Kademeli yanma döngüsü - Staged combustion cycle

Yakıt açısından zengin kademeli yanma döngüsü. Burada, yakıtın tamamı ve oksitleyicinin bir kısmı ön yakıcıdan geçerek yakıt açısından zengin gaz üretir. Pompalara güç sağlamak için bir türbinden geçtikten sonra, gaz yanma odasına enjekte edilir ve kalan oksitleyici ile yakılır.

Yanma döngüsünün aşamalı (bazen bilinen Yukarı doğru döngüde veya preburner çevrimi ) a, güç çevrimi a bipropellant roket motoru . Kademeli yanma döngüsünde, itici gaz çoklu yanma odalarından akar ve böylece kademeli olarak yakılır . Diğer roket motoru güç çevrimlerine göre ana avantajı , belirli dürtü ile ölçülen yüksek yakıt verimliliği iken, ana dezavantajı mühendislik karmaşıklığıdır .

Tipik olarak, itici gaz iki tür yanma odasından geçer; ilki ön brülör ve ikincisi ana yanma odası olarak adlandırılır . Preburner olarak, itici madde küçük bir kısmı yakılır ve artan hacim akış tahrik etmek için kullanılan turbopumps itici gaz ile motoru beslemek. Ana yanma odasında, itici gazlar itme üretmek için tamamen yakılır .

Aşamalı yanma döngüsünün yakıt verimliliği, kısmen tüm itici gazın nihai olarak ana yanma odasına akmasının bir sonucudur; itmeye katkıda bulunur. Kademeli yanma çevrimi bazen gaz jeneratörünün aksine kapalı çevrim veya itici gazın bir kısmının asla ana yanma odasına ulaşmadığı açık çevrim olarak adlandırılır . Mühendislik karmaşıklığı, kısmen, özellikle oksitleyici açısından zengin olduğunda, türbinler ve sıhhi tesisat için son derece zorlu koşullar üreten sıcak ve yüksek basınçlı gazın ön yakıcı egzozunun bir sonucudur.

Tarih

Kademeli yanma ( Замкнутая схема ) ilk olarak 1949'da Alexey Isaev tarafından önerildi . İlk kademeli yanmalı motor, Isaev'in eski asistanı Melnikov tarafından tasarlanan Sovyet gezegen roketinde kullanılan S1.5400 (11D33) idi. Aynı zamanda (1959), Nikolai Kuznetsov , Korolev'in yörüngesel ICBM'si GR-1 için kapalı çevrim motor NK-9 üzerinde çalışmaya başladı . Kuznetsov daha sonra bu tasarımı başarısız Lunar N1 roketi için NK-15 ve NK-33 motorlarına dönüştürdü . Kriyojenik olmayan K 2 O 4 / UDMH motor RD-253 yanma tarafından geliştirilen aşamalı kullanılarak Valentin Glushko 1963 dolaylarında Proton roket .

N-1'in terk edilmesinden sonra Kuznetsov'a NK-33 teknolojisini imha etmesi emredildi, ancak bunun yerine düzinelerce motoru depoladı. 1990'larda Aerojet ile temas kuruldu ve sonunda Kuznetsov'un fabrikasını ziyaret etti. Kuznetsov, yüksek özgül dürtü ve diğer özellikler hakkında ilk şüpheleri karşıladıktan sonra, test için ABD'ye bir motor gönderdi. Oksitleyici açısından zengin kademeli yanma, Amerikalı mühendisler tarafından düşünülmüş, ancak imkansız kabul edilmiştir. Rus RD-180 motoru ayrıca kademeli yanmalı bir roket motoru çevrimi kullanır. Lockheed Martin , Atlas III ve daha sonra V roketleri için 2000 dolaylarında RD-180'i satın almaya başladı . Satın alma sözleşmesi daha sonra 2006 yılından sonra United Launch Alliance (ULA-Boeing/Lockheed-Martin ortak girişimi) tarafından devralındı ve ULA, 2021 itibariyle Atlas V'i RD-180 motorlarla uçurmaya devam ediyor.

Batı'daki ilk laboratuvar aşamalı yanmalı test motoru 1963'te Ludwig Boelkow tarafından Almanya'da inşa edildi .

1950'lerin İngiliz Gama'sı gibi hidrojen peroksit / gazyağı ile çalışan motorlar , uygun yanma odasında gazyağı ile yanmadan önce türbinleri çalıştırmak için peroksitin katalitik olarak ayrıştırılmasıyla kapalı çevrim bir süreç kullanabilir . Bu, büyük mühendislik problemlerinden kaçınırken aşamalı yanmanın verimlilik avantajlarını sağlar.

