Turbopumpe / Dampferzeugung

Arcjets usw., haben eine sehr hohe Temperatur, aber einen sehr geringen Massenstrom, daher erreichen die auch bei hohem Isp nur geringe Schub. Damit kann man bestenfalls Lageregelung betreiben oder Bahnänderungen, aber keine Start von der Erde oder Mond oder Mars.

Das Problem des geringen Massenstroms bei Arcjets liegt natürlich primär daran das man nur begrenzt viel ektrische Leistung zur Verfügung hat und haben kann.

Zitat

Arcjets usw., haben eine sehr hohe Temperatur, aber einen sehr geringen Massenstrom, daher erreichen die auch bei hohem Isp nur geringe Schub. Damit kann man bestenfalls Lageregelung betreiben oder Bahnänderungen, aber keine Start von der Erde oder Mond oder Mars.

Das Problem des geringen Massenstroms bei Arcjets liegt natürlich primär daran das man nur begrenzt viel ektrische Leistung zur Verfügung hat und haben kann.

Genau, und mehr elektrische Leistung kostet dann wieder Gewicht (größere Solarzellen, die zunehmend verstärkt werden müssen um die immer größere Beschleunigung auszuhalten; Nuklearreaktoren; ...) Das ist für andere elektrischen Antriebe ähnlich.

kann mir jemand noch sagen warum ein Treibstoff in einen Strahltriebwerk ein höheren Spezifischer Impuls erreicht als in ein Raketentriebwerk?

Beispiel:

Das Strahltriebwerk  "Turbine JetCat P220-RXi"  hat ein Schub von 220 N und ein Kerosin von 725 ml/min.  dafür werden ca. 1396g Sauerstoff benötigt.
macht zusammen Ca. 2012,25g Treibstoff bei einen Spezifischer Impuls 13200 N/s  das sind ca. 6500 N/s pro KG Treibstoff. das wäre mehr als bei H2 und o2?

oder wo ist mein denkfehler ??

kann mir jemand noch sagen warum ein Treibstoff in einen Strahltriebwerk ein höheren Spezifischer Impuls erreicht als in ein Raketentriebwerk?

Beispiel:

Das Strahltriebwerk  "Turbine JetCat P220-RXi"  hat ein Schub von 220 N und ein Kerosin von 725 ml/min.  dafür werden ca. 1396g Sauerstoff benötigt.
macht zusammen Ca. 2012,25g Treibstoff bei einen Spezifischer Impuls 13200 N/s  das sind ca. 6500 N/s pro KG Treibstoff. das wäre mehr als bei H2 und o2?

oder wo ist mein denkfehler ??

Deine Rechnung kann ich nicht nachvollziehen.

Spez. Impuls = Schub / (gesamter Treibstoffverbrauch);   also 220 N / 2,01225 kg/s  =  109 Ns/kg, also nur ca. 2,5% im Vergleich zu H2/O2 von über 4300 Ns/kg.

Aber:  der Sauerstoff ist in der angesaugten Luft enthalten und hat darin nur eine Anteil von ca. 20%. Also ist der gesamte Luftverbrauch das fünffache, also ca. 7 kg/s. Damit wäre der Isp nur 29 Ns/kg.

Da Flugzeuge die Luft aber nicht mitführen, sondern frei Haus aus der Umgebung beziehen können, wäre die realistischere Rechnung  wohl:
Isp = 220 N / 0,616 kg/s  =  357 Ns/kg, immerhin über 8% von H2/O2.

Dies kleine Jet-Triebwerk ist aber ein sehr schlechtes Beispiel. Das Eurofighter Triebwerk EJ200 hat eine spez. Impuls (ohne Nachbrenner) bezogen auf den Kerosinverbrauch im Bereich 45000 - 48000 Ns/kg, also 10mal besser als ein H2/O2 Triebwerk

Ok. Aber warum hat  den zum Beispiel Kerosin in ein EJ200 Triebwerk ein höheren Impuls als in einen  Raketentriebwerk?
 

