Factores limitantes del empuje del motor de cohete líquido

¿Cuáles son las limitaciones para los motores de cohetes de combustible líquido de primera etapa que actualmente se usan ampliamente, cuáles son los factores que limitan su empuje total? ¿Por qué no puedes simplemente inyectar más y más combustible en el motor del mismo tamaño para producir más empuje, por ejemplo?

Por limitaciones, me refiero a los factores más importantes que impiden que estos motores produzcan más empuje. Supongo que es algo así como el calentamiento del motor, o la velocidad a la que se puede quemar / pasar el combustible a la cámara de combustión.

¿Podría explicar también cómo estos factores limitan el empuje producido?

¿Quiere decir el límite de empuje de cada motor individual por sí mismo , o un límite de empuje total de todos los motores juntos en una primera etapa?
Me refiero a un solo motor, sin embargo, también me gustaría saber acerca de las limitaciones en el empuje total de todos los motores.
Bien, eso tiene más sentido. ¿Quizás edite su pregunta un poco para que quede más claro allí, incluido el título? De esa manera, cuando las personas lean la pregunta en el futuro, tendrán una mejor idea de lo que pueden esperar encontrar aquí. ¡También bienvenido a SX SE!
Es posible que desee mencionar por qué se está enfocando específicamente en el empuje, aunque eso puede no ser estrictamente esencial; dada la amplia gama de posibles empujes, incluido el Saturno V, ese no es el tipo más obvio de limitación que tiene el combustible líquido.
He leído en alguna parte que los límites prácticos para un motor son alrededor de 1,5 veces el empuje de un F-1 debido a la estabilidad de la combustión. Responderé una vez que encuentre el enlace.
Se dice que el motor M-1 es " el motor de cohete de combustible líquido alimentado con hidrógeno líquido más grande y potente que se haya diseñado y probado en componentes " y hay un montón de referencias en ese artículo. Puede echar un vistazo a esta y esta y esta respuesta donde se menciona en las discusiones sobre grandes cohetes.
No estoy preguntando específicamente qué limita el tamaño de los motores de cohetes, aunque todavía estoy interesado en esto. Estoy más interesado en saber qué limita que los motores líquidos de tamaño normal produzcan más empuje. ¿Por qué no puedes simplemente inyectar más y más combustible en el motor del mismo tamaño?
Creo que es una muy buena pregunta. Sería útil si pasas ese comentario a la pregunta en sí. Ahora entiendo más lo que significa la frase "F9 y básicamente todos los cohetes actualmente". Algo como " Para los motores de cohetes de combustible líquido que actualmente se usan ampliamente, ¿cuáles son los factores que limitan su empuje total? ¿Por qué no se puede simplemente inyectar más y más combustible en el motor del mismo tamaño, por ejemplo ?"
Gracias por la idea y la ayuda para aclarar lo que quise decir. ¡La comunidad aquí es realmente genial!

Respuestas (3)

Para mover más propulsor más rápido a la cámara de combustión, aumenta la presión de la cámara; esto requiere una turbobomba más grande y más potente.

Las turbobombas de gran volumen y alta presión son difíciles de diseñar: la mayoría de los problemas encontrados en el desarrollo de los motores principales del transbordador espacial fueron fallas en las bombas, algunas catastróficas. Hay algunos números aterradores asociados con los SSME: las bombas de cada motor, que giran a unas 30 000 RPM, producen algo así como 100 000 HP de potencia mecánica solo para mover los propulsores. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_main_engine#Turbopumps )

La serie SpaceX Merlin, si bien utiliza un diseño de bomba mucho más conservador, es probable que todavía tenga una bomba limitada; quieren poder reutilizar esos motores durante mucho tiempo sin la revisión total requerida por el SSME, por lo que no pueden arriesgarse a dañar las bombas presionándolas demasiado.

