Ограничивающие факторы тяги ЖРД

Каковы ограничения для широко распространенных в настоящее время ЖРД 1-й ступени, каковы факторы, ограничивающие их суммарную тягу? Почему вы не можете просто впрыскивать все больше и больше топлива в двигатель того же размера, например, для увеличения тяги ??

Под ограничениями я подразумеваю наибольшие факторы, мешающие этим двигателям производить большую тягу. Я бы предположил, что это что-то вроде нагрева двигателя или скорости, с которой топливо может сгорать / проходить в камеру сгорания.

Не могли бы вы также объяснить, как эти факторы ограничивают создаваемую тягу?

Вы имеете в виду ограничение по тяге каждого отдельного двигателя в отдельности или ограничение по суммарной тяге всех двигателей вместе на первой ступени?
Я имел в виду один двигатель, однако хотелось бы услышать и об ограничениях по суммарной тяге всех двигателей.
Хорошо, это имеет смысл. Может быть, немного отредактировать свой вопрос, чтобы там было понятнее, в том числе и в заголовке? Таким образом, когда люди прочитают вопрос в будущем, у них будет лучшее представление о том, что они могут найти здесь. Также добро пожаловать в SX SE!
Вы можете упомянуть, почему вы уделяете особое внимание тяге, хотя это может быть и не обязательно; учитывая очень широкий диапазон возможных тяг, включая Сатурн V, это не самый очевидный тип ограничений, которые есть у жидкого топлива.
Я где-то читал, что практические ограничения для двигателя примерно в 1,5 раза превышают тягу F-1 из-за стабильности сгорания. Отвечу, как только найду ссылку.
Говорят, что двигатель М-1 является « самым большим и мощным жидкостным ракетным двигателем на жидком водороде, который был спроектирован и протестирован », и в этой статье есть целая куча ссылок. Вы можете взглянуть на этот , этот и этот ответ, где он упоминается в дискуссиях о больших ракетах.
Я не спрашиваю конкретно о том, что ограничивает размеры ракетных двигателей, хотя меня это все равно интересует. Мне больше интересно узнать, что ограничивает жидкостные двигатели обычного размера от создания большей тяги. Почему нельзя просто впрыскивать все больше и больше топлива в двигатель того же объема?
Я думаю, что это действительно хороший вопрос - было бы полезно, если бы вы переместили этот комментарий в сам вопрос. Теперь я лучше понимаю, что означает фраза "F9 и в основном все ракеты в настоящее время". Что-то вроде «Что касается широко используемых в настоящее время ракетных двигателей на жидком топливе, какие факторы ограничивают их общую тягу — почему вы не можете, например, просто впрыскивать все больше и больше топлива в двигатель того же размера ?»
Спасибо за идею и помощь в разъяснении того, что я имел в виду. Сообщество здесь действительно отличное!

Ответы (3)

Чтобы быстрее перемещать больше топлива в камеру сгорания, увеличивается давление в камере; для этого требуется более крупный и мощный турбонасос.

Трудно спроектировать турбонасосы высокого давления и большого объема - большинство проблем, возникающих при разработке главных двигателей космического шаттла, были отказами насосов, некоторые из которых были катастрофическими. Есть некоторые ужасающие цифры, связанные с SSME - насосы каждого двигателя, вращающиеся со скоростью около 30 000 об / мин, производят около 100 000 л.с. механической мощности только для перемещения топлива. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_main_engine#Turbopumps )

Серия SpaceX Merlin, хотя и использует гораздо более консервативную конструкцию насоса, по-прежнему, вероятно, ограничена насосами; они хотят иметь возможность повторно использовать эти двигатели в течение длительного времени без капитального ремонта, необходимого для SSME, поэтому они не могут рисковать повреждением насосов, приводя их в действие слишком сильно.

