¿Por qué los motores alimentados a presión tienen inestabilidades de combustión?

Al leer sobre la idea del Dragón Marino, me encontré con este argumento en contra , que suena convincente, pero se basa en un conocimiento más detallado del que tengo:

Esos deben ser alimentados a presión para evitar la "complejidad". ¿Complejidad? ¿Qué hay de la inestabilidad de la combustión por ondas de presión desbocadas del tamaño de casas? Se necesitaron siete años para evitar que los problemas de combustión acabaran con la F1 en los bancos de pruebas, y si no se hubiera iniciado a finales de los años cincuenta como un proyecto de investigación, habría retrasado todo el programa lunar.

AFAIK, el Sea Dragon tendría una bolsa presurizada de helio a alrededor de 60 psi que actúa como empujador de los líquidos criogénicos hacia el motor. Parece completamente contrario a la intuición que esto tendría más problemas mecánicos que un sistema accionado por turbina.

¿Por qué es esto? ¿Qué causa que un motor impulsado por presión asombrosamente simple sufra grandes inestabilidades de presión que se propagan desde el motor?

Solo como referencia y lectura recomendada de antaño: Harrje, Reardon (1972) - NASA SP-194 Liquid Propellant Rocket Combustion Instability.
Es interesante notar que la "inestabilidad de la combustión" varía desde solo un poco de vibración hasta explosiones altamente entretenidas pero peligrosas y costosas. ¡Muy buena pregunta!
Alan, F-1 y J-2 fueron alimentados por bomba. Estás pensando en los motores SM y LM .
Un motor alimentado a presión que funciona a 60 psi tendría un empuje bastante pobre. Piense en cientos de psi si la intención es usarlo para un vehículo de lanzamiento. La mayoría de los sistemas alimentados por presión de purga almacenan presurizante a miles de psi.
Otra referencia: inestabilidad de la combustión del motor de cohete líquido. Vigor Yang, William Anderson (eds). AIAA n.º 169, 1995.
@AdamWuerl: Se trata de presión que entrega combustible a la cámara de combustión, no de presión que actúa como propulsor directo. Alimentar hidrógeno líquido y oxígeno a 60 psi en la cámara donde reaccionan violentamente y proporcionan propulsión real parece un punto menor.
@SF. Mmm no. Así no es como funcionan los motores de cohetes. El propulsor en la cámara de combustión debe estar a alta presión. La cámara no está sellada, por lo que el evento de combustión no aumenta la presión como lo hace en un motor de combustión interna. La combustión aumenta la temperatura, que proporciona la energía que se convierte en velocidad por la expansión a través de la boquilla, pero sin presión nada de eso funciona. La cámara de combustión es alimentada por una fuente de alta presión o almacenada a baja presión y bombeada. 60 psi es probablemente la presión de alimentación de las turbobombas.
@AdamWuerl Pensé que la reacción aumenta la presión dentro del cono, pero eso no se propaga porque el flujo está obstruido. Pero podría haber muchas cosas que no estoy entendiendo. También pensé que el Saturno V usaba un globo empujador de helio similar de 60 psi. Tal vez valdría la pena investigar eso.
@AdamWuerl: Si ya hay presión, ¿por qué se necesita tanto calor? Podría entender contrarrestar la caída de temperatura a medida que el material presurizado se expande, para evitar que todo se congele, pero normalmente la temperatura por sí sola no se convierte en velocidad (o el Sol estaría volando muy rápido), simplemente puede aumentar la energía de un gas, ya sea expandiéndolo o aumentando su presión (y el gas que se expande fuera de una cámara abierta proporcionará empuje contra la dirección de la boquilla). Aún así, no necesita calor para eso, el gas frío presurizado aún es suficiente.
@SF. y AlanSE Esas son preguntas suficientemente buenas. Pensé que merecían su propio hilo: ¿Por qué los motores de líquido alimentados por bomba y presión necesitan operar a altas presiones?
Me encanta esta discusión. También me he preguntado sobre la viabilidad del Sea Dragon. En mis andanzas, descubrí que el motor SpaceX Kestrel utilizado en la etapa superior del Falcon 1 tenía un diseño de pivote y también era alimentado a presión (sin turbobomba). Sin embargo, solo produjo un poco menos de 7000 lbf de empuje. Pero el Sea Dragon habría requerido un motor 10.000 veces más grande. Tenía una relación de empuje a peso de 65:1, por lo que el motor por sí solo habría pesado más de un millón de libras. Esto es, por supuesto, asumiendo una escala perfectamente lineal que en realidad no sucede en la práctica.

Respuestas (2)

En los motores de cohetes alimentados a presión, el propulsor (tanto el oxidante como el combustible) es alimentado a la cámara de combustión por el gas presurizado (generalmente helio) y no contiene ninguna complejidad, como bombas de alimentación o turbobombas.

