Ciclul de expansiune
Ciclul de expansiune (sau ciclu expander) este un ciclu termodinamic utilizat în bipropelant lichide rachete motoare. În general, în acest tip de ciclu, combustibilul este circulat în conducte sau cavități formate în duza de descărcare, astfel încât să absoarbă căldura pentru regenerare până când permite schimbarea fazei de la lichid la gazos. Odată ce starea gazoasă a fost atinsă, combustibilul este alimentat în turbina turbopompei de alimentare a motorului unde, prin extindere și răcire, eliberează energia necesară pentru deplasarea pompelor de combustibil și oxidant. Combustibilul ajunge apoi în camera de ardere unde reacționează cu oxidantul. [1]
Comparativ cu un ciclu de generator de gaz , ciclul de expansiune face posibilă construirea unor motoare mai simple și mai fiabile, la costul unei presiuni mai mici în camera de ardere, deoarece combustibilul este introdus în camera de combustie în aval de expansiunea în turbină. [1] Cantitatea de căldură care poate fi extrasă din duză este apoi limitată de geometria acesteia prin legea cubului pătrat . Pe măsură ce dimensiunea duzei convergente-divergente crește, forța crește. Suprafața duzei (prin care este posibil să se schimbe căldura) crește odată cu pătratul razei, în timp ce volumul combustibilului care trebuie încălzit crește în funcție de cubul razei. Din acest motiv, există o limită teoretică de împingere dincolo de care nu există suficientă suprafață disponibilă pentru a încălzi suficient combustibilul pentru a alimenta turbopompa. Cu toate acestea, este încă posibil să se mărească suprafața schimbătorului cu prețul unei greutăți mai mari și a unei eficiențe mai mici, prin prelungirea (de exemplu, ca la Vinci ) a camerei de ardere. Motoarele aerospike nu sunt supuse acestei limitări datorită formei lor liniare care nu este supusă legii cubului pătrat. De fapt, pe măsură ce dimensiunea motorului crește, atât volumul combustibilului care trebuie încălzit, cât și disponibilitatea termică cresc liniar. Toate ciclurile de expansiune utilizează combustibili criogeni precum hidrogenul , metanul sau propanul care ating cu ușurință punctul de fierbere .
Unele motoare cu ciclu de expansiune pot fi echipate cu un generator de gaz pentru a porni și a menține turbina în funcțiune până când exteriorul camerei de ardere și al duzei sunt suficient încălzite.
Buclă deschisă
Într-un ciclu de expansiune deschis , o mică parte a combustibilului încălzit se extinde în turbină și este apoi descărcată într-un punct în aval de duza de evacuare sau direct în atmosferă pentru a crește saltul de entalpie disponibil turbinei (și, prin urmare, putere ). În acest fel, motorul va putea genera o forță mai mare datorită debitului de combustibil mai mare, dar fracțiunea de combustibil dedicată mișcării turbinei, totuși, neparticipând la combustia din camera de ardere, reduce eficiența propulsor și scade impulsul specific al motorului. Un exemplu de motor cu ciclu de expansiune deschis este Mitsubishi LE-5A unde gazele de evacuare ale turbinei sunt alimentate în conducta divergentă a duzei de evacuare unde presiunea este scăzută. [2] [3]
Buclă închisă
Pe de altă parte, într-un ciclu închis , tot combustibilul este introdus în camera de ardere la presiunea redusă la ieșirea turbinei turbopompei. În mod similar cu ceea ce se întâmplă în ciclul de pre-combustie cu debit complet , este posibilă separarea completă a sistemelor de alimentare cu combustibil și oxidant prin furnizarea a două instalații echipate fiecare cu propriul sistem de regenerare, turbină și turbopompa, una pentru combustibil și una pentru oxidant . În acest fel, în detrimentul unei greutăți mai mari și a unei complexități de construcție mai mari, este posibil să se reducă riscul ca orice scurgeri de combustibil între diferitele componente ale turbopompei să poată declanșa explozii catastrofale. Mai mult, prin separarea celor două turbopompe, este posibil să se optimizeze vitezele de funcționare dacă propulsorii au densități foarte diferite (de exemplu hidrogen și oxigen) fără a recurge la utilizarea unor cutii de viteze de reducere delicate și complexe. [4] [5]
Când există două turbine (pentru combustibil și pentru oxidant), sistemul de regenerare poate fi la rândul său separat sau unic. În acest din urmă caz, singura instalație de regenerare este acoperită de combustibil care, datorită unui schimbător de căldură, permite și evaporarea oxidantului. [5]
Notă
- ^ a b Nasuti, Lentini, Gamma 2009 , p. 370.
- ^ Martin Sippel, Takayuki Imoto și Dietrich Haeseler, Studies on Expander Bleed Cycle Engines for Launchers ( PDF ), 39th AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit , AIAA , 23 iulie 2003. Accesat la 24 august 2016 (arhivat din adresa URL originală la 3 martie 2016) .
- ^ Masahiro Atsumi, Kimito Yoshikawa, Akira Ogawara și Tadaoki Onga, Dezvoltarea motorului LE-X ( PDF ), în Mitsubishi Heavy Industries Technical Review , vol. 48, nr. 4, Mitsubishi Heavy Industries , decembrie 2011, pp. 36–43. Adus la 24 august 2018 (Arhivat din original la 24 decembrie 2015) .
- ^ George P. Sutton și Oscar Biblarz, Secțiunea 6.6 ( PDF ), în Rocket Propulsion Elements: o introducere în ingineria rachetelor , Seventh, John Wiley & Sons, Inc, 2000, pp. 221-227, ISBN 0-471-32642-9 . Adus la 24 august 2018 (arhivat din original la 19 ianuarie 2016) .
- ^ a b Greene, William D., Statele Unite ale Americii, reprezentate de Administratorul Administrației Naționale a Aeronauticii și Spațiului, motor rachetă cu ciclu dublu expansor cu schimbător de căldură intermediar, cu ciclu închis , 7.418.814 B1 , SUA (2 septembrie 2008) ).
Bibliografie
- Francesco Nasuti, Diego Lentini, Fausto Gamma, Note de curs din cursul de propulsie aerospațială ( PDF ), în Universitatea Sapienza din Roma , 2009, p. 370. Adus 11 februarie 2013 .
Elemente conexe
linkuri externe
- Cicluri de putere ale rachetelor , pe aero.org . Adus la 14 aprilie 2012 (arhivat din original la 14 aprilie 2012) .
