Questão:
Em um foguete de combustível criogênico, a que pressão o combustível é injetado no motor?
user39
2013-07-19 11:58:23 UTC
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A pressão nos motores principais do ônibus espacial deve ser muito alta para tirar o veículo do solo (com a ajuda do SRB, é claro). Com pressões tão altas dentro do motor, como você injeta combustível no motor? Eu entendo que o combustível é passado ao redor do motor para que resfrie o bico, para que o escapamento não o derreta, e depois para o motor. No entanto, sempre presumi que a pressão do combustível que entra no motor deve ser maior do que a pressão exercida pelos gases de escape. Em caso afirmativo, como o Shuttle bombeia combustível de alta pressão nos motores?

Trzy respostas:
#1
+11
Adam Wuerl
2013-09-07 03:03:06 UTC
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O SSME é um motor de foguete de combustão em estágio, o que significa que uma pequena fração do fluxo de propelente para a câmara de combustão principal é primeiro desviada para um pequeno pré-queimador (dois na verdade). Esses pré-queimadores queimam (relativamente) pequenas quantidades de combustível e oxidante para produzir gás de exaustão quente que é expandido por meio de uma turbina, que é mecanicamente conectada a uma bomba (portanto, turbobomba), que é usada para fornecer combustível de alta pressão e oxidante para o principal Câmara de combustão.

O motor real é significativamente mais complicado do que isso (mesmo em um esquema simplificado), mas esta é a premissa básica de qualquer motor alimentado por turbobomba: gás quente gira uma turbobomba que bombeia o suprimento principal de propelente e injeta-o na câmara de combustão. O SSME tem muitos outros pequenos detalhes, como bombas de alta e baixa pressão e alimentação dos gases de combustão de volta para a câmara principal - em vez de ventilá-los ao mar como o RS-68 faz.

Mas o ponto principal é que o OP está certo. A pressão é muito alta na câmara de combustão, você injeta propelente na câmara de combustão por ter uma pressão ainda maior na saída das turbobombas. Armazene nos tanques com pressão mais baixa, bombeie com os turbos e, em seguida, monte o gradiente de pressão até a luz azul brilhante no final do bico.

SSME schematic cortesia da Wikipedia.

Se você quiser um melhor entendimento de por que o propulsor precisa estar em alta pressão em primeiro lugar.

Aqui está um detalhe incrível. No SSME, a exaustão da turbina de combustível e da turbina do oxidante vai para a câmara de combustão. Isso significa que a pressão nos pré-queimadores que acionam as turbinas é muito maior do que a pressão da câmara de combustão principal. Então, como você injeta o combustível e o oxidante nos pré-queimadores? Com pressão muito alta. Na verdade, existem 3 bombas oxidantes: baixa pressão, alta pressão e pré-queimador.
#2
+10
Erik
2013-07-19 20:20:29 UTC
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Isso é complicado, mas aqui está a essência:

O empuxo é gerado pelo fluxo de gás de alta pressão em um ambiente de baixa pressão. Este fluxo é supersônico, então o que acontece a jusante da garganta (topo do bico) não pode ser detectado pelo que está acontecendo na câmara de combustão (o som é apenas uma onda de pressão). O bico é supersônico, a câmara de combustão é subsônica. O bico expande o gás para criar a alta pressão de estagnação necessária - principalmente aumentando a velocidade do gás. Observe que a pressão de estagnação (o valor em que você está pensando) não é apenas pressão estática - ela também inclui um componente de velocidade.

Então, em resumo, o ônibus espacial não tem que bombear combustível e oxidante no motor de combustão a uma pressão mais alta do que na saída do bico porque:

  • Nenhuma informação de pressão é transmitida de volta da saída do bico para a câmara de combustão devido ao sistema supersônico fluxo no bico.
  • Uma grande parte da pressão de saída do bico (pressão de estagnação) vem da velocidade dos gases - velocidade criada pela expansão do fluxo supersônico do gás.
  • Combustível e o oxidante é pressurizado, no entanto, em algum grau por bombas turbo para garantir a entrega positiva na câmara de combustão.

Espero que isso ajude A propulsão é um campo muito complicado.

Atualização : A pressão da câmara de combustão principal nos SSMEs na potência máxima é de aproximadamente 3.008 libras por polegada quadrada.

Então, a força de reação oposta é exercida no bico, não no topo da câmara de combustão?
Sim, acredito que a reação de impulso atravessa as paredes do bocal. Na verdade, você pode efetivamente dar o impulso de um bico de foguete induzindo a separação da camada limite em um lado do bico, girando assim o vetor de impulso.
Nossa, acho que entendi. Eu gostaria de poder obter modelos CAD do motor para que pudéssemos imprimi-los em 3D e ensinar às crianças como tudo isso funciona.
Se você tiver uma impressora 3D, talvez isso ajude: http://www.3dcadbrowser.com/download.aspx?3dmodel=14607
Eu consegui, eu consegui!
Eu não acho que isso esteja certo. A pressão na câmara de combustão deve ser maior do que a pressão no bico do bico, caso contrário, o fluxo de propelente pela garganta seria invertido. Há perda consistente de pressão estática e de estagnação das bombas turbo para o plano de saída. Na verdade, sem uma proporção significativa de 2–3 × de pressões na garganta, o fluxo não será obstruído. As bombas turbo nos SSMEs existem precisamente porque, do contrário, o motor não produziria efetivamente nenhum empuxo.
O fluxo no bico é supersônico - portanto, nenhuma informação de pressão passa pela garganta do bico. Isso não significa que você não precisa de bombas turbo - você ainda tem pressão para superar na câmara de combustão.
#3
  0
Adam
2015-02-26 06:44:54 UTC
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Apenas para adicionar um pouco de perspectiva. A turbo-bomba de combustível de alta pressão opera com uma potência de cerca de 69.000 HP, e o boi tem 25.000 HP http://www.rocket.com/space-shuttle-main-engine. Portanto, apenas bombear criogenia de alta pressão leva ~ 100.000 HP em cada motor do ônibus espacial. (Na ordem de 500-1000 motores de carros)



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