Druckschub (Impulsübertragung)

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Düse2020

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Druckschub (Impulsübertragung)
« am: 09. April 2020, 21:45:45 »
Kann mir jemand erklären wir die Impulsübertragung des Druckschubes funktioniert? Der Impulsschub ist mir klar, nur bei Druckschub verstehe ich es leider nicht.

Der Druckschub gibt sich aus der Gl. [tex]F_p = (p_e - p_a)A_e[/tex]

Druck ist die Kraft pro Fläche. Der Druckschub daher die Kraft des Druckes der Stützmasse in der Austrittsfläche…

Der Druck von Gasen ist der Impuls des Auftreffens eines Gasteilchen auf einen Körper z.B. ein andres Gasteilchen, die Wand eines Behälters oder die Membran eines Druckmessers.

Trifft das Gasteilchen auf seinen ungeordneten Flug jedoch auf keinen Körper, entsteht doch auch kein Impuls und somit keine Kraft bzw. Kraftübertragung.

Wie kann der Druck bzw. das Gasteilchen mit seiner ungeordneten Bewegungsenergie (thermischer Druck) in der Austrittsfläche ein Impuls auf das System bewirken, wenn in der Austrittsfläche nichts ist? Es muss doch irgendwo gegen fliegen, um eine Impulsübertragung zu generieren…

Hat jemand eine Erklärung für mich?
« Letzte Änderung: 10. April 2020, 14:49:40 von Düse2020 »

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Offline Terminus

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Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #1 am: 09. April 2020, 22:13:58 »
In der Austrittsfläche ist zwar nichts, aber gegenüber der Austrittsfläche ist ja irgendeine Begrenzung, sprich: eine irgendwie geformte Wand. Ich stelle mir vor, dass die (chaotisch herumfliegenden und ständig kollidierenden) Gasteilchen auf diese Wand Impuls übertragen. Da diese Wand letztlich zum Raumschiff gehört, erfährt so das Raumschiff einen Impuls und bewegt sich in die eine Richtung, während die Gasteilchen durch die offene Austrittsfläche in die andere Richtung fliegen.

Gedankenexperiment: Die Mythbusters laden eine alte Vorderlader-Pistole mit Pulver(*), lassen aber die Kugel weg. Adam Savage drückt die Pistole im luftleeren Raum ab und spürt einen Rückstoß?

(*) Das Pulver enthält natürlich auch einen Oxidator^^.

Düse2020

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Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #2 am: 10. April 2020, 12:48:43 »
So ähnlich dachte ich auch,

Aber dann würde in der Gleichung der Austrittsdruck und die Austrittsfläche kein Sinn machen…
Der Druck auf der gegenüberliegenden Seite der Austrittsfläche ist viel höher als der des Austrittsdruckes. Wenn es so wäre, dann müsste eigentlich dieser druck sowie die gegenüberliegende Fläche in der Gleichung sein, ist es aber nicht.

Daher kann ich mir kein rein drauf…

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Offline Terminus

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Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #3 am: 10. April 2020, 13:17:23 »
Ich wollte auch nur das Phänomen erklären, so wie ich es mir erkläre :-) . Ich hatte Dich so verstanden, dass Dir die Impulsübertragung vom ausgestoßenen Medium auf das Raumschiff qualitativ nicht einleuchtet, weil das durch die Austrittsfläche gehende Medium dort auf nichts trifft und sich an nichts "abstützen" kann, noch nichtmal auf Luft...

Ja, zu der Gleichung. Stellen wir uns mal einen hohlen, dichten Körper im All vor und in dem explodiert dann ein Medium. Der Druck in dem Körper wird dann sehr hoch und er bläht sich ein bisschen auf, aber offensichtlich bewegt er sich nicht.

In einen anderen, gleichen Körper pieksen wir ein kleines Loch in die Wand und wieder explodiert in dem Körper ein Medium. Ein feiner Strahl tritt aus und der Körper bewegt sich ein wenig.

Wir pieksen noch mehr Löcher da rein und irgendwann stanzen wir ein richtig großes Loch in die Wand. Der Körper bewegt sich immer mehr.

