¿Cuáles son las diferencias entre un motor Merlin estándar y el motor Merlin Vacuum?

Sé que hay una diferencia entre los motores de primera etapa Falcon 9 de SpaceX y el motor de segunda etapa, ya que esa etapa está específicamente ajustada para vacío. Wikipedia también dice que el Merlin Vacuum Engine es más grande que el Merlin 1D estándar. Eso me hizo pensar... ¿hay más diferencias?

¿Cuáles son las diferencias entre los motores Merlin de primera etapa y el motor de vacío Merlin de segunda etapa? (Estoy especialmente interesado en la comparación de tamaño, eficiencia, empuje, etc.)

Respuestas (3)

La mayor diferencia es la boquilla . Para un rendimiento óptimo en el vacío, desea uno mucho más grande.

Según Spaceflight 101 , la presión de la cámara es la misma, pero la relación de expansión (área de la garganta al área del extremo de la boquilla) es 7 veces mayor en la variante de vacío, lo que (si es correcto) implica aproximadamente 2,7 veces el diámetro de la boquilla si el la garganta no cambia.

La descripción de Wikipedia del vacío 1C dice que la longitud de la boquilla de expansión es de 2,7 metros, mientras que la longitud total de la primera etapa 1C es de solo 2,9 metros, aproximadamente la mitad de la boquilla. Entonces, la longitud de la boquilla básicamente se duplica. Presumiblemente, la relación entre el vacío 1D y 1D es análoga.

Se dice que esta foto es, de izquierda a derecha: Falcon 1 Merlin 1C, Falcon 9 1C (montaje diferente) y aspiradora Falcon 9 2nd stage 1C, sin la boquilla de extensión, por lo que es una boquilla más corta y gruesa que las otras.

2 Merlin 1C y una aspiradora 1C

Y así es como se ve la boquilla de extensión por sí sola:ingrese la descripción de la imagen aquí

Dado que la segunda etapa del Falcon 9 monta un solo motor, en el cuerpo del mismo diámetro que la primera etapa (con su grupo de 9), hay mucho espacio para la boquilla grande.

Este hilo de reddit incluye un debate no concluyente sobre cuán diferentes son realmente los motores de vacío. Ciertamente, hay diferencias en el montaje y el diseño (lo más obvio es que la boquilla de escape del generador de gas está más inclinada para evitar que choque con la extensión de la boquilla), pero las turbobombas, etc., son aparentemente las mismas.

Según la revisión de octubre de 2015 de la guía del usuario del Falcon 9 , el 1D Vacuum tiene una capacidad de aceleración mucho más profunda que el motor de primera etapa, hasta aproximadamente el 40 % del empuje máximo (360 kN-934 kN). No está claro cuál es el motivo de la diferencia de limitación; podría ser que el motor sea susceptible a la separación del flujo de escape en ajustes de empuje bajos en alta presión de aire ambiental.

Vaya, excelente respuesta. Esto es exactamente lo que estaba buscando. Me sorprende lo mucho más grande que es el motor de vacío. Esperaré a aceptar en caso de que haya otras respuestas, pero una vez más, excelente respuesta.
Sí, las boquillas optimizadas para vacío pueden ser sorprendentemente grandes. El sistema de propulsión del módulo de servicio Apollo es un buen ejemplo; dado su tamaño proporcional a la nave espacial, se podría pensar que el motor debería producir más de 0,3 g.
La extensión de la boquilla de vacío es una carcasa delgada (1/64" en la parte inferior) que no tiene un sistema de enfriamiento activo. La boquilla que no es de vacío tiene paredes mucho más gruesas con canales adjuntos, el combustible fluye a través de los canales para enfriar la boquilla.
... y durante el vuelo atmosférico, más allá de la etapa inicial de la atmósfera densa (los primeros 10 km más o menos), la boquilla grande beneficiaría el rendimiento del motor, primero la campana grande crearía una resistencia adicional al aire y, además, simplemente no hay espacio para boquillas tan grandes. los 9 motores apretados.
¿Sería apropiada una pregunta sobre por qué las boquillas más grandes funcionan mejor en aspiradoras? Eso suena absolutamente interesante.
La expansión de la boquilla reduce la presión del escape y el rendimiento es mejor cuando la presión al final de la boquilla coincide con la presión ambiental (externa). En el vacío, le gustaría una boquilla infinitamente grande para que la presión de salida llegara a cero, pero eso no es práctico...
La estrangulación de un motor provoca una fuerte caída en la presión de la cámara. Con el vuelo supersónico a través de la atmósfera, la turbulencia del aire podría causar inestabilidades en la combustión al perturbar el flujo de gases de escape a una presión más baja. Un motor de vacío puede soportar presiones mucho más bajas y un empuje bajo es bueno para maniobras de precisión. El motor de aterrizaje también se beneficiaría de la aceleración más baja, pero volar con la boquilla primero hacia el viento realmente no puede permitirse el lujo de bombear aire ambiental a la cámara de combustión contra el escape.
@SF. El aterrizaje no quiere un acelerador más bajo; que desperdicia combustible.
@RussellBorogove: El aterrizaje sin el acelerador más bajo a menudo desperdicia el cohete. Definitivamente querría un acelerador más bajo si eso significa suficiente tiempo para maniobrar y asentarse en el barco de drones en lugar de estrellarse contra el mar o volver a lanzarse. Actualmente no puede acelerar por debajo de TWR 1, todo el procedimiento de vuelo estacionario es muy precario y deja muy poco margen para las correcciones. Seguro que frena a toda velocidad, pero el mismo aterrizaje definitivamente podría beneficiarse de un control más preciso.

Hay varias razones para tener un estrangulamiento profundo en el motor de vacío, pero no en el motor de primera etapa.

(1) La primera etapa no puede usar una gran campana de expansión, y no podría incluso si la mecánica lo permitiera, porque el flujo de escape se separaría de la campana. Esto causaría inestabilidad de flujo/reflujo/... que probablemente destruiría o dañaría la campana, o algo peor. La presión de salida de cualquier campana de cohete debe coincidir con la presión atmosférica ambiental para lograr la máxima eficiencia. (Esto significa que cualquier boquilla de cohete tradicional con la mejor eficiencia al nivel del mar es menos eficiente en todas las altitudes más altas).

(2) La primera etapa solo necesita reducir ligeramente la aceleración cerca del final de su quemado para limitar la aceleración de la carga útil a cinco o seis g (se me olvida... 6, creo). Incluso sin estrangulamiento, esto podría lograrse apagando los motores.

(3) La segunda etapa necesita reducir la velocidad mucho más y antes (en términos porcentuales; la quema es considerablemente más larga) para limitar las fuerzas g de la carga útil. Para cargas útiles más livianas, tiene que reducir la velocidad aún más y antes. Debido a que el motor se enciende en un espacio vacío, no hay límite para el tamaño de la boquilla ni preocupación por la separación del flujo.

Esto parece ser un comentario extendido a otra respuesta, no una respuesta a esta pregunta. Es posible que pueda editarlo para que se sostenga por sí solo.
Sí no tiene ninguna estadística o hecho. Además, la velocidad de la carga útil debe ser velocidad, no aceleración (por ejemplo, m/s o km/s en lugar de m/s2).

El objetivo principal de cualquier motor de cohete es dar el mayor impulso al cohete. mv (cohete) = mv (combustible), por lo que para una masa dada de combustible desea la máxima velocidad posible. La campana de divergencia de boquilla más grande hace un mejor uso del vacío para alcanzar la velocidad más alta posible.

¿Cuáles son las diferencias entre un motor Merlin estándar y el motor Merlin Vacuum?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v