LRE med en faseovergangscyklus

"Cyklus med en faseovergang" ( CFP , eng.  Expander cycle ) er et generatorløst driftsskema for en flydende raketmotor (LRE) , som er designet til at øge effektiviteten af ​​brændstofkredsløbet. I CFP- ordningen opvarmes brændstoffet, før det forbrændes, normalt ved at bruge den del af den tabte varme fra hovedforbrændingskammeret, som går til opvarmning af kammerets vægge og gennemgår en faseovergang . Trykforskellen opnået ved at omdanne brændstoffet til gas bruges til at tilføre brændstofkomponenter, opretholde trykket i forbrændingskammeret og skabe tryk .

Sådan virker det

Når det flydende brændstof passerer gennem kølerørene i væggene, gennemgår det en faseændring til en gasformig tilstand med stigende tryk. Det gasformige brændstof udvides gennem turbinen ved at bruge trykforskellen mellem dets forsyningstryk og trykket efter passage af kølekredsløbet for at starte turbopumpens rotation . Dette kan give forbedret opsendelsesydelse, som bruges i RL-10 raketmotoren ( Pratt & Whitney ). Det øgede tryk på grund af brændstoffets gasformige tilstand bruges til at drive turbinen , som igen driver brændstof- og oxidationspumperne, hvilket øger brændstof- og oxidationsmiddeltrykket, når de kommer ind i forbrændingskammeret . Brændstoffet kommer ind i kammeret efter turbinens passage, hvor det brænder sammen med oxidationsmidlet, hvilket genererer jettryk til rumfartøjet .

Nogle faseskiftmotorer kan bruge en gasgenerator til at starte motorturbinen, indtil varmetilførslen fra forbrændingskammeret og dyseskallen er tilstrækkelig til at holde motoren kørende.

Anvendelse

På grund af behovet for en faseovergang af brændstoffet er denne type LRE -driftscyklus begrænset af mængden af ​​"parasitisk" varme, der genereres af motoren under drift, hvilket generelt begrænser motorens effekt ved at bruge dette skema uændret. Ved brug af normal dyse[ hvad? ] form, er dens overflade ikke nok til at opvarme en tilstrækkelig mængde brændstof, der kunne drive turbinerne og som følge heraf brændstofpumperne. For motorer med en klokkeformet dyse er det maksimale tryk, som en faseskiftecyklus kan give, 31 tf (300 kN ). Højere trykniveauer kan opnås ved at bruge denne cyklus til dels, hvor en del af brændstoffet passerer faseændringssystemet (kølesystemet) med turbinen og ledes direkte til forbrændingskammeret.

Et større anvendelsesområde for denne LRE- ordning tillades af alternative koniske dyser . I dette tilfælde komprimeres motorens udstødningsstråle effektivt til en smallere strøm omkring et centralt kileformet fremspring (aerospike ) ,  som kan give mere herreløs varme og derfor mere tryk ved at bruge faseændringscyklussen uændret. Der skal også anvendes kryogene brændstoffer , såsom flydende brint , metan eller propan , for hvilke kogepunktet og overgangen til en gasformig aggregeringstilstand let kan nås .

Det gasfrie skema med en faseovergang og skemaet med efterbrænding af generatorgassen har samme effektivitet ved et tryk på omkring 9,1 tf ;

Rensningscyklus med faseovergang ( Åben cyklus )

I en "åben" eller "udrensning"-cyklus med en faseændring opvarmes kun en del af brændstoffet for at drive turbinen og kasseres derefter for at øge effektiviteten af ​​generatoren. I dette tilfælde fører en stigning i turbineeffekten til et fald i motorens effektivitet (lavere specifik impuls ). Den lukkede cyklus bruger producentgas - i dette tilfælde brændstof - i et forbrændingskammer (se figur).

