Оказывает ли давление в камере одинаковое влияние на ISP для разных типов двигателей?

Из этого ответа я понимаю, что более высокое давление в камере означает более высокий ISP, но всегда ли это так для аналогичных двигателей ? Например:

  • Я заметил, что многие двигатели верхней ступени имеют довольно низкое давление в камере сгорания (например, около 40 бар). Может в вакууме давление в камере не так важно?
  • Кажется, что давление в камере важно для двигателей с раструбным соплом. Это так же важно для других конструкций насадок, например, для аэрошпилей?

Под подобными двигателями я подразумеваю:

  1. Двигатели, использующие одно и то же топливо
  2. Двигатели с одинаковым массовым расходом
Беглый взгляд на таблицу ракетных двигателей en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_orbital_rocket_engines в Википедии скажет вам, что этот ответ слишком упрощен, мягко говоря. Raptor при 300 бар и Isp 350 против SSME при 200 бар и Isp 450 — довольно яркий контрпример.
См. также researchgate.net/figure/… «В то время как изменения давления в камере сами по себе имеют лишь незначительное влияние, то есть увеличение в шесть раз дает лишь незначительное (около 0,1%) увеличение производительности, лишь незначительное увеличение скорости сгорания КПД (на 1% с 0,96 до 0,97) дает уже прирост производительности примерно на 1%.
@OrganicMarble - насколько я понимаю, Raptor и SSME нельзя сравнивать напрямую, поскольку они используют разное топливо. Но будет ли SSME при 300 бар лучше, чем при 200 бар? И точно так же Raptor при 200 бар будет намного хуже?
Да, я думаю, что это ключевой момент — это, вероятно, верно для подобных двигателей . Не "абсолютно верно". Но когда вы меняете давление в камере, вы поддерживаете постоянный массовый расход?? Как насчет температуры в камере?? Вот это: space.stackexchange.com/q/12133/6944 , но массовый расход не постоянен.
@OrganicMarble - имеет смысл. Я немного изменяю вопрос, чтобы сделать его более ясным.
О двигателях разгонного блока, имеющих более низкое давление в камере. Частично это связано с крайней необходимостью экономии массы на разгонном блоке. Более низкое давление в камере делает камеру сгорания несколько легче, а турбонасосы намного легче. Уменьшение сухой массы вполне может компенсировать довольно небольшую потерю производительности из-за более низкого давления. Двигатель с более низким давлением также имеет тенденцию быть более надежным просто из-за меньших усилий, приложенных к камере, насосам и водопроводу.

Ответы (2)

Вероятно, в этом уравнении есть соответствующий термин, который я беззастенчиво украл со страницы википедии, посвященной соплам де Лаваля :

в е "=" Т р М ⋅ 2 γ γ − 1 ⋅ [ 1 − ( п е п ) γ − 1 γ ]

и этот термин п е / п , отношение давления выхлопа на выходе из сопла к давлению в камере (более или менее). Другие термины в данном контексте не представляют особого интереса, поэтому я спокойно их проигнорирую, и надеюсь, вы тоже.

При прочих равных повышение п действительно увеличит вашу скорость выхлопа и, следовательно, ваш I sp . Существует очевидный жесткий предел, потому что часть уравнения в квадратных скобках не поднимется выше 1, но даже до этого заключающийся в нем квадратный корень означает, что большое увеличение давления будет иметь более скромное влияние на скорость выхлопа и, таким образом, будет служить только для расстроить ваших инженеров. Поэтому вы выбираете самое высокое практическое давление в камере, которое соответствует давлению окружающей среды в предполагаемой рабочей среде.

Очевидно, если п е очень низкий, потому что у вас есть хорошее ракетное сопло, работающее в вакууме, п не обязательно должно быть очень высоким, и, по-видимому, это сделает всю остальную инженерию намного проще, если это не так.

Я понятия не имею об аэроспайках.

