¿Por qué no se usan motores de ciclo expansor en etapas inferiores?

Me parece que tiene dos preguntas: 1) ¿Por qué los motores de ciclo de expansión abierta pueden ser más grandes que los cerrados? y 2) ¿Por qué no hay más motores de nivel del mar de ciclo expansor? Su(s) pregunta(s) muestra(n) que ya conoce los problemas de escalabilidad que acechan a los diseñadores de motores de expansión. Antes de que podamos ver dónde se originan tales problemas, hablemos un poco más sobre cómo funcionan los motores de ciclo expansor.

Un motor de ciclo expansor es un motor bombeado, pero en lugar de usar un generador de gas (que es básicamente un motor de cohete pequeño, pero quemado con una relación O/F muy alejada de la relación estequiométrica para mantener bajas las temperaturas de escape) para alimentar su turbobomba, un ciclo expansor utiliza el cambio de fase de su propulsor líquido para proporcionar la presión necesaria para hacer funcionar la turbobomba. Este cambio de fase es inducido por el enfriamiento regenerativo de la cámara de combustión , lo que hace que los motores expansores sean más eficientes, ya que utiliza lo que de otro modo sería calor residual para hacer el trabajo requerido para hacer funcionar la turbobomba.

La conclusión aquí es que los motores de ciclo expansor requieren calor residual para hacer el trabajo de hacer girar la bomba . Aquí es donde empezamos a tener problemas de escalado. Si duplica las dimensiones de su cámara de combustión, necesita 8 veces el volumen de propelente para llenarla, pero solo tiene 4 veces el área de superficie para obtener calor residual. Eventualmente, a medida que lo amplíe, se encontrará con problemas de flujo de calor en los que simplemente no podrá obtener suficiente trabajo del área de enfriamiento limitada para bombear el volumen de propulsor requerido para hacer funcionar el motor .

Pero puede posponer ese problema si puede mantener su cámara de combustión más pequeña. Esto tiene la deliciosa ventaja de aumentar su presión de combustión y, en consecuencia, su rendimiento. El truco aquí es prevenir problemas de reflujo. Si está conectando el escape de su turbobomba a su presión de combustión, debe asegurarse de que la presión del escape exceda la presión de su cámara o las cosas comenzarán a fluir de manera incorrecta . Esto limita la presión de su cámara, ya que la presión de escape de su turbobomba nunca será muy alta, debido a que todo proviene de la gasificación de sus propulsores.

De hecho, incluso limita la eficiencia de sus turbobombas. Si diseña una bomba con una relación de presión muy alta (una relación de las presiones del flujo que impulsa la bomba frente al flujo que impulsa la bomba), entonces la bomba que alimenta propulsor a la cámara podría hacer que la presión de la cámara exceda la presión de escape de su bomba incluso antes de que comience la combustión. Y es una pena, porque las turbobombas más eficientes requieren menos trabajo para impulsar el mismo volumen de propulsor.

Todos estos problemas de contrapresión desaparecen si desconecta por completo el escape de la bomba de la cámara. Ahora tienes el ciclo de expansión abierto. Ahora puede hacer una cámara de mayor presión y una bomba más eficiente y puede aumentar su empuje. El ciclo de expansor abierto tiene otra ventaja, que es que puede proporcionar vacío a sus tanques simplemente ventilando la ebullición a través del sistema de bomba y saliendo por la boquilla. Otra ventaja es que también haces girar las bombas, por lo que es increíblemente fácil volver a encender el motor y obtienes encendidos prácticamente ilimitados. Hay una razón por la que el RL-10 tiene tanto éxito.

Ahora a la pregunta dos...

Aquí empieza la especulación por mi parte, simplemente porque bueno, los expansores del nivel del mar sí existen. O están a punto de hacerlo. Al menos, JAXA está construyendo uno y estoy bastante seguro de que tendrán éxito. Entonces responderé "¿por qué no hay más?"