Ok. Aber warum hat  den zum Beispiel Kerosin in ein EJ200 Triebwerk ein höheren Impuls als in einen  Raketentriebwerk?

Das Triebwerk an sich hat einen höheren spezifischen Impuls. Das liegt daran, dass der Vortrieb beim EJ200 nicht primär durch den Ausstoss von verbranntem Kerosin erzeugt wird sondern durch das Ansaugen und Ausstoßen von Luft.

Die Verwendung des Begriffes "Treibstoff" (und ähnliche Begriffe) macht es so kompliziert. Es ist leichter zu verstehen, wenn der Unterschied zwischen dem Energielieferant (Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Sauerstoff, Solar, Nuklear etc.) und dem Vortrieb klar ist.

Treibstoffmasse ist nicht Rückstoßmasse, Beispiele:
- Auto: Kohlenwasserstoffe mit Luftsauerstoff (oder elektrisch) liefert die Energie, um mittels Ruckstoß an der Erde selbst Vortrieb zu erzeugen (die Erde wird in die Gegenrichtung beschleunigt)
- Schiff: Kohlenwasserstoffe mit Luftsauerstoff oder Kernbrennstoff liefert die Energie, um mittels Rückstoß im Wasser (Wasser wird in die Gegenrichtung beschleunigt) Vortrieb zu erzeugen
- Propellerflugzeug / Turboprop: Kohlenwasserstoffe mit Luftsauerstoff liefern die Energie, um in der Luft Vortrieb zu erzeugen.
In allen oben genannten Fällen trägt der Energieträger selbst nicht zum Rückstoß bei! Zusätzlich wird nur ein Teil des genutzten Treibstoff mittransportiert, da die andere Hälfte aus der Luft gewonnen wird. Alleine dadurch sinkt die benötigte Treibstoffmasse gewaltig ab (bei Kerosin ist das ca. 1/3!)
- Turbofan: die Abgase von Treibstoff (mit Luft) erzeugen ca. 20% des Vortriebs, der Rest wie oben.
- Turbojet: 100% des Vortriebs durch ausgestoßene Abgase von Treibstoff mit Luft
- Raketentriebwerk: 100% des Vortriebs durch komplett mitgeführten Treibstoff.
In den beiden letzten Fällen wird die Energie des Treibstoff dazu genutzt, sich selbst auf eine möglichste hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, wodurch der Vortrieb erzeugt wird.

Impuls und Newton's 3. Gesetz:
Der spezifische (=massenspezifischer) Impuls oder ISP ist der Vortrieb als Kraft (oder Geschwindigkeit im Abgas mal dessen Massenstrom) durch den eingesetzten (Treibstoff + Rückstoßmasse) Massenstrom. Die Einheit des Massenstroms kürzt sich raus, es bleibt daher einfach die Geschwindigkeitseinheit übrig - die korrekte* Einheit für ISP.

- Bei Raketentriebwerken ist der Abgas-Massenstrom und der Treibstoff-Massenstrom (fast*) das Gleiche. Der Impuls steigt also linear mit der Ausströmungsgeschwindigkeit. Die Energie dazu liefert der Treibstoff selbst. Der Energieinhalt im Abgasstrom steigt jedoch quadratisch mit seiner Geschwindigkeit, weshalb selbst sehr energiereiche Kombinationen wie H2+LOX nur einen ca. 30% höheren ISP liefern als Kerolox Triebwerke, obwohl die Treibstoffkombination ca. 3x mehr Energie freigibt.
- Bei luftatmenden Triebwerke ist der Abgas-Massenstrom nicht gleich dem Treibstoff-Massenstrom - das Verhältnis ist vielmehr ca. Faktor 3. Zwar ist die Ausströmgeschwindigkeit etwas geringer, aber durch den Massenstromfaktor ist ein Turbojet immernoch effektiver! Tabelle mit Werten: https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_impulse
- Bei Turbofans ist der Treibstoff-Massenstrom sehr viel mehr geringer als der Abgas-Massenstrom, da das Abgas nicht nur aus den Verbrennungsprodukten besteht, sondern massgeblich aus unverbrannter Luft, die mittels Fan beschleunigt wurde.
- Autos stoßen sich an der Erde (quasi die Rückstoßmasse) selbst ab, welche fast überhaupt nicht beschleunigt wird.

