Luftverstärkte Rakete

Luftverstärkte Rakete

(Meine Frage kommt ganz zum Schluss)


Ich habe gerade etwas über „Luftverstärkte Raketen“ recherchiert. Auf Deutsch findet man dazu recht wenig. https://antwortenhier.me/q/Grenzen-des-bypass-verh-ltnisses-in-luftverst-rkter-ejektor-jet-kanal-raket-33460725404

Auf Englisch findet man dagegen etwas. Dort werden Luftverstärkte Rakete (https://en.wikipedia.org/wiki/Air-augmented_rocket) auch als „rocket-ejector, ramrocket, ducted rocket, integral rocket/ramjets, or ejector ramjets“ genannt.

Wobei es aber auch verschiede varianten existieren. Einmal mit einem Staustrahltriebwerk welches sich hinter einer Schubdüse eines Normalen Raketentriebwerk befindet. (https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket-based_combined_cycle)

Es wirkt wie ein „Nachbrenner“. Welche eigentlich nur den vorhanden Brennstoffüberschuss des Raketentriebwerks mit Luftsauerstoff Nachverbrennt.

Ich meine aber als Luftverstärkte Raketen solche Raketen welche eine sogenannte „Rocket-Ejektor-Nozzle“ verwenden. Welche den Kernstrom weitere Stützmasse indiziert.

In diesen Forum Hier: https://forum.kerbalspaceprogram.com/index.php?/topic/74205-air-augmented-rockets/

Zitat: „Suppose I have enough energy to expell 1kg of mass to 4,200 m/s every second...

That means I also have enough energy to expell 4kg of mass at 2,100 m/s every second, which will provide twice as much thrust

I also have enough energy to expell 16 kg of mass at 1,050 m/s every second, which will provide 4x the thrust of the initial rocket.

I simply need to find 15 kg of mass ot act as reaction mass, thats where the atmosphere comes in.“

Sprich es wird durch die „Ejektor-Nozzle“ am Ende des Raketentriebwerks zusätzliche Stützmasse den Kernstrom indiziert, wo durch der Massenstrom steigt, welches eine Schuberhöhung zufolge hat.

Aber wenn das wirklich geht, warum wird das denn nicht gemacht?

Klar will man eine hohe Strömungsgeschwindigkeit haben, um eine hohe Geschwindigkeitsänderung zu ermöglichen. Aber der Schub ist Nun mal auch wichtig.

Aber wenn das wirklich geht, warum wird das denn nicht gemacht?

Gehen tut vieles. Das Problem ist hier wie oft, dass jemand erst das Geld in die Hand nehmen muss um die Technologie auch wirklich Marktreif zu entwickeln und zu bauen. Die NASA kann z.B. auch nur das Geld fuer operationelle Entwicklungen verwenden wenn ein solches Programm genehmigt wurde und die entsprechenden Steuergelder fliessen.

Das gleiche gilt fuer Raumfahrtfirmen. Auch hier muss man immer den Kosten-zu-Nutzen Faktor abwiegen. Wieviel mehr Vorteile bringt mir eine Air-Augmented-Rocket? Was kostet mich das? Und: Kann ich mit meinen derzeitigen Mitteln und Raketen auch alles erledigen was mir eine solche Rakete bringt.

Die NASA hatte mit dem GTX Programm wohl kurzzeitig an dieser Technologie geforscht:

https://web.archive.org/web/20081122140310/http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT2002/5000/5880trefny.html

Aber wie bei so vielen Technologieforschungen hatte es sich wohl als (noch) nicht praktikabel erwiesen und wurde wieder eingestellt.

Weitere Links:

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20010092480.pdf

https://trajectory.grc.nasa.gov/aboutus/papers/NASA-TM-2003-212315.pdf

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20020082904.pdf

Alleine der unbemannte Flugdemonstrator war damals mit 325 Millionen Dollar veranschlagt. Das muss man erstmal zu zahlen bereit sein. 

Ach ja, erstmal willkommen im Forum:

Temperatur ist ein anderes Wort für Bewegung von Molekülen und als solches ist Luft hinzu zuführen vermutlich nur dann ein Vorteil wenn der Sauerstoff zur Verbrennung beitragen kann.
Alles was Umgebungsluft nutzen will krankt an zwei Problemen:
1) Der Luftdruck nimmt schnell ab, also ist der Gewinn ziemlich kurz.
2) Die Luft besteht nur zu 20,8% aus Sauerstoff und Stickstoff selbst hat ein höheres Molekulargewicht, was eine Reduktion des ISP bewirkt.