Creo que la respuesta es triple. En primer lugar, muchas de las ventajas de un motor de ciclo de expansión abierto no se requieren al nivel del mar . No necesita vacío libre, solo necesita un encendido, y los TWR súper altos no son tan útiles. Como resultado, la gente ha estado construyendo impulsores y sustentadores de generadores de gas durante mucho tiempo, y ha surgido una brecha tecnológica sustancial. ¿Por qué usar tecnología poco conocida cuando puede usar tecnología muy bien entendida? Tal vez con los esfuerzos de Mitsubishi, esta brecha tecnológica comience a cerrarse.

En segundo lugar, los motores expansores históricamente han sido INCREÍBLEMENTE caros de producir . Dado que obtiene un mayor rendimiento al enfriar de manera más eficiente su cámara de combustión, las cámaras (y las boquillas) enfriadas regenerativamente están llenas de orificios muy, muy densos. Eso es muy difícil de fabricar tradicionalmente. Esta es la misma razón por la que el SSME era tan costoso (entre otros), y es por eso que a menudo se cita que los RL-10 son la parte más cara de cualquier cohete en el que se montan. Esto va de la mano con la primera razón. Si necesita las ventajas de un ciclo expansor, los costos pueden estar justificados, pero no lo son para un motor de refuerzo del nivel del mar. Creo que el costo comenzará a disminuir sustancialmente a medida que madure la fabricación aditiva y podríamos comenzar a ver más expansores del nivel del mar.

Finalmente (y mi respuesta más inestable), creo que también se debe a que no se puede tener una boquilla tan grande al nivel del mar. Si su relación de expansión es demasiado alta, va a subexpandir demasiado su empuje y, en el mejor de los casos, perderá el empuje y, en el peor de los casos, destruirá su boquilla. He estado diciendo que los ciclos del expansor hacen que su turbobomba funcione al enfriar la cámara de combustión, pero también lo hacen al enfriar la boquilla. Sin mencionar que las boquillas también están sujetas a la ley del cubo cuadrado, y resulta que las boquillas grandes optimizadas para el nivel del mar simplemente no le darán el trabajo que necesita para hacer funcionar sus bombas más grandes. Su experiencia puede ser diferente.

Ese artículo "Inside the LEO Doghouse" que encontraste es muy bueno. Está escrito por un tipo con el que trabajo y si no lo leíste todo, vale la pena tomarse el tiempo.

1. Los ciclos abiertos del expansor aún pueden ser muy eficientes. Puede obtener Isp con LOX/LH2 en la vecindad de 450 s, que es solo unos pocos s por debajo de RS-25 y RL-10.

2. Debe comprender que el mayor impulsor de rendimiento para un expansor son las turbobombas. La mayor limitación entonces es lo que está contrarrestando sus turbinas. Dado que en un expansor cerrado, debe volcar la descarga de la turbina en el MCC, la presión de descarga de la turbina debe ser mayor que la presión del MCC. Eso significa que la relación de presión en sus turbinas será muy limitada, del orden de 1,5 a 2,5. Cuanto mayor sea el PR, más eficiente funcionará su turbina. La única forma de aumentar ese PR en un expansor cerrado es hacer funcionar el MCC a una presión más baja (como RL-10), lo que limita el empuje/rendimiento general o le da a su turbina una presión de fluido más alta, pero eso hace que la bomba trabaje más. lado tiene que realizar que tiene que ser alimentado por la turbina. Ese trabajo, por supuesto, tiene que venir de alguna parte,

El limitador secundario en los ciclos del expansor es la cantidad de entalpía que puede obtener al enfriar sus dispositivos de combustión. Es fácil hacer una cámara más larga para aumentar el área de superficie para la captación de calor, pero en última instancia, la temperatura está limitada por los materiales de la turbina. También está infringiendo la envoltura de su motor de esa manera. Otra forma es aumentar el caudal másico de la turbina, pero nuevamente, eso es más trabajo que tienen que hacer las bombas. A medida que aumenta la clase de empuje, estas cosas como la captación de calor y el trabajo de bomba/turbina no escalan 1 por 1. Todo es muy circular e iterativo con expansores cerrados y hay compensaciones en todas partes. A menos que obtengamos avances masivos en la ciencia de los materiales, no hay mucho que podamos sacar de ese ciclo.