Um nun den ISP zu erhöhen, muss entweder der Zähler erhöht oder der Nenner erniedrigt werden - am besten Beides. Die Abgas-Geschwindigkeit ist meist (Ausnahme zB solar- oder nuklearelektrische Antriebe) mit dem Treibstoff-Massenstrom über dessen Energieinhalt im Quadrat verbunden. Im Weltall muss jedoch der gesamte Treibstoff und Rückstoßmasse mitgeführt werden. Die einzige Möglichkeit den ISP zu erhöhen ist ein Treibstoff mit einem möglichst hohen Energieinhalt zu nehmen.
Ist jedoch ein Teil des Treibstoffes oder Rückstoßmasse in der Umgebung, bei einem Flug durch eine Atmoshpäre (insbesondere wenn diese Sauerstoff enthält) ist es viel effizienter mit der Energie im Treibstoff statt ein bisschen Masse sehr stark zu beschleunigen, eine sehr grosse Masse nur ein bisschen zu beschleunigen. Die im Treibstoff enthaltene Energie verteilt sich gemäß Actio=Reactio auf beide Massen. Je geringer die Abgas- oder Rückstoßmasse beschleunigt wird, desto anteilsmäßig größer wird der Anteil der Energie, die das Fahrzeugt beschleunigt und damit der ISP für die gewählte Treibstoffkombi.

* Der ISP entspricht nicht der durchschnittliche) Abgasgeschwindigkeit, wenn ein Teil des Treibstoffes für die Druckerhöhung verbraucht wird und nicht in geringerer Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Beispielsweise beim Gas Generator Cycle wie die F-1 der Saturn 5 Mondrakete.

PS: Ich liege sicherlich in einigen Details daneben und bin unvollständig (insbesondere im Satzbau und Rechtschreibung). Das ist mir bewusst. Ich will hiermit nur den generellen Unterschied klarstellen und hoffe sehr, dass mir dies gelingt. Bitte kreuzigt mich nicht. Fehlerkorrektur bitte per PM!

Vielen dank für die weiteren Antworten.

Hast zwar nichts mehr direkt mit diesem Thema zu tun. 


Warum Nutzen eigentlich einige Lenkwaffen Wie ASPIDE oder SIDEWINDER Gasgeneratoren für Energie Versorgung? Kann man das nicht einfach mit Akkumulatoren tun?

Warum muss eigentlich eine SIDEWINDER mit Flüssigen Stickstoff gekühlt werden? wegen der hohen Fluggeschwindigkeit und der Reibung mit der Luft?

Der Gasgenerator der Sidewinder ist ein Pyrotechnisches Element, das über einen bestimmten Zeitraum Gasdruck zur Bewegung der Steuerflächen erzeugt.
Die Kühlung besteht nur aus komprimiertem Gas, das beim entspannen Kälte erzeugt.
Damit wird nur der Infrarotsensor gekühlt, damit er besser sehen kann.

Der Gasgenerator der Sidewinder ist ein Pyrotechnisches Element, das über einen bestimmten Zeitraum Gasdruck zur Bewegung der Steuerflächen erzeugt.

Sehen einigermaßen unspektakulär aus: https://www.gd-ots.com/download/Gas%20Generator.pdf

Die Kühlung besteht nur aus komprimiertem Gas, das beim entspannen Kälte erzeugt.
Damit wird nur der Infrarotsensor gekühlt, damit er besser sehen kann.