Um die Vorteile eines zu bestimmten Zeiträumen genutzten Luftsauerstoffs optimal nutzen zu können bräuchte man eigentlich eine Art von Flugzeug das bei hoher Geschwindigkeit (Mach 6+x) in der Lage ist den Luftsauerstoff zu nutzen. Leider sind Staubstrahltriebwerkes wirklich außergewöhnlich anspruchsvoll, wenn man sich vor Augen hält das bei Mach 6 (ca. 2km/s), bei einem 10m langen Triebwerk weniger als 50ms Zeit bleibt die Luft zu verdichten und den Treibstoff einspritzen und zu verbrennen.
Und dann das Problem das bei diesen Geschwindigkeiten alle Teile des Außenrumpfes sehr Hitze belastet sind.
Will man große Nutzlasten in den Orbit bringen, braucht man eine Luft atmende Unterstufe von gigantischen Ausmaßen.

Temperatur ist ein anderes Wort für Bewegung von Molekülen und als solches ist Luft hinzu zuführen vermutlich nur dann ein Vorteil wenn der Sauerstoff zur Verbrennung beitragen kann.

2) Die Luft besteht nur zu 20,8% aus Sauerstoff und Stickstoff selbst hat ein höheres Molekulargewicht, was eine Reduktion des ISP bewirkt.

Sicher? Warum nicht ohne Luftsauerstoff nachverbrennung?

Wie „KerikBalm“ Hier (https://forum.kerbalspaceprogram.com/index.php?/topic/74205-air-augmented-rockets/) schon gesagt hat.
Wenn man 1 kg Masse mit 4.200 m / s Ausstößt (H2/O2 Triebwerk) hat man genug Energie, um diese Sekunde 4 kg Masse bei 2.100 m / s auszustoßen, was doppelt so viel Schub bringt. Oder 16 kg Masse mit 1.050 m / s pro Sekunde auszutreiben, was den Schub der ersten Rakete um das Vierfache erhöht. (Formel: E=1/2 * m * v^2)

Wenn man jetzt ein sehr hohen Mantelstrom hat, geht die Strömungsgeschwindigkeit zwar runter, der Schub aber durch den höheren Massenstrom rauf…

Also der ISP müsste auf dem gesamten Massenstrom bezogen steigen, und nicht sinken?

Dann hätte man auch das Problem der Überschallverbrennung nicht. Man müsste eigentlich den Kernstrom "nur" ein Mantelstrom indizieren?

Das klingt eigentlich sehr einfach. Daher ja auch die Frage, warum das keiner macht…

Gut wenn das so stimmt hast du recht, es würde Sinn machen. Leider bleibt ein wesentliches Problem, nämlich wie bringt man die nötige Luftmasse heran und das bei schnell abnehmendem Luftdruck?
Es ist klar, das man sowas in 11km Höhe bei 25% vom Bodendruck noch machen kann, aber in 22km Höhe bei 1/16 oder in 33km bei 1/64?
Die Krux an der all diese Lösungen kranken ist irgendwie immer das gleiche.
Es würde vermutlich mehr Sinn machen einen Startplatz dicht am Äquator in möglichst großer Höhe zu bauen, z.B. in den Anden, da gäbe es Plätze dafür.
Das wäre zwar immer noch für die Logistik eine Herausforderung, aber die vielleicht 5500müNN würden MaxQ um einiges harmloser gestalten.

Die Beschleunigung der Rakete kann die abnehmende Luftdichte bis zu einem gewissen Grad kompensieren weil der Luftmassenstrom ja nicht nur von der Luftdichte abhängt sondern auch von der Geschwindigkeit.

Ist die Rakete bei 20000m etwa vier mal so schnell wie bei 10000m bleibt der Luftmassenstrom etwa konstant. Natürlich wird es nicht ganz möglich sein das perfekt auszunutzen aber es kommt einem natürlich entgegen.

Der Vorteil derartiger Triebwerke ist ja auch das sie auch ohne Luft oder mit vergleichsweise wenig Luft noch Schub liefern können, ebenso mit sehr wenig Geschwindigkeit.

Das ist ein guter Aspekt und der Stimmt, nur gibt's hier Einschränkungen,:
1) Oberhalb der Schallgeschwindigkeit wird die Lufteinleitung schnell sehr problematisch.
2) Die Höhe und Geschwindigkeit die eine Erststufe erreichen müsse sind beide viel zu hoch damit es richtig was bringen kann.
Im Prinzip sieht man das Problem auch bei Raketen mit hoher Startbeschleunigung, MaxQ wird sehr früh erreicht so das man gezwungen ist die Beschleunigung eine Zeitlang zu reduzieren.
Interessant wird jedes Luftatmende System nur dann die Nutzlast klein ist.
Betrachtet man den Treibstoffanteil der bis zum überschreiten von Mach 1 und auch bis zu einer mit dem Flugzeug erreichbarer Flughöhe erreicht wird ist das bezogen auf die Treibstoffmasse schon ca.30 bis 40%, aber bezogen auf den Zeitpunkt von MECO noch nicht viel.