Curiosamente, SSME tiene una presión de cámara cercana a los 3000 psi, por lo que puede imaginar cómo son los niveles de presión en el resto del motor. Antes de llegar a la cámara, tiene que pasar por todas las líneas de refrigerante, los prequemadores y finalmente el inyector. Parte de eso también se aprovecha para alimentar el LPFP y luego se usa para la represión del tanque. Saliendo directamente del HPFP, ¡el LH2 tiene una presión de 7,000 psi! Es una locura.

ORRRRRRRR, puede abrir la descarga de la turbina a la atmósfera como en un expansor abierto y su turbina PR instantáneamente pasa de <2 a> 10. Con eso, muchos de estos problemas no son tan malos y tiene mucho más espacio para escalar. Obtuve el ciclo para cerrar alrededor de 45 klbf para un expansor abierto en el que trabajo, y eso se basa en hardware real que en realidad se probó. También hay mucho más espacio para ir incluso más alto si tuviéramos bombas diferentes.

Sí, un expansor abierto es menos eficiente, pero no exactamente por quéCrees. Tiene razón en que la pérdida de eficiencia proviene de la cantidad de propulsor que permanece sin quemar, pero dirigirlo a los tanques para reprimirlo no hará mucho; se necesita tan poco para reprimir los tanques que termina ventilando el resto. . Lo más inteligente que puede hacer es expulsar ese fluido de una boquilla mucho más pequeña para que al menos obtenga algo de él (como Merlin, aunque sea un ciclo GG) que a menudo se usa para control de balanceo en un vehículo de un solo motor o control de actitud en un vehículo multimotor. Las pérdidas provienen de que las bombas tienen que poner trabajo en ese fluido, pero como usted señaló, ese fluido se expulsa sin quemarse, por lo que obtiene mucho menos trabajo del que pone. Independientemente de si usa el propulsor para reprimir, sus bombas todavía están poniendo trabajo en el fluido que están no vuelve a salir en la combustión. Dibuje un volumen de control alrededor de su motor y verá lo que quiero decir.

Otro problema es que el calor específico de los diferentes propulsores hace que algunos sean mejores que otros para diferentes ciclos. Para los expansores de los que estamos hablando, LH2 obtendrá la mayor entalpía al enfriar el MCC, además es fácil de encender, pero LH2 es un combustible de etapa central terrible. Y dado que los ciclos de expansión son tan sensibles a la captación de calor, LH2 tiene una presión crítica baja agradable (alrededor de 200 psia, si mal no recuerdo) hace que sea mejor trabajar con él, ya que no tiene que lidiar con el flujo de 2 fases en sus canales de refrigeración. El metano, por otro lado, tiene una presión crítica mucho más alta (casi 700 psia, si mal no recuerdo), por lo que puede encontrarse fácilmente con un flujo de 2 fases en sus canales de refrigerante a menos que sus presiones sean lo suficientemente altas. El flujo de 2 fases crea una transferencia de calor impredecible y puede provocar puntos calientes y quemaduras en la pared caliente de la cámara si empeora lo suficiente. El metano también es un PITA para la luz.

Tiene razón acerca de sus ventajas potenciales adicionales #2 y #3. Pero siempre que estemos comparando con los ciclos SC o GG, hay un beneficio adicional adicional. Debido a que todo en un ciclo de expansión está tan intrínsecamente acoplado, están a salvo en una anomalía. Digamos que su bomba de combustible comienza a fallar por cualquier motivo: no está emitiendo fluido presurizado, por lo que las turbinas no obtienen lo que necesitan y el motor se apaga lentamente. Digamos que la bomba Ox o la válvula Ox principal fallan, la relación de mezcla comenzará a disminuir, el refrigerante no obtendrá suficiente calor para hacer funcionar las turbinas y el motor se apagará. Digamos que incluso tiene una falla en una de las válvulas de combustible: la relación de mezcla aumentará y se quemará a través de la pared de la cámara. Una vez que eso sucede, su refrigerante se filtra hacia la cámara en lugar de alimentar las bombas, y lo adivinaste, el motor se apaga. Es muy poco probable que obtenga una explosión de destrucción de vehículos cuando un expansor tiene una falla.

