocità del flusso (aumentare la pressione stagnante) aumentando così l'energia termica ma questo non avviene nel vuoto anche quando il flusso supersonico
#3
+5
Uday Hiwarale
2013-11-01 00:11:18 UTC
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Ci sono molte ragioni per questo ...

  1. Una è la resistenza atmosferica che è molto evidente
  2. L'espansione dei gas passati dall'uscita dell'ugello è molto importante in decidere la spinta prodotta. In atmosfera normale, la pressione del gas all'uscita è negativa e quindi l'ugello è sottoespanso, il che produce una spinta minima. Nel vuoto, è sovra-espanso che produce una maggiore spinta.
#4
+2
David H Parry
2015-01-18 00:35:48 UTC
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Efficienza della campana del motore all'estremità dell'ugello.

La forma a campana consente al gas di espandersi ma questa forma è solitamente sintonizzata per la regione in cui opera il motore , vale a dire bassa quota + aria densa o alta quota + aria più rarefatta.

La forma a campana di solito è un compromesso, poiché man mano che il razzo sale l'aria si assottiglia. Allora cosa è meglio? Efficienza a bassa quota che peggiora man mano che il razzo sale sempre più in alto ... o bassa efficienza che migliora? Il progettista della missione e il progettista del motore l'hanno capito negli anni '50!

I motori funzionano meglio quando non c'è aria per la spinta del gas in espansione, sprecando spinta, ovvero " nello spazio ".

#5
+1
Travis Bear
2014-03-31 05:22:52 UTC
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Non sono sicuro che la premessa della domanda - che tutti i motori a razzo forniscono più spinta nel vuoto - sia corretta.

Una caratteristica di progettazione dei motori aerospike è che superano proprio questo problema, per fornire livelli quasi uniformi di spinta sia dentro che fuori l'atmosfera. Per quanto ne so, non hanno mai volato per missioni orbitali, ma sono stati costruiti e sparati ampiamente su banchi di prova e modelli più piccoli hanno volato per i test.

Il grafico alla fine di http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/compensation.shtml come indicato nel tuo link mostra che la spinta aumenta nel vuoto per gli aerospike (e anche per gli ugelli ideali teorici), quindi sembra la differenza è solo mitigato, non eliminato.
Il J2 è un esempio migliore di un motore che ha meno prestazioni in SL rispetto al vuoto. Vedi ad es. https://en.wikipedia.org/wiki/Rocketdyne_J-2 o https://space.stackexchange.com/questions/3693/why-the-huge-thrust-difference-between-a-sea-level-and- motore-vuoto-j-2


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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