В какой-то момент легче повысить производительность, сделав двигатель большего размера и с более низким давлением. Доведенный до предела, этот подход дает вам Sea Dragon — чрезвычайно большой, мощный двигатель низкого давления. Насколько реально было бы создать двигатель Sea Dragon с учетом сегодняшних технологий?

Если единственным ограничением тяги является скорость, с которой турбонасосы могут нагнетать топливо в камеру сгорания, то почему бы им не использовать огромные турбонасосы F1 для двигателей Merlin для увеличения тяги?
Это не единственное ограничение; согласно Гоббсу, температура и давление также являются факторами. Турбокомпрессор F-1s, вероятно, весит больше, чем весь двигатель Merlin. Вы быстро приближаетесь к ситуации «почему бы не поставить двигатель Ferrari в Honda Civic».
Если вы не масштабируете сам двигатель (сопло и камеру сгорания) с расходом топлива, вы будете быстро терять ISp, так как все большее расширение газа происходит вне двигателя - энергия тратится на газ, расширяющийся вбок, вместо того, чтобы толкать двигатель. двигатель. И если продолжать увеличивать размер камеры сгорания, вскоре появятся проблемы со стабильностью горения. По этой причине может быть выгодно использовать более мелкие сопла, даже если они питаются от одного и того же насоса (например, «Союз»).

На ум приходят несколько вопросов:

  1. Температура и давление в камере сгорания (достаточно их увеличить, и стенки деформируются или расплавятся). Можно уменьшить охлаждением стенок камеры.

  2. Нестабильность горения: чем больше двигатель, тем больше у вас шансов получить нестабильность. Это было большой проблемой при разработке двигателя F-1 (первая ступень Saturn V). Проблема была решена путем большого количества испытаний различных конфигураций форсунок.

  3. Плотность впрыска. Более высокое давление требует большего количества топлива, поэтому вам нужно больше форсунок, пока большая часть стенки камеры не будет состоять из отверстий для форсунок.

Инжектор F-1 должен был иметь то, что было описано как «чрезвычайно высокая плотность впрыска», примерно 5 фунтов топлива на квадратный дюйм в секунду.

Спасибо за ответ! В качестве дополнительного вопроса, будут ли эти факторы также ограничивать меньший двигатель, производящий большую тягу? Если, например, вы просто впрыснете больше топлива в двигатель Merlin, какой фактор, скорее всего, вызовет отказ? Будет ли стабильность горения по-прежнему вероятной?
В двигателях меньшего размера вас, вероятно, будут ограничивать температура/давление.
Если рассуждать простодушно, я бы предположил, что маленький двигатель, имеющий большую площадь поверхности по отношению к объему, мог бы на самом деле управлять температурой и давлением лучше, чем большой, если бы он был спроектирован для этого. Но что касается вопроса о существующем двигателе - может случиться так, что сгорание будет неполным - может быть труднее получить достаточное время реакции до того, как у него лопнет сопло.
Можете ли вы дать мне ссылку на какие-либо статьи с доказательствами этого?
@BorisDeletic Я не добавлял ничье имя - я думаю, что оно адресовано Гоббсу, написавшему этот ответ. Я думаю, что и для смешивания (на молекулярном уровне), и для возгорания требуется время, и если вы втолкнете материал слишком быстро, он просто взорвет другой конец и прореагирует позже. Это просто предположение/комментарий.
В меньшем двигателе большая часть топлива будет сгорать вне двигателя...

В конечном итоге существует предел общей доступной энергии. В фунте водорода и кислорода (или любого другого топлива) содержится очень много калорий. Ракеты на самом деле являются чрезвычайно эффективными двигателями, превращающими в движение больше скрытой энергии, чем большинство двигателей. (Хотел бы я иметь цифры.) Вот почему некоторые люди утверждают, что нам нужны ядерные ракеты, плотность энергии выше на порядок.

Это ограничивает удельный импульс, но не тягу.
Ограничивающие факторы тяги ЖРД
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v