Почему двигатели с подачей топлива под давлением имеют нестабильность сгорания?

Читая об идее морского дракона, я наткнулся на этот аргумент против нее , который звучит убедительно, но опирается на более подробные знания, чем у меня есть:

Они должны быть под давлением, чтобы избежать «сложности». Сложность? Как насчет нестабильности горения из-за неуправляемых волн давления размером с дом? Потребовалось семь лет, чтобы проблемы со сгоранием не убили F1 на испытательных стендах, и если бы он не был начат в конце пятидесятых как исследовательский проект, это задержало бы всю лунную программу.

Насколько я знаю, у Морского Дракона будет мешок с гелием под давлением около 60 фунтов на квадратный дюйм, который действует как толкатель криогенных жидкостей в двигатель. Кажется совершенно нелогичным, что это будет иметь больше механических проблем, чем система с турбинным приводом.

Почему это? Что заставляет удивительно простой двигатель, работающий от давления, страдать от серьезных нестабильностей давления, распространяющихся от двигателя?

Просто как ссылка и рекомендуемое чтение из прошлых дней: Harrje, Reardon (1972) - НАСА SP-194 Нестабильность горения жидкостной ракеты.
Интересно отметить, что «нестабильность горения» варьируется от небольшой вибрации до весьма занимательных, но опасных и дорогостоящих взрывов. Очень хороший вопрос!
Алан, F-1 и J-2 питались насосом. Вы думаете о двигателях SM и LM .
Двигатель с подачей под давлением, работающий при давлении 60 фунтов на квадратный дюйм, будет иметь довольно слабую тягу. Думайте о сотнях фунтов на квадратный дюйм, если намерение состоит в том, чтобы использовать его для ракеты-носителя. Большинство продувочных систем с подачей под давлением хранят давление в тысячах фунтов на квадратный дюйм.
Другая ссылка: нестабильность горения жидкостного ракетного двигателя. Вигор Янг, Уильям Андерсон (редакторы). АИАА № 169, 1995 г.
@AdamWuerl: речь идет о подаче топлива в камеру сгорания под давлением, а не о давлении, действующем как прямое топливо. Подача жидкого водорода и кислорода под давлением 60 фунтов на квадратный дюйм в камеру, где они бурно реагируют и обеспечивают реальную тягу, кажется второстепенной задачей.
@СФ. Эм, нет. Не так работают ракетные двигатели. Топливо в камере сгорания должно находиться под высоким давлением. Камера не герметична, поэтому процесс сгорания не увеличивает давление, как в двигателе внутреннего сгорания. Сгорание увеличивает температуру, что обеспечивает энергию, которая превращается в скорость за счет расширения через сопло, но без давления ничего из этого не работает. Камера сгорания питается от источника высокого давления или накапливается при низком давлении и накачивается. 60 фунтов на квадратный дюйм, вероятно, давление подачи на турбонасосы.
@AdamWuerl Я думал, что реакция увеличивает давление внутри конуса, но это не распространяется обратно, потому что поток забит. Но может быть много чего я не понимаю. Я также думал, что Saturn V использовал аналогичный толкающий шар с гелием на 60 фунтов на квадратный дюйм. Возможно, это стоило бы изучить.
@AdamWuerl: Если уже есть давление, зачем столько тепла? Я мог бы понять противодействие падению температуры при расширении материала под давлением, чтобы предотвратить замерзание всего этого, но обычно одна только температура не преобразуется в скорость (иначе Солнце летело бы очень быстро), она может просто увеличить энергию газа, либо расширяя его, либо увеличивая его давление (а газ, расширяющийся из открытой камеры, будет создавать тягу против направления сопла). Тем не менее, для этого вам не нужно тепло, достаточно холодного газа под давлением.
@СФ. и AlanSE. Это достаточно хорошие вопросы, я думал, что они заслуживают отдельной ветки: Почему жидкостные двигатели с насосом и подачей под давлением должны работать при высоком давлении?
Я люблю это обсуждение. Я также задавался вопросом о возможности создания Морского Дракона. В своих блужданиях я обнаружил, что двигатель SpaceX Kestrel, используемый на разгонном блоке Falcon 1, имел цапфовую конструкцию и также питался под давлением (без турбонасоса). Тем не менее, он производил только чуть менее 7000 фунтов тяги. Но Морскому Дракону потребовался бы двигатель в 10 000 раз больше. У него было отношение тяги к массе 65:1, так что двигатель сам по себе весил бы более миллиона фунтов. Это, конечно, при условии идеально линейного масштабирования, чего на практике не происходит.