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La presencia de la turbobomba impide que la onda de presión alcance el depósito de gas propulsor. Pero en un motor de cohete alimentado a presión solo contiene la válvula que se abre y se cierra bajo presión.

La válvula se abre si la presión en la cámara de combustión es menor que la presión en el tanque propulsor (que tiene paredes gruesas porque necesitan soportar alta presión)

La válvula se cierra si la presión en la cámara de combustión es mayor que la presión en el tanque de propulsor (para evitar que las ondas de presión lleguen al tanque de propulsor)

con un ciclo alimentado por presión directa es que cualquier variación en la presión resultará en el doble del cambio en todo el circuito, amplificando la oscilación. No hay turbina entre los inyectores y los contenedores para evitar que esa oscilación se propague.

Durante el proceso de combustión, la presión en la cámara de combustión aumenta (disminuye la velocidad del flujo) al mismo tiempo que disminuye la cantidad de inyección de propulsor del inyector y, de repente, aumenta la velocidad del flujo (disminuye la presión de la cámara de combustión) los inyectores inyectan más propulsores que se queman afuera la boquilla

Para ser teórico, el tiempo de residencia del combustible en una cámara de combustión viene dado por la longitud característica (normalmente indicada por L*) (longitud mínima que permanecerá el combustible en la cámara de combustión y la boquilla para que se produzca la combustión completa)

L ∗ = q ∗ V ∗ t s A

q es el caudal másico del propulsor, V es el volumen específico medio y t s es el tiempo de permanencia del propulsor A es el área de garganta sónica

por lo tanto, la tasa de flujo de propulsor es una función de la diferencia de presión entre la cámara de combustión y el tanque de propulsor y, a medida que aumenta la tasa de propulsor como resultado de la baja presión (en comparación con la presión en el tanque de combustible) en la cámara de combustión, la longitud característica también aumenta (ya que la longitud de la boquilla permanece constante) da como resultado inestabilidades en la combustión del combustible y la combustión se produce fuera de la boquilla

El problema con Sea Dragon y la inestabilidad de la presión es que la probabilidad de inestabilidad de la presión aumenta exponencialmente a medida que el tamaño de la cámara de combustión y el diámetro de la boquilla aumentan linealmente. Se suponía que la campana de Sea Dragon tenía más de 75 pies de diámetro y emitía 350 meganewtons de fuerza (alrededor de 5000% más que un motor F-1). Los F-1 tenían grandes problemas con la estabilidad de la combustión, que finalmente se resolvieron.

A Truax no le preocupaba la estabilidad de la combustión porque el motor iba a ser del tipo de inyector de clavija. Él creía que la estabilidad de la combustión natural del inyector de clavija permitiría que los motores enormes fueran altamente estables a una variedad de presiones. (La presión variable era una parte clave de su diseño, porque permitía un sistema mucho más simple y descuidado en el que la presión comenzaba alta y disminuía lentamente a medida que se vaciaban los tanques).

TRW (quien construyó los cohetes para el módulo de aterrizaje Apolo) luego validó su creencia . En ese documento, señalan que los inyectores de pivote han demostrado una combustión estable con motores que varían en escala en 50,000:1. Entonces, Truax probablemente tenía razón.

En una nota al margen interesante, los soviéticos tenían el mismo problema con la estabilidad de la combustión que nosotros. Esta es la razón por la cual los primeros motores soviéticos usaban cuatro cámaras de combustión más pequeñas en lugar de una grande. La incapacidad de los soviéticos para desarrollar motores grandes fue lo que llevó al N1 (su cohete lunar) a tener tantos motores (33 en la primera etapa, creo). Lo que luego condujo a enormes problemas de plomería, lo que condujo a la falla del N1, lo que condujo a la falla del programa lunar soviético.

Esta es una buena información (y el documento de TRW vinculado es una gran lectura), pero soy escéptico de que el comportamiento de los motores de inyector de clavija de hasta 2900 kN diga mucho sobre lo que harán a 120 veces ese nivel.
Incluso si el inyector de clavija no se acumula en tamaños de dragón marino, esta es una excelente respuesta y muestra cuán previsor fue Truax. Entonces, ¿parecería cierto decir que la inestabilidad es lo que provoca la atracción por los clústeres? Siempre me pregunté por la complejidad de algunos de los diseños agrupados.
@WetSavannaAnimalakaRodVance: Por supuesto, más motores significan una mayor probabilidad de que al menos uno de los muchos haga algo como explotar, lo que conduce a otras formas de inestabilidad.
Además, el documento de propuesta de Sea Dragon muestra lo que parece un inyector de cabezal de ducha convencional en el motor de la primera etapa; ¿Tiene una citación para Truax considerando la inyección de pintle para SD?
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