En algún momento es más fácil ganar rendimiento haciendo un motor más grande y de menor presión. Llevado al límite, este enfoque le brinda Sea Dragon, un motor extremadamente grande, potente y de baja presión. ¿Cuán realista sería producir el motor Sea Dragon dada la tecnología actual?

Si la única limitación del empuje es la velocidad a la que las turbobombas pueden llevar el combustible a la cámara de combustión, ¿por qué no usarían enormes turbobombas F1 para que los motores Merlin produzcan más empuje?
No es la única limitación; según Hobbes, la temperatura y la presión también son factores. La turbobomba F-1 probablemente pesa más que un motor Merlin completo. Te estás acercando rápidamente al territorio de "¿por qué no poner un motor Ferrari en un Honda Civic?".
Si no escala el motor en sí (boquilla y cámara de combustión) con el rendimiento del combustible, perderá ISp rápidamente, ya que cada vez se produce más expansión de gas fuera del motor: la energía se desperdicia en el gas que se expande hacia los lados en lugar de empujar el motor. Y si sigue aumentando el tamaño de la cámara de combustión, pronto aparecerán problemas de estabilidad de combustión. Por esa razón, puede ser beneficioso usar boquillas más pequeñas, incluso si son alimentadas por la misma bomba (como Soyuz).

Varias cuestiones vienen a la mente:

  1. Temperatura y presión de la cámara de combustión (aumentarlas lo suficiente y las paredes se deformarán o derretirán). Se puede mitigar enfriando las paredes de la cámara.

  2. Inestabilidad de combustión: cuanto más grande es el motor, más posibilidades tiene de obtener inestabilidad. Este fue un gran problema en el desarrollo del motor F-1 (primera etapa Saturno V). El problema se resolvió mediante muchas pruebas de diferentes configuraciones de inyectores.

  3. Densidad de inyección. Las presiones más altas requieren más propulsor, por lo que necesitará más inyectores hasta que la mayor parte de la pared de la cámara consista en orificios para inyectores.

El inyector F-1 tenía que tener lo que se describió como una "densidad de inyección extraordinariamente alta", aproximadamente 5 libras de propulsor por pulgada cuadrada por segundo.

¡Gracias por la respuesta! Como pregunta secundaria, ¿serían estos también los factores que limitarían que un motor más pequeño produzca más empuje? Si, por ejemplo, tuviera que inyectar más propelente en un motor Merlin, ¿qué factor es más probable que cause una falla? ¿Seguiría siendo probable la estabilidad de la combustión?
En motores más pequeños, es probable que la temperatura o la presión te limiten.
Si pienso de manera simple, diría que un motor pequeño, que tiene más área de superficie que volumen, podría manejar la temperatura y la presión mejor que uno grande si está diseñado para ello. Pero para la cuestión de un motor existente, podría ser que la combustión sea incompleta, puede ser más difícil obtener suficiente tiempo de reacción antes de que se apague la boquilla.
¿Puedes vincularme a algún artículo con evidencia de esto?
@BorisDeletic No agregué el nombre de nadie; creo que está dirigido a (a) Hobbes, quien escribió esta respuesta. Estoy pensando que tanto la mezcla (a escala molecular) como la combustión necesitan tiempo para llevarse a cabo, y si empujas las cosas demasiado rápido, terminarán soplando por el otro extremo y reaccionando más tarde. Es solo una suposición/comentario.
En un motor más pequeño, la mayor parte del combustible se quemará fuera del motor...

En última instancia, existe el límite de la energía total disponible. Hay tantas calorías en una libra de hidrógeno y oxígeno (o cualquier combustible) Los cohetes son en realidad motores extremadamente eficientes, que convierten más energía latente en movimiento que la mayoría de los motores. (Ojalá tuviera los números.) Es por eso que algunas personas argumentan que necesitamos cohetes nucleares, la densidad de energía es mayor por orden de magnitud.

Eso limita el Impulso Específico pero no el empuje.
Factores limitantes del empuje del motor de cohete líquido
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