Отличный ответ! Не хватает только аэрошипов. Поскольку это не сопла де Лаваля, я предполагаю, что это уравнение неприменимо (по крайней мере, не таким же образом), но было бы здорово получить за ним некоторую интуицию.
@irakliy Я не получаю много полезной информации об аэродинамических шипах, но я предполагаю, что их поведение не сильно отличается ... у них, похоже, довольно схожие рабочие параметры, только с гораздо более широким диапазоном допустимого давления окружающей среды. Это одно и то же топливо, вырабатывающее ту же энергию и отдающее ее тем же видам выхлопных газов и, в конечном итоге, развивающее один и тот же пик Isp. Я думаю, что в этом случае это более или менее можно помахать рукой, поскольку оно «достаточно близко».
Некоторые графики отсюда и отсюда наводят меня на мысль, что производительность двигателей с аэродинамическими шипами не так сильно зависит от давления в камере, как у двигателей с колоколообразным соплом. Например, вы могли бы иметь эффективный аэродинамический двигатель на уровне моря при 40 бар, в то время как это, вероятно, не относится к двигателям с раструбным соплом. Но я не могу сказать, что полностью понимаю все данные по ссылкам, и могу ошибаться в этом.
@irakliy тяга двигателя все же скорее зависит от давления в камере. Вы можете уйти с более низким давлением в камере для аэрошпиля, потому что коэффициент тяги сопла намного лучше, чем у обычного сопла с колоколом. Я пытаюсь отследить рабочие параметры J-2T, так как они действительно легко сопоставимы с другими членами семейства J-2, но они оказываются неуловимыми...
@irakliy Обратите внимание, что для Aerospike главное отличие состоит в том, что это p_e = p_ambientне константа. Они получают дополнительные потери, p_ambient < p_designно главное преимущество заключается в том, что они не страдают от потери тяги, связанной с расширением. Сравнивая их, нужно учитывать различия p_eи, следовательно, всю симуляцию боя.
@Christoph - так сделает ли это сопла с аэродинамическими шипами более или менее чувствительными к давлению в камере по сравнению с соплами с колокольчиками?
@irakliy в некотором роде меньше. Они по-прежнему будут страдать от плохой степени расширения (см. график под пунктом 2 моего ответа, он должен быть действителен для обоих при взлете), но когда они покидают атмосферу, Isp будет увеличиваться больше, чем для колоколообразных сопел по мере увеличения степени расширения. из-за того, что он меньше сдерживается давлением окружающей среды.

Возможно, наступит другой день, когда я опубликую ответ, не используя cpropep , но это точно не тот день.

Мы можем рассмотреть эту проблему с разных точек зрения (это относится только к раструбным соплам):

1. Увеличение А е / А т при том же размере сопла

Плотность идеального газа равна м В "=" п ⋅ М р ⋅ Т . Это означает, что более высокое давление увеличивает плотность и, следовательно, массовый расход на единицу площади через горловину. Меньший А т час р о а т приводит к большему коэффициенту расширения для того же размера сопла. Более высокое давление в камере смещает равновесие (см. 3.) и повышает температуру и, следовательно, в с о н я с "=" γ ⋅ р ⋅ Т М что увеличивает поток в горловине, но также снижает плотность, так что в целом повышенная температура оказывает негативное влияние в этом отношении, и изменение по-прежнему остается почти линейным, поскольку Т почти постоянно.

На следующем графике показан вакуум Isp для различных давлений в камере при той же длине сопла и диаметре на выходе, что и у сопла с п "=" 40   б а р , А е _ А т   (дизайн) "=" 7.7   р е с п .   70 и длина "=" 0,5 ⋅ длина полноразмерного сопла (что бы полностью выровнять поток). «0,5» дает длину, которая почти соответствует «классической» 85-90% длины конуса 15 градусов. Это представляет изменение Isp для типичного двигателя нижней/верхней ступени при постоянной массе сопла.

Isp в зависимости от давления в камере при постоянной длине и диаметре сопла

Обратите внимание, что А е _ А т по сюжету правда А е / А т после обрезки 50% всей длины сопла. Найдите данные на plot.ly .

Сопла и результирующий Isp (включая потери косинуса из-за неполного выпрямления) были рассчитаны с помощью инструмента, который я написал в последние дни и который реализует алгоритм из « Концепции сверхзвукового осесимметричного сопла минимальной длины при высокой температуре с применением для воздуха» - Зеббиш, Туфик. Единственное отличие от статьи состоит в том, что я расширил ее, чтобы также учитывать смещение равновесия с использованием cpropep.

В качестве топлива используется жидкий кислород и пропан (оба при 85 К) с массовой долей 2,8 О 2 : С 3 ЧАС 8 просто потому, что это то, что меня в настоящее время интересует. Оно должно быть достаточно репрезентативным для большинства углеводородов.

2. Увеличение А е / А т при том же давлении на выходе

Для двигателей первой ступени степень расширения ограничена давлением на выходе из сопла из-за отрыва потока. Для этого графика мы используем то же топливо, что и выше, а в качестве эталонного давления мы используем давление на выходе из форсунки с А е _ А т ( т р ты е ) "=" 16 и п с час а м б е р "=" 97   М п а (соответствует Мерлину 1D).

Isp в зависимости от давления в камере при постоянном давлении на выходе из сопла

Можно ясно видеть, что это имеет огромное значение для бустерных двигателей. Кроме того, обратите внимание, что А е / А т поднимается гораздо менее линейно по сравнению с графиками постоянного размера сопла.

3. Увеличенная температура камеры повысит эффективность при постоянном А е / А т

Я добавлю сюжет и для этого, но кодирование + вычисление это, вероятно, еще несколько часов, и я не уверен, что найду на это время сегодня.

Если у вас есть идеи для более интересных сюжетов или вам нужны сюжеты насадок или доступ к исходному коду, пожалуйста, дайте мне знать. Исходный код все еще довольно запутан и может быть изменен, но я готов поделиться им под лицензией MIT.
Оказывает ли давление в камере одинаковое влияние на ISP для разных типов двигателей?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v