Neben Stickstoff wurden auch Argon und Peltier-Elemente zur Kühlung eingesetzt.

Gruß   Pirx

Ok. Aber warum werden die Steuerflächen nicht einfach mit Elektro Servos? Hat Gas irgendeinen Vorteil?

Pneumatische Aktuatoren sind einfacher und kleiner als elektrische Aktuatoren. Dadurch haben sie eine erhoehte Zuverlaessigkeit und sind sehr viel leichter und kleiner im Vergleich zu gleich starken/schnellen Elektromotoren samt Getriebe. Nachteil ist die geringe Effizienz (Druckluft ist teuer).

Deshalb finden sich solche Pneumatiksysteme haeufig in der Industrie, insbesondere bei Fliessbaendern, Abfuellanlagen etc.

Hydraulische Systeme benoetigen (meist) die Oelrueckfuehrung, was sie etwas komplexer als pneumatische Systeme macht. Dafuer sind sie genauer.

Weiterer Vorteil ist das Druckluft keine Zuendquelle sein kann, das Gefaehrdungspotential fuer Menschen ist auch geringer (kein elektrischer Schock). Wichtig fuer die Industrie.

PS: GZ-A1, danke fuer deine Erklaerung, wieder was gelernt.

Keine Ursache, ist Altwissen, ca 30 Jahre alt.

BTW: Ich habe, aus aktuellem Anlass, meinen Usernamen geändert, aus GZ-A1 wurde GZ-Q2.

Moin,

Habe leider noch eine Frage zum Gasgenerator bzw. Vorbrenner

Wird eigentlich der Treibstoff erst mit der Turbopumpe Verdichtet und dann in den Vorbrenner geleitet? Oder erst in den Vorbrenner und dann in die Turbopumpe?

Ich habe leider keine genauen Daten bekommen.  Der Gasgeneratordruck des Vulcain Triebwerk soll bei 80 bar liegen. Mit wie viel Bar wird eigentlich eingeleitet? Der Druck muss doch vor den Vorbrenner größer sein oder nicht? Wo her kommt dieser Druck?

Moin,

Habe leider noch eine Frage zum Gasgenerator bzw. Vorbrenner

Wird eigentlich der Treibstoff erst mit der Turbopumpe Verdichtet und dann in den Vorbrenner geleitet? Oder erst in den Vorbrenner und dann in die Turbopumpe?

Ich habe leider keine genauen Daten bekommen.  Der Gasgeneratordruck des Vulcain Triebwerk soll bei 80 bar liegen. Mit wie viel Bar wird eigentlich eingeleitet? Der Druck muss doch vor den Vorbrenner größer sein oder nicht? Wo her kommt dieser Druck?

Ja. Auch der Gasgenerator/Preburner hat im Normalfall einen höheren Druck als die Tanks. Daher müssen die Treibstoffe zuerst von der Pumpe gefördert werden, bevor sie in den Gasgenerator eingeleitet werden können.

Ein Hauptstromtriebwerk, wie z.B. das SSME hat einen sehr hohen Preburner-Druck über dem Brennkammerdruck, weil das Abgas danach ja in die Brennkammer strömen muss. Beim Nebenstromtriebwerk wie z.B. dem Vulcain 2 hat der Gasgenerator einen niedrigeren Druck als die Hauptbrennkammer, weil die Gase danach ja durch die Turbine in die Umgebung entlassen werden.