Also hängt es von der Austrittsfläche ab.

Wieso ist der Druck an der gegenüberliegenden Wand viel höher? Das würde ich nicht sagen, jedenfalls nicht im Zustand der gleichförmigen Bewegung des Körpers. Meiner Ansicht nach stellt sich im gesamten Hohlraum im zeitlichen Mittel derselbe Druck ein, von Einschwingvorgängen, Trägheitseffekten usw. also mal abgesehen.

Düse2020

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Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #4 am: 10. April 2020, 15:00:09 »
Danke für deine Erklärung  :)

Nein, nicht das ausgestoßene Medium. Das wäre der Impulsschub, diese ist mir bekannt.

Ich meine den „Druckschub“ dieser hat mit dem ausgestoßenen Medium bzw. dem Impulsschub nichts zu tun.

Der Druckschub ([tex]F_p = (p_e - p_a)A_e[/tex]) resultiert aus einer möglichen Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Düsendruck * der Austrittsfläche.

Druck eines Gasen ist der Impuls eines Gasteilchen, wenn diese mit seine ungeordneten Bewegungsenergie auf etwa trifft. Nur auf was in der Austrittsfläche? oder wie Überträgt sich dieser Impuls auf die Rakete?

Offline Kryo

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Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #5 am: 11. April 2020, 10:48:56 »
Der Schub eines Triebwerks wird letztendlich immer über den Druck auf die Brennkammer- und Düsenwand übertragen. Alles andere sind Umformulierungen der Formeln... Mach mal das Integral über die Brennkammerwand und du wirst auf die selben Terme kommen.

Offline Matjes

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Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #6 am: 11. April 2020, 12:35:31 »
Guten Morgen

Mir gefällt Eure bildliche Vorstellung nicht. Um den Schub eines Raketentriebwerks
zu berechnen muss man zwei vektorielle Größen multiplizieren. Den Massenstrom (kg/sec)
und die Austrittsgeschwindigkeit (m/sec) der Stützmasse. Ergebnis ist eine Kraft
(kg m / sec ^ 2) gemessen in Newton. Die Beschleunigung der Stützmasse erzeugt den
Schub.

Matjes

Düse2020

  • Gast
Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #7 am: 15. April 2020, 16:03:15 »
@Kryo
Danke, werde ich mal Ausprobieren.

@Matjes

Naja, ich meine ja auch den Druckschub! nicht dem Impulsschub, welchen Sie beschrieben haben.

Der Druckschub entsteht durch den Druckgradienten welche zwischen Triebwerk und Umgebung auf die Austrittsfläche wirkt. Dieser tritt nur bei Überkritischen Ausströmungen auf. Diese ist nur ein Schubbeiwert zum Impulsschub...
« Letzte Änderung: 15. April 2020, 23:36:42 von Düse2020 »

Offline Matjes

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Re: Druckschub (Impulsübertragung)
« Antwort #8 am: 16. April 2020, 12:53:15 »
Hallo

Jetzt ist mir der Druckschub klargeworden. Lesen hilft.

Der Druckschub entsteht dadurch, dass der Austrittsdruck der Gase aus der Düse
nicht gleich ist mit dem Umgebungsdruck. Dieser Anteil wird ingenieursmäßig als
Schubbeiwert bezeichnet und ist abhängig von vielen Betriebsparametern des Triebwerks.

Zitat aus dem "Handbuch der Raumfahrttechnik" :
"Der Schubbeiwert Cf wächst mit sinkendem Isentropenexponenten k. Ausschlaggebend
sind das Verhältnis von Austritts- zu Brennkammerdruck und die Differenz zwischen
Austritts- und Umgebungsdruck. Obwohl hohe Austrittsgeschwindigkeiten
wünschenswert sind, mindert eine Expansion der Gase unterhalb des Umgebungsdrucks
letztlich den Schubbeiwert."
Handbuch für Raumfahrttechnik, Hanser Verlag, 2008, S. 180, ISBN 978-3-446-41185-2

Matjes