Pregunta:
En un cohete de combustible criogénico, ¿a qué presión se inyecta el combustible en el motor?
user39
2013-07-19 11:58:23 UTC
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La presión en los motores principales del transbordador espacial debe ser muy alta para que el vehículo despegue del suelo (con la asistencia SRB, por supuesto). Con presiones tan altas dentro del motor, ¿cómo se inyecta combustible en el motor? Entiendo que el combustible se pasa alrededor del motor para que enfríe la boquilla, para que el escape no la derrita, luego en el motor. Sin embargo, siempre asumí que la presión del combustible que ingresa al motor debe ser más alta que la presión que ejercen los gases de escape. Si es así, ¿cómo bombea el Shuttle combustible a tanta presión a los motores?

Tres respuestas:
#1
+11
Adam Wuerl
2013-09-07 03:03:06 UTC
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El SSME es un motor cohete de combustión por etapas, lo que significa que una pequeña fracción del flujo de propulsante hacia la cámara de combustión principal se desvía primero a un pequeño precalentador (dos en realidad). Estos prequemadores queman cantidades (relativamente) pequeñas de combustible y oxidante para producir gas de escape caliente que se expande a través de una turbina, que está conectada mecánicamente a una bomba (por lo tanto, turbobomba), que se utiliza para suministrar combustible a alta presión y oxidante a la tubería principal. cámara de combustión.

El motor real es significativamente más complicado que esto (incluso en un esquema simplificado), pero esta es la premisa básica de cualquier motor alimentado por turbobomba: el gas caliente hace girar una turbobomba que bombea el suministro principal de propulsor y lo inyecta en la cámara de combustión. El SSME tiene muchos otros pequeños detalles, como bombas de alta y baja presión, y alimentación de los gases de combustión a la cámara principal, en lugar de ventilarlos por la borda como lo hace el RS-68.

Pero la conclusión es que el OP tiene razón. La presión es muy alta en la cámara de combustión, se inyecta propulsor en la cámara de combustión al tener una presión aún mayor en la salida de las turbobombas. Almacene en los tanques a una presión más baja, bombee con los turbos, luego recorra el gradiente de presión hasta la luz azul brillante al final de la boquilla.

SSME schematic cortesía de Wikipedia.

Si desea comprender mejor por qué el propulsor debe estar a alta presión en primer lugar.

Aquí hay un detalle asombroso. En el SSME, los gases de escape tanto de la turbina de combustible como de la turbina oxidante van a la cámara de combustión. Eso significa que la presión en los prequemadores que accionan las turbinas es mucho más alta que la presión de la cámara de combustión principal. Entonces, ¿cómo se inyecta el combustible y el oxidante en los prequemadores? Con muy alta presión. En realidad, hay 3 bombas oxidantes: baja presión, alta presión y prequemador.
#2
+10
Erik
2013-07-19 20:20:29 UTC
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Esto es complicado, pero aquí está la esencia:

El empuje se genera haciendo fluir gas a alta presión hacia un entorno de menor presión. Este flujo es supersónico, por lo que lo que sucede aguas abajo de la garganta (parte superior de la boquilla) no puede ser detectado por lo que sucede en la cámara de combustión (el sonido es solo una onda de presión). La boquilla es supersónica, la cámara de combustión es subsónica. La boquilla expande el gas para crear la alta presión de estancamiento requerida, principalmente al aumentar la velocidad del gas. Tenga en cuenta que la presión de estancamiento (el valor en el que está pensando) no es solo presión estática, también incluye un componente de velocidad.

Entonces, en resumen, el Shuttle no tiene que bombear combustible y oxidante al motor de combustión a una presión superior a la de la salida de la boquilla porque:

  • No se transmite información de presión desde la salida de la boquilla a la cámara de combustión debido a la flujo en la boquilla.
  • Una gran parte de la presión de salida de la boquilla (presión de estancamiento) proviene de la velocidad de los gases, velocidad creada al expandir el flujo de gas supersónico.
  • Combustible y el oxidante es presurizado, sin embargo, hasta cierto punto por turbobombas para asegurar una entrega positiva a la cámara de combustión.

Espero que esto ayude. La propulsión es un campo muy complicado.

Actualización : La presión de la cámara de combustión principal en los SSMEs a plena potencia es de aproximadamente 3.008 libras por pulgada cuadrada.

Entonces, ¿la fuerza de reacción opuesta se ejerce sobre la boquilla y no en la parte superior de la cámara de combustión?
Sí, creo que la reacción de empuje atraviesa las paredes de la boquilla. De hecho, puede dar eficazmente el empuje de la boquilla de un cohete induciendo la separación de la capa límite en un lado de la boquilla, rotando así el vector de empuje.
Vaya, creo que lo entiendo. Ojalá pudiera obtener modelos CAD del motor para que pudiéramos imprimirlos en 3D para enseñar a los niños cómo funciona todo esto.
Si tiene una impresora 3D, tal vez esto le ayude: http://www.3dcadbrowser.com/download.aspx?3dmodel=14607
¡Lo hice, lo hice!
No creo que sea del todo correcto. La presión en la cámara de combustión debe ser más alta que la presión en la campana de la boquilla, de lo contrario, el flujo de propelente a través de la garganta se invertiría. Hay una pérdida constante de presión estática y de estancamiento de las turbobombas al plano de salida. De hecho, sin una relación significativa de 2 a 3 × de presiones a través de la garganta, el flujo no se ahogará en absoluto. Las turbobombas en los SSMEs existen precisamente porque si no lo hicieran, el motor no produciría ningún empuje de manera efectiva.
El flujo en la boquilla es supersónico, por lo tanto, no pasa información de presión por la garganta desde la boquilla. Sin embargo, eso no significa que no necesite turbobombas, todavía tiene que vencer la presión en la cámara de combustión.
#3
  0
Adam
2015-02-26 06:44:54 UTC
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Solo para agregar un poco de perspectiva. La turbobomba de combustible de alta presión funciona con una potencia de aproximadamente 69.000 HP, y el buey es de 25.000 HP http://www.rocket.com/space-shuttle-main-engine. Entonces, solo bombear criogénicos de alta presión requiere ~ 100,000 HP en cada motor lanzadera. (Del orden de 500-1000 motores de automóviles)



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