RS-25 bir içten yanmalı motoru aşamalı ve sıvı oksijen, sıvı hidrojen kullanan ilk bir başka örneğidir. Sovyet mekiğindeki karşılığı , RS-25'e özgü itme , itme ve oda basıncı spesifikasyonuna benzer , ancak artan motor ağırlığı pahasına karmaşıklığı ve maliyeti azaltan bazı farklılıklar ile RD-0120 idi .

Varyantlar

Stennis Uzay Merkezi'ndeki bir test standında 2015 alt sistem testi sırasında gösterilen SpaceX Raptor ön yakıcıdan oksitleyici açısından zengin türbin egzozu . Tam akışlı roket motorunda, ön yakıcı egzozu bir türbine ve ardından ana yanma odasına beslenir.

Aşamalı yanma döngüsünün çeşitli varyantları mevcuttur. Tam bir yakıt akışıyla oksitleyicinin küçük bir bölümünü yakan ön yakıcılara yakıt açısından zengin , yakıtın küçük bir bölümünü tam bir oksitleyici akışıyla yakan ön yakıcılara oksitleyici açısından zengin denir . RD-180'de oksitleyici bakımından zengin bir ön yakıcı bulunurken, RS-25'te yakıt bakımından zengin iki ön yakıcı bulunur. SpaceX Raptor hem oksitleyici zengini ve yakıt yönünden zengin preburners vardır, bir tasarım olarak adlandırılan tam akışlı kademeli yanma .

Kademeli yanma tasarımları tek şaftlı veya çift ​​şaftlı olabilir . Tek şaftlı tasarımda, bir dizi ön yakıcı ve türbin, her iki itici turbo pompayı çalıştırır. Örnekler arasında Energomash RD-180 ve Blue Origin BE-4 bulunur . Çift şaftlı tasarımda, iki itici turbopompa ayrı türbinler tarafından tahrik edilir, bunlar da sırasıyla bir veya ayrı ön brülörlerin çıkışıyla tahrik edilir. Çift şaftlı tasarımlara örnek olarak Rocketdyne RS-25 , JAXA LE-7 ve Raptor verilebilir . Tek şaftlı tasarıma göre, çift şaftlı tasarım ek bir türbin (ve muhtemelen başka bir ön yakıcı) gerektirir, ancak iki turbo pompanın bireysel kontrolüne izin verir.

İtici turbopumps ek olarak, yanmalı motorlar, genellikle daha küçük bir destek, hem preburner önlemek için pompalar gerektirir aşamalı geri akış ve türbo pompası kavitasyon . Örneğin, RD-180 ve SC-25 kullanımı püskürtme ile tahrik pompaları musluğu kapalı ve genişletici döngü , hem de basınçlı tank aşamalı önce preburner girmeden itici basıncı arttırmak için,.

Tam akış aşamalı yanma döngüsü

Tam akış aşamalı yanmalı roket döngüsü

Tam akış aşamalı yanma (FFSC), hem oksitleyici açısından zengin hem de yakıt açısından zengin ön yakıcıları kullanan çift şaftlı aşamalı bir yanma döngüsüdür. Döngü, her iki itici gazın da türbinler boyunca tam akışına izin verir; dolayısıyla adı. Yakıt turbo pompası , yakıt açısından zengin ön yakıcı tarafından tahrik edilir ve oksitleyici turbo pompası, oksitleyici açısından zengin ön yakıcı tarafından çalıştırılır.

Tam akış kademeli yanma döngüsünün faydaları arasında, artan kütle akışı nedeniyle daha soğuk ve daha düşük basınçta çalışan ve daha uzun motor ömrü ve daha yüksek güvenilirlik sağlayan türbinler yer alır. Bir örnek olarak, en fazla 25 uçuş tarafından incelenen bir motor tasarımı için öngörülen edildi DLR (Alman Uzay Merkezi) çerçevesinde Spaceliner 1000 uçuşlar için beklenen proje Raptor'da dan SpaceX . Ayrıca, tam akış çevrimi, oksitleyici açısından zengin gazı yakıt turbo pompasından veya yakıt açısından zengin gazı oksitleyici turbo pompasından ayırmak için normalde gerekli olan bir interpropellant türbin contasına olan ihtiyacı ortadan kaldırarak güvenilirliği artırır.

Hem yakıt hem de oksitleyici ön yakıcıların kullanılması, yanma odasına girmeden önce her bir iticinin tam gazlaştırılmasıyla sonuçlandığından, FFSC motorları, gaz-gaz motorları olarak adlandırılan daha geniş bir roket motorları sınıfına aittir . Bileşenlerin tam gazlaştırılması, yanma odasında daha hızlı kimyasal reaksiyonlara yol açarak daha küçük bir yanma odasına izin verir. Bu da, verimliliği artıran hazne basıncını arttırmayı mümkün kılar.