El expansor abierto LOX/LH2 en el que trabajo sangra alrededor del 2% en masa del propulsor por la borda.

Anton mencionó algunos buenos puntos que me perdí. Sin embargo, hay algunas cosas con las que discrepo.

¿A qué te refieres con toda la palabrería? La evaporación es el vacío. Otro lugar en el que definitivamente no desea que el flujo bifásico entre en sus bombas, por lo que no estoy seguro de lo que quiere decir con ejecutar la ebullición a través de sus bombas.

Además, muchos motores arrancan con las bombas ya girando. Eso se llama simplemente arranque con cabeza de tanque como lo hace el SSME de combustión por etapas y eso realmente no tiene mucho que ver con la facilidad con la que se enciende un motor. La combinación de propulsores tiene un efecto mucho mayor en la facilidad de encendido. Y los inicios "prácticamente ilimitados" no son realmente algo que exista. Arrancar un motor de cohete tiene un costo real en todo el hardware. Las bombas funcionan fuera de diseño, por lo que los sellos rozan, y si son cojinetes hidrostáticos, también rozan. La cámara recibe una paliza de las excursiones de la relación de mezcla y la distribución heterogénea del flujo, especialmente si tiene que pasar a través de la estequiometría, y eventualmente tendrá un quemado. Es por eso que el número de arranques es un requisito de diseño de alta prioridad cuando nos proponemos desarrollar cualquier motor nuevo.

Sin embargo, tiene razón en que el RL-10 es un motor extraordinariamente fiable. Pero no es la opción para los motores de etapa superior solo porque es un expansor. Es porque tiene un excelente rendimiento y fiabilidad. La confiabilidad es clave cuando se habla de motores de etapa superior, donde a menudo se necesitan múltiples arranques. Sin embargo , parte de esa confiabilidad se debe a que es un expansor: cuantos menos dispositivos de combustión tenga, mejor. Sin embargo, los GG también se usan a menudo como motores de etapa superior: SpaceX M1vac y J-2X. También creo que la etapa superior de Starship de SpaceX también estará alimentada por Raptors de combustión por etapas.

Un miembro de la compañía me dijo una vez que el RL-10 básicamente subsidia todo lo demás en Aerojet hasta que llegó el reinicio del RS-25. Sin embargo, el costo con aditivo ha abaratado las cosas. Todo el programa de desarrollo en el que he estado trabajando para un expansor abierto ha estado por debajo de los 18 millones. Pero simplemente por hardware y mano de obra, solo estamos hablando de 2-3Mil por copia. Es casi enteramente aditivo. La razón por la cual el SSME/RS-25 cuesta alrededor de $40 millones por copia y un plazo de entrega de 7 años es principalmente la boquilla. La boquilla tiene 1.080 tubos de refrigerante individuales que deben soldarse juntos. Gran parte de ese trabajo se hace a mano. Hasta hace poco, eso tomaba 6 AÑOS por boquilla. Creo que lo hemos reducido a 3 o 4 años ahora, pero no debido a los cambios aditivos, solo al proceso. La NASA está incorporando aditivos en RS-25 poco a poco ahora para reducir costos, pero es

También menciona el tamaño de la boquilla en SL. Hay tecnologías para mitigar eso ahora. Además de Aerospike, que ha existido durante mucho tiempo, ahora tenemos boquillas de empuje aumentado y boquillas de doble campana, pero a ambas les faltan al menos 10 años para estar listas para volar.