I denne modificerede cyklus, i stedet for at bruge det opvarmede "generator"-brændstof i forbrændingskammeret, dumpes det, hvilket tillader brændstofpumperne at blive maksimeret ved at udnytte den større trykforskel i turbinen. Dette bruger en lille mængde brændstof. Denne ordning giver dig mulighed for at øge motorens fremdrift ved at reducere dens effektivitet. Men i nogle tilfælde - som for eksempel i tilfældet med den japanske LE-5A / B raketmotor  - er tabet i effektivitet ikke så markant sammenlignet med stigningen i tryk.

Fordele

LRE-ordningen med en faseovergangscyklus har mange fordele frem for andre:

• Lav temperatur. Fordelen er, at når brændstoffet er blevet gasformigt, er dets temperatur tæt på normale rumtemperaturer og forårsager meget lidt skade på turbinen, hvilket gør det muligt at genbruge motoren. I andre ordninger, såsom åben cyklus eller lukket cyklus , kører turbinen ved høje temperaturer.
• Vitalitet. Under udviklingen af ​​RL-10B-2- motoren var ingeniører bekymrede for, at afskallet isolering inde i brændstoftanken kunne forårsage skade på motoren. De testede dette ved at placere stykker isolering i tanken og køre det gennem motoren. Dette forårsagede ingen problemer med RL-10- motoren og forårsagede ikke et fald i tryk. Konventionelle gasgeneratorer er miniature raketmotorer, hvilket indebærer deres komplekse design. Selv en let blokering af den gasgenererende del af et fremmedlegeme kan føre til fremkomsten af ​​et varmt område, hvilket kan forårsage en eksplosion. Brugen af ​​denne ordning er mere tolerant over for forurening på grund af bredere brændstofcirkulationskanaler.
• Systembestemt sikkerhed. På grund af det faktum, at raketmotorer med flydende drivmiddel med en faseovergangscyklus har en trykgrænse, er den maksimale tryktilstand let at designe og implementere. I andre typer motorer kan et problem med en fastlåst ventil eller et lignende problem føre til en ukontrolleret stigning i tryk og en ukontrolleret udvikling af hele situationen. For at undgå dette kræves et komplekst mekanisk og elektronisk styresystem. En LRE med en faseskiftecyklus er ikke i stand til denne form for funktionsfejl.

Eksempler på LRE med en faseændringscyklus er RL-10 og RL-60 , Pratt & Whitney [2] og den planlagte Vinci LRE på Ariane 5 ESC-B løfteraket [3]

Brug

Kendte eksempler på brug af LRE - skemaet med en faseovergangscyklus:

• RL-10 , Pratt & Whitney
• RL-60 , Pratt & Whitney
• Vinci , ESA
• LE-5A/B A/B, JAXA
• RD-0146 , Chemical Automation Design Bureau

LRE med en faseovergangscyklus er blevet brugt eller er planlagt til at blive brugt i:

• øverste trin " Centaurus " ;
• den planlagte enkelttrins " Mac Donnell Douglas DC-X " (da) . Arkiveret fra originalen den 29. marts 2012.  (ubestemt);
• planlagt til anden etape af løfteraketten Ariane 5 ;
• RN " Saturn I ";
• RN " H-IIA ".

Se også

• LRE åben cyklus
• LRE lukket cyklus
• Raketmotor med flydende drivmiddel

Noter

1. ↑ Gubanov B. I. Kapitel 42. Øvre stadier // Energias triumf og tragedie. Refleksioner af chefdesigneren . - Nizhny Novgorod: NIER, 1998. - V. 3: "Energi" - "Buran". — 432 s.  (Russisk)
2. ↑ Pratt & Whitney Space Engine - RL-60 datablad (da) . Hentet 28. december 2008. Arkiveret fra originalen 29. marts 2012. (ubestemt)
3. ↑ Ariane 5 > Oversigt . Hentet 28. december 2008. Arkiveret fra originalen 29. marts 2012. (ubestemt)

Links

• Skematiske diagrammer af LRE (da)