Domanda:
In un razzo a combustibile criogenico, a quale pressione viene iniettato il carburante nel motore?
user39
2013-07-19 11:58:23 UTC
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La pressione nei motori principali dello Space Shuttle deve essere molto alta per far decollare il veicolo (con l'assistenza SRB, ovviamente). Con pressioni così elevate all'interno del motore, come si inietta il carburante nel motore? Capisco che il carburante viene fatto passare intorno al motore in modo che raffreddi l'ugello, in modo che lo scarico non lo fonda, quindi nel motore. Tuttavia ho sempre pensato che la pressione del carburante che entra nel motore dovesse essere maggiore della pressione esercitata dai gas di scarico. In tal caso, come fa lo Shuttle a pompare nei motori carburante ad alta pressione?

Tre risposte:
#1
+11
Adam Wuerl
2013-09-07 03:03:06 UTC
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L'SSME è un motore a razzo a combustione in fasi, il che significa che una piccola frazione del flusso di propellente nella camera di combustione principale viene prima deviata in un piccolo pre-bruciatore (due in realtà). Questi preburner bruciano (relativamente) piccole quantità di carburante e ossidante per produrre gas di scarico caldo che viene espanso attraverso una turbina, che è collegata meccanicamente a una pompa (quindi turbopompa), che viene utilizzata per fornire carburante ad alta pressione e ossidante alla rete principale Camera di combustione.

Il motore effettivo è significativamente più complicato di questo (anche in uno schema semplificato), ma questa è la premessa di base di qualsiasi motore alimentato a turbopompa: il gas caldo fa girare una turbopompa che pompa l'alimentazione principale del propellente e lo inietta nella camera di combustione. L'SSME ha molti altri piccoli dettagli, come le pompe ad alta e bassa pressione, e alimenta i gas di combustione nella camera principale, invece di sfogarli fuori bordo come fa l'RS-68.

Ma la conclusione è che l'OP ha ragione. La pressione è molto alta nella camera di combustione, si inietta propellente nella camera di combustione avendo una pressione ancora maggiore all'uscita delle turbopompe. Conservare nei serbatoi a una pressione inferiore, pompare con i turbo, quindi guidare il gradiente di pressione fino alla luce blu brillante all'estremità dell'ugello.

SSME schematic per gentile concessione di Wikipedia.

Se desideri una migliore comprensione del perché il propellente deve essere ad alta pressione in primo luogo.

Ecco un dettaglio sorprendente. Nella SSME, lo scarico sia della turbina del carburante che della turbina dell'ossidatore entra nella camera di combustione. Ciò significa che la pressione nei pre-bruciatori che azionano le turbine è molto più alta della pressione della camera di combustione principale. Allora come si inietta il carburante e l'ossidante nei preburner? Con pressione molto alta. In realtà ci sono 3 pompe ossidanti: bassa pressione, alta pressione e preburner.
#2
+10
Erik
2013-07-19 20:20:29 UTC
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Questo è complicato, ma ecco il succo:

La spinta è generata dal flusso di gas ad alta pressione in un ambiente a bassa pressione. Questo flusso è supersonico, quindi ciò che accade a valle della gola (parte superiore dell'ugello) non può essere rilevato da ciò che sta accadendo nella camera di combustione (il suono è solo un'onda di pressione). L'ugello è supersonico, la camera di combustione è subsonica. L'ugello espande il gas per creare l'alta pressione di ristagno richiesta, principalmente aumentando la velocità del gas. Nota che la pressione di stagnazione (il valore a cui stai pensando) non è solo la pressione statica, ma include anche una componente di velocità.

Quindi, in sintesi, lo Shuttle non devono pompare carburante e ossidante nel motore a combustione a una pressione superiore a quella all'uscita dell'ugello perché:

  • Nessuna informazione sulla pressione viene ritrasmessa dall'uscita dell'ugello alla camera di combustione a causa del supersonico flusso nell'ugello.
  • Gran parte della pressione di uscita dell'ugello (pressione di ristagno) deriva dalla velocità dei gas, velocità creata dall'espansione del flusso di gas supersonico.
  • Carburante e l'ossidante è pressurizzato tuttavia in una certa misura da turbopompe per assicurare un'erogazione positiva nella camera di combustione.

Spero che questo aiuti. La propulsione è un campo molto complicato.

Aggiornamento : La pressione della camera di combustione principale sulle SSME a piena potenza è di circa 3.008 libbre per pollice quadrato.

Quindi, la forza di reazione opposta viene esercitata sull'ugello non nella parte superiore della camera di combustione?
Sì, credo che la reazione di spinta passi attraverso le pareti dell'ugello. In effetti, è possibile controllare efficacemente la spinta di un ugello a razzo inducendo la separazione dello strato limite su un lato dell'ugello, ruotando così il vettore di spinta.
Wow, penso di aver capito. Vorrei poter ottenere modelli CAD del motore in modo da poterli stampare in 3D per insegnare ai bambini come funziona tutto questo.
Se hai una stampante 3D, forse questo ti aiuterà: http://www.3dcadbrowser.com/download.aspx?3dmodel=14607
L'ho fatto, l'ho fatto!
Non penso che sia del tutto corretto. La pressione nella camera di combustione deve essere maggiore della pressione nella campana dell'ugello altrimenti il ​​flusso di propellente attraverso la gola verrebbe invertito. C'è una costante perdita di pressione statica e di stagnazione dalle turbopompe al piano di uscita. Infatti, senza un significativo rapporto 2–3 × delle pressioni attraverso la gola, il flusso non si strozzerà affatto. Le turbopompe sulle SSME esistono proprio perché se non lo facessero il motore non produrrebbe effettivamente alcuna spinta.
Il flusso nell'ugello è supersonico, quindi nessuna informazione sulla pressione attraversa la gola dall'ugello. Ciò non significa che non hai bisogno di turbopompe, hai ancora pressione da superare nella camera di combustione.
#3
  0
Adam
2015-02-26 06:44:54 UTC
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Solo per aggiungere un po 'di prospettiva. La pompa turbo del carburante ad alta pressione funziona con una potenza di circa 69.000 HP e il bue è di 25.000 HP http://www.rocket.com/space-shuttle-main-engine. Quindi, il solo pompaggio di criogenia ad alta pressione richiede ~ 100.000 HP su ogni motore navetta. (Nell'ordine di 500-1000 motori di automobili)



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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