Reinraum, les dir mal die Beschreibungungen im Internet oder bei (der englischen) Wikipedia zu den verschiedenen Triebswerksarten (Pumpengefoerdert, Tap Off, Expanderverfahren, Nebenstromverfahren und Hauptstromverfahren) durch.
Aehnlich wie bei einem Automotor, einer Flugzeugturbine oder im Dampfkraftwerk wird durch Druck etwas angetrieben. Dieser Druck wird zu einem Zeitpunkt (mechanisch) erzeugt, wenn das Volumen noch nicht so gross ist (vor der Verbrennung oder vor dem Verdampfen - beides erhoeht das Volumen enorm). Dadurch wird beim Druckerhoehen weniger Energie benoetigt als beim Entspannen. Bei einem Automotor wird Luft im Zylinder verdichtet, die Energie dazu kommt vom Schwung oder von einem anderen Zylinder, der gerade Benzin in Luft verbrennt.

Bei Raketentriebwerken kommt das meist (nicht bei Druckfoerderung) durch eine Turbine, die eben auch irgendwie angetrieben werden muss. Das geht stark in die Gesamteffizienz und die Kosten ein, weshalb es hier unterschiedliche Loesungen gibt.

[...]
Ein Hauptstromtriebwerk, wie z.B. das SSME hat einen sehr hohen Preburner-Druck über dem Brennkammerdruck, weil das Abgas danach ja in die Brennkammer strömen muss. Beim Nebenstromtriebwerk wie z.B. dem Vulcain 2 hat der Gasgenerator einen niedrigeren Druck als die Hauptbrennkammer, weil die Gase danach ja durch die Turbine in die Umgebung entlassen werden.

Der Druck kann sogar hoeher sein als in der Brennkammer, den die Treibstoffe haben nach den Pumpen den hoechsten Druck und fliessen dann in dieser Skizze direkt in den Gasgenerator, jedoch erst durch die regenerative Kuehlung zur Brennkammer..
Wikipedia EN

Ok. Danke.

Hatte ich zwar schon gemacht, bin nur damals zu den Entschluss gekommen, Das der Treibstoff erst in den Vorbrenner kommt, und dann in die Pumpe…
 
Was mich jetzt noch Interessiert, sowohl im  Nebenstromverfahren als auch im Expander open cycle.

Wie hoch ist eigentlich der Druck am „Auspuff“ also nach der Gastrubine? Die Ariane 5 hat 80 Bar Vorbrennerdruck (Gasgeneratordruck) wieviel bleiben davon übrig nach der Gasturbine?

Stets Aussendruck (ca. 1 bara am Boden), da geht's ja hin

Stets Aussendruck (ca. 1 bara am Boden), da geht's ja hin

naja direkt am Turbinenausgang hats etwas mehr. Man will verhindern, dass sich der Strömungszustand in der Turbine durch den sich verändernden Außendruck auch verändert. Daher ist oft noch eine Blende/Verjüngung zwischen Turbinenausgang und Austritt zur Umgebung.

Sorry, aber irgendwie verstehe ich das immer noch nicht richtig.

Ich habe das richtig verstanden, dass der Gasdruck (Eingang) zum Vorbrenner Höher ist, als der Gasgenerator selbst? Wenn ja dann verstehe ich nur Bahnhof

Also das Prinzip einer Dampfturbine ist mir klar (Vereinfacht) Man bringt Druckloses Wasser zum Beispiel mit Wasserstoff und Sauerstoff zum Sieden. Je höher die Temperatur, je Stärker der Wasserdampfdruck. Womit man denn die Dampfturbine betreibt.

Bei der Rakete, wird Also das Wasserstoff und Sauerstoff mittels Turbopumpe auf 164 / 133 Bar (Ariane5)Komprimiert. Der Gasgenerator hat ein Druck von 80 Bar(Ariane5) (was ist mit der Differenz passiert?) Der einleite Druck in Gasgenerator ist ja höher als die 80 bar. Womit wird jetzt die Dampfturbine betrieben? Ich habe ja kein höherer Druck im Gasgenerator erzeugt, womit man jetzt die Dampfturbine betreiben könnte. Ohne Ungleichgewicht kann ich doch keine Arbeit verrichten? Der Gasgenerator müsste doch ein Höheren Ausgangsdruck haben als der einleite Druck oder nicht?