Почему двигатели CH4CH4\text{CH}_4 (Raptor) выделяют меньше сажи, чем двигатели RP-1 (Merlin)?

На двигателе SpaceX Merlin , работающем на RP-1 и LOX, видна сажа после приземления первой ступени. Во многих статьях в Интернете говорится, что двигатель SpaceX Raptor , который сжигает метан и LOX, чист. Ремонт проще, так как он не производит копоти.

Общая формула полного сгорания углеводородов:

Углеводородное топливо + окислитель → СО 2 + ЧАС 2 О

Почему двигатели CH 4 ( Raptor ) производят меньше сажи, чем двигатели RP-1 ( Merlin )?

Я думаю, это потому, что Merlin работает с большим количеством топлива, поэтому не все RP-1 полностью сгорают с LOX во время сгорания, у него соотношение смеси 2,34 по сравнению со стехиометрическим соотношением 2,58-2,77, в то время как соотношение смеси Raptor составляет 3,6 по сравнению со стехиометрическим соотношением 4,0. Другая идея может заключаться в том, что выхлоп газогенератора, чрезвычайно богатый топливом, откачивается прямо за борт, чтобы сажа и несгоревшее топливо могли скапливаться на двигателе.
@fasterthanlight согласен насчет выхлопа GG, хотел упомянуть об этом.
@fasterthanlight Я совсем забыл о соотношении компонентов смеси, спасибо, что напомнили.
Мир был бы намного, намного проще, если бы углеводороды всегда сгорали только в CO2 и H2O.
@fraxinus Многие люди проголосовали бы за C + H2O в качестве продуктов сгорания: их гораздо легче улавливать и изолировать.

Ответы (3)

Как отмечает GandalfDDI, вы всегда запускаете свой двигатель с большим количеством топлива, поэтому он не запускается с большим количеством топлива. Это приводит к неполному сгоранию топлива.

Метан представляет собой один атом углерода, связанный с четырьмя атомами водорода. Сожгите его с недостаточным количеством кислорода, и вы получите гидроксильные радикалы и угарный газ. В конечном итоге они реагируют с атмосферным кислородом с образованием углекислого газа и водяного пара.

RP-1 представляет собой смесь длинноцепочечных углеводородов, где цепочка атомов углерода окружена атомами водорода. Сгорая с недостаточным количеством кислорода, он производит те же гидроксильные радикалы и монооксид углерода, что и метан, но также производит фрагменты цепи из чистого углерода. Они прилипают друг к другу и к ракете, образуя сажевые отметины, которые вы видите на повторно используемых ускорителях Falcon 9.

Но метан CH4 горит без сажи, а ацетилен C2H2 может гореть с сажей. Вот почему ацетилен можно использовать для освещения, а метан нельзя.
@Uwe - RP-1 имеет ~ 12 атомов углерода, поэтому неполное сгорание всего одной молекулы дает хорошее ядро ​​​​сажи, которое может очищать другие несгоревшие частицы и образовывать с помощью всего нескольких межмолекулярных столкновений что-то довольно большое.
Работа с обогащением кислородом существует на РД-180/181, унаследованном от семейства двигателей Кузнецова.
@Puffin, у РД-180 есть камера сгорания, обогащенная кислородом, но, насколько я могу судить, камера сгорания / сопло богаты топливом.
Довести метан до копоти можно даже в кухонной плите. Просто это намного сложнее, чем для более длинноцепочечных углеводородов (бензин, дизель, керосин, RP1), которые, как правило, предпочитают образовывать сажу.
Помимо работы с высоким содержанием топлива во время нормальной работы, вы также хотите выключить двигатели, не вызывая возгораний/взрывов. По мере того, как турбонасосы останавливаются, смесь топлива и окислителя будет плохо контролироваться. Имеет смысл ошибиться в сторону остановки окислителя немного быстрее, чем топлива: пламя, богатое топливом из-за остаточного топлива, может быть подавлено газом CO2 / N2 / аргоном, лишая пламя кислорода. И огонь, богатый окислителем, труднее подавить.
@Mark Пожалуйста, поправьте меня, если я ошибаюсь, хотя я понимаю, что соотношение смеси 2,7 означает, что бустер буквально несет гораздо больше Lox, чем керосин, и что любой избыток окислителя выше стехиометрического должен проходить через камеру, поскольку это скорее конструкция ступенчатого сгорания. чем газогенератор. (что такое стехиометрия на самом деле, это другой вопрос, мне неясный для этой комбинации пороха)
@Puffin 2.7 - типичная богатая топливом смесь для ракетных двигателей керосина / LOX. Стехиометрическое составляет около 3,4-3,5.
Опечатка: я думаю, что «богатый двигателем» в первой строке ответа должен был быть «богатым кислородом».
@Pere Слишком много окислителя, и вы начнете сжигать свой двигатель.
Работают ли двигатели, изготовленные из керамического материала, с высоким содержанием кислорода?

Как объяснил мне (тщательно и подробно) инженер Rocketdyne, вы ВСЕГДА запускаете ракетные двигатели с высоким содержанием топлива. Если вы работаете на обедненной смеси, окислитель смотрит на металлические части двигателя (помните, что двигатели обычно работают ОЧЕНЬ горячо) и говорит: «О… Смотри, металл. Источник топлива», и начинают происходить плохие вещи. То же самое с другими частями, которые могут вступить в непосредственный контакт с окислителем, больше топлива.

RP-1 в основном является производным нефти, очень близким к керосину, поэтому, будучи богатым топливом, несгоревший выход пламени частично / не полностью сгорает, а кислород в атмосфере сжигает богатый выход топлива, по линиям дыма дизельного топлива является несгоревшим углеродом от дизельный двигатель: https://en.wikipedia.org/wiki/RP-1

"... Еще один источник топлива." Хорошо для смеха
Вы так и не ответили, почему РП-1 дает больше сажи.
Я все еще не думаю, что это действительно доходит до сути. Также знал ли этот инженер Rocketdyne о НК-33 / РД-180 и т. Д., Которые используют обогащенную кислородом ступенчатую камеру сгорания RP1 / LOX?
@GandalfDDI: Возможно, вы захотите отредактировать свой ответ, включив в него свой предыдущий комментарий, который напрямую отвечает на вопрос в сочетании с тем, что вы опубликовали.
Это не "Другой источник топлива". Вместо этого это просто «Другое топливо». По крайней мере, на одном звездолете или, возможно, на F9 серии неудачных посадок можно увидеть зеленое пламя - хороший намек на горение медного сплава.
@ Puffin RD-180, согласно Википедии, только камера предварительного сжигания богата окислителем.
@Ashvin, пожалуйста, посмотрите мой ответ на ту же тему в ветке комментариев к ответу Марка.
Еще одна важная причина для работы двигателей с богатым топливом заключается в том, что при неполном сгорании образуются более мелкие молекулы (CO вместо CO₂, некоторое количество H2 остается несгоревшим), которые создают большую тягу по сравнению с более крупными молекулами, поэтому обогащенное топливо просто более эффективно. Раптор и некоторые российские двигатели ступенчатого внутреннего сгорания работают на обогащенных кислородом форсажных камерах, так что проблема горения металлов решаема, по крайней мере, для форсажных.
Маск заявил в интервью Everyday Astronaut, что Raptors на самом деле работают с высоким содержанием кислорода, потому что LOX значительно дешевле, чем LCH4. Он явно был измотан во время этого интервью, поэтому я хотел бы получить письменное подтверждение, чтобы быть уверенным. Он также сказал IIRC, что разница в стоимости топлива стоила небольшого удара по Isp из-за работы с кислородом, а не с топливом (но я менее уверен в своей памяти здесь; он мог говорить о попадании Isp из немного более широкое горло).
Есть двигатели, работающие на окислителе. Американцы не поверили своим глазам, когда впервые увидели российские двигатели, которые делают именно это.

CH₄ содержит относительно больше H, чем C 12 ЧАС 26 (типичная молекула RP-1). В CH₄ атомное соотношение C:H составляет 1:4, а в C 12 ЧАС 26 это близко к 1:2. Таким образом, в двигателях РП-1 просто больше С, который может циркулировать и образовывать сажу.

Другая причина – вероятность реакции. Сажа представляет собой слипшиеся пучки атомов углерода. Если все атомы углерода вначале разделены, как в случае CH₄, где каждая молекула содержит только один C, вероятность того, что многие атомы C соединятся вместе, не сгорая, будет намного меньше, чем когда вы начинаете с C 12 ЧАС 26 молекула с 12 атомами C, поэтому я ожидаю, что вы получите более мелкие частицы сажи.

Почему двигатели CH4CH4\text{CH}_4 (Raptor) выделяют меньше сажи, чем двигатели RP-1 (Merlin)?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v