Ответы (2)

В ракетных двигателях с подачей под давлением топливо (как окислитель, так и топливо) подается в камеру сгорания сжатым газом (обычно гелием) и не содержит никаких сложностей, таких как насос с подачей топлива или турбонасосы.

введите описание изображения здесь

Наличие турбонасоса предотвращает попадание волны давления в топливный бак. Но в ракетном двигателе с питанием от давления содержится только клапан, который открывается и закрывается под давлением.

Клапан открывается , если давление в камере сгорания меньше, чем давление в топливном баке (который имеет толстые стенки, потому что они должны выдерживать высокое давление) .

Клапан закрывается , если давление в камере сгорания превышает давление в топливном баке (чтобы предотвратить попадание волн давления в топливный бак).

с прямым циклом подачи давления заключается в том, что любое изменение давления приведет к двойному изменению во всем контуре, усиливая колебания. Между форсунками и контейнерами нет турбины, чтобы остановить распространение этих колебаний.

В процессе сгорания давление в камере сгорания увеличивается (скорость потока уменьшается), в то же время количество топлива, впрыскиваемого из форсунки, уменьшается, и внезапно скорость потока увеличивается (давление в камере сгорания уменьшается), форсунки впрыскивают больше топлива, которое сгорает снаружи. сопло.

Теоретически время пребывания топлива в камере сгорания определяется характеристической длиной (обычно обозначаемой L *) (минимальная длина, на которую топливо остается в камере сгорания и сопле для полного сгорания).

л * знак равно д * В * т с А

q — массовый расход топлива, V — средний удельный объем, т с - время пребывания пороха А - площадь звукового горла

таким образом, расход топлива зависит от разницы давлений между камерой сгорания и топливным баком, и поскольку расход топлива увеличивается в результате низкого давления (по сравнению с давлением в топливном баке) в камере сгорания характерная длина также увеличивается (поскольку длина сопла остается постоянной) приводит к неустойчивости горения топлива и сгорание происходит вне сопла

Проблема с Sea Dragon и нестабильностью давления заключается в том, что вероятность нестабильности давления возрастает экспоненциально по мере линейного увеличения размера камеры сгорания и диаметра сопла. Колокол Sea Dragon должен был быть более 75 футов в диаметре и выдавать 350 меганьютонов силы (примерно на 5000% больше, чем у двигателя F-1). У F-1 были огромные проблемы со стабильностью горения, которые в конечном итоге были решены.

Truax не заботился о стабильности сгорания, потому что двигатель должен был быть инжекторным. Он считал, что стабильность естественного сгорания игольчатого инжектора позволит огромным двигателям быть очень стабильными при различных давлениях. (Переменное давление было ключевой частью его конструкции, потому что оно позволяло создать гораздо более простую и ненадежную систему, в которой давление сначала было высоким, а затем медленно снижалось по мере опустошения резервуаров.)

TRW (которая построила ракеты для посадочного модуля «Аполлон») позже подтвердила его убеждения . В этой статье они указывают, что игольчатые форсунки продемонстрировали стабильное сгорание с двигателями, масштаб которых изменяется на 50 000: 1. Так что Труакс, вероятно, был прав.

Интересно отметить, что у Советов была та же проблема со стабильностью горения, что и у нас. Вот почему в ранних советских двигателях использовались четыре камеры сгорания меньшего размера вместо одной большой. Неспособность Советов разработать большие двигатели привела к тому, что у N1 (их ракеты на Луну) было так много двигателей (на первой ступени, по-моему, 33). Что затем привело к огромным проблемам с сантехникой, что привело к отказу N1, что привело к провалу советской лунной программы.

Это хорошая информация (и документ TRW по ссылке отлично читается), но я скептически отношусь к тому, что поведение двигателей с игольчатым инжектором до 2900 кН многое говорит о том, что они будут делать при 120-кратном превышении этого уровня.
Даже если игольчатый инжектор не соответствует размерам морского дракона, это отличный ответ, показывающий, насколько дальновидным был Truax. Итак, было бы верно сказать, что нестабильность — это то, что делает притяжение к кластерам? Меня всегда удивляла сложность некоторых кластерных конструкций.
@WetSavannaAnimalakaRodVance: Конечно, чем больше двигателей, тем выше вероятность того, что хотя бы один из многих сделает что-то вроде взрыва, что приведет к другим формам нестабильности.
Кроме того, документ предложения Sea Dragon показывает, что выглядит как обычный инжектор насадки для душа в двигателе первой ступени; у вас есть ссылка на Truax с учетом инъекций иглы для SD?
Почему двигатели с подачей топлива под давлением имеют нестабильность сгорания?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v