Tam akışlı kademeli yanma döngüsünün potansiyel dezavantajları, tek şaftlı kademeli yanma döngüsüne göre iki ön yakıcının artan mühendislik karmaşıklığının yanı sıra artan parça sayısını içerir.

2019 itibariyle, yalnızca üç tam akışlı aşamalı içten yanmalı roket motoru, test stantlarında test edilecek kadar ilerlemişti; Sovyet Energomash- RD-270 1960'larda proje, ABD hükümeti finanse edilen Aerojet Rocketdyne Entegre guç başlığı 2000'lerin ortalarında gösteri projesini ve SpaceX 'ın uçuş yeteneğine Raptor motoru ilk olarak Şubat 2019 yılında test ateşledi.

Tam akışlı kademeli yanmalı bir motorun ilk uçuş testi , SpaceX'in Güney Teksas Fırlatma Sahasında Raptor metalox FFSC motorunu uçurduğu 25 Temmuz 2019'da gerçekleşti .

Uygulamalar

Oksitleyici açısından zengin kademeli yanma

  • S1.5400 — Blok L üst kademesinde kullanılan birinci kademe yanmalı roket motoru.
  • NK-33 —N-1 fırlatma aracının hiç uçmayan yükseltilmiş versiyonu için geliştirilmiş Sovyet motoru . Daha sonra Aerojet Rocketdyne'e satıldı ve AJ-26 olarak yenilendi/yeniden pazarlandı ( 2013-2014 yıllarında Antares blok 1 fırlatma araçlarında kullanıldı). Üzerinde kullanımda Soyuz-2-1v .
  • P111 - 1956 ve 1967 yılları arasında Bolkow GmbH'de (daha sonra Astrium ) geliştirilen sıvı oksijen/kerosen gösterici motor .
  • RD-170 , RD-171 , RD-180 ve RD-191 — Energia , Zenit , Atlas V , Angara ve daha önce Atlas III fırlatma araçlarında kullanılan bir dizi Sovyet ve Rus motoru . RD-171 (ve onun RD-171M halefi), -180 ve -191, RD-170'in türevleridir.
  • RD-0124 — Soyuz-2.1b roketinin ikinci aşamasında ve Angara serisi roketlerin üst aşamalarında kullanılan bir dizi oksijen/kerosen motoru .
  • YF-100 — 2000'lerde geliştirilen Çin motoru; kullanılan Uzun 5 Mart , Uzun, 6 Mart ve Uzun 7 Mart .
  • AR-1 Bir Aerojet Rocketdyne projesi, RD-180 Rus motorunun potansiyel bir alternatifi olarak kısmen Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri tarafından finanse edildi.
  • BE-4 — Oksijen açısından zengin kademeli yanma (ORSC) döngüsünü kullanan Blue Origin LCH4 / LOX motoru , 2021'de ilk uçuş testi olan Atlas V ve Delta IV'ün yerini alacak ULA Vulcan fırlatma aracında kullanılması planlanıyor ve Ayrıca Blue Origin'in Yeni Glenn fırlatma aracında, ilk uçuş testi 2021'den önce yapılmayacak.
  • RD-253 - 1960'larda geliştirilen ve Proton fırlatma aracının ilk aşamasında kullanılan Sovyet motoru . Daha sonraki varyantlar arasında RD-275 ve RD-275M bulunur.
  • SCE-200 — Geliştirme aşamasında olan Hint RP-1 / LOX ana sahne motoru.
  • Hadley—Ursa Major Technologies LOX / gazyağı takviye motoru Denver, Colorado yakınlarında geliştiriliyor.

Yakıt açısından zengin kademeli yanma

Tam akış kademeli yanma

SpaceX Raptor FFSC roket motoru, örnek itici akış şeması, 2019
  • RD-270 — UR-700 projesi için 1962–1970 yılları arasında geliştirilmekte olan SSCB motoru; hiç uçmadı.
  • Entegre güç kafası göstericisi - Yanma odası veya diğer arka uç alt sistemleri olmayan tam akışlı bir motorun ön kısmı için gösteri projesi. 2000'li yılların başında yeni bir roket motoru teknolojisinin bir bölümünü geliştirmeye yönelik ABD projesi; hiç tam motor yapılmadı; hiç uçmadı.
  • Raptor —SpaceX LCH4 /LOX motoru geliştiriliyor, ilk kez 2019'da uçtu

Kademeli yanmalı motorların mevcut/geçmiş uygulamaları

Kademeli yanmalı motorların gelecekteki uygulamaları

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar