Raptor - SpaceXs Methantriebwerk

Nicht der Pintle Injector selbst eignet sich für Regelbarkeit, es ermöglicht den notwendigen Zwischenschritt.

Das obere Schema ist tatsächlich nur "shutoff-only", bei der die Hydraulik nur die Schließwirkung verstärkt. Wenn man es aber etwas modifiziert, bekommt man eine "Regelversion", bei der man per Hydraulik die Düse proportional zum anstehenden Druck mehr oder weniger öffnen kann:



Die Feder muß natürlich bei Entlastung der Hydraulik in der Lage sein allein die Düse vollständig zu schließen. Man kann aber auch den "Drain" dann zusätzlich hydraulisch belasten.

Die Problematik bei solchen Regelventilen ist immer, daß sich die "hydraulisch wirksame Querschnitte" im offenem und geschlossenem Zustand nicht zu stark unterscheiden. Bei reinen Sicherheitsventilen, die nicht zu häufig öffnen sollen, strebt man im Gegenteil eher eine große Differenz an, also eine große Regelhysterese an - "wenn es schon mal offen ist, wird nicht gekleckert". (=Tellerbauweise) Hier muß aber die Hysterese natürlich möglicht gering sein, wenn man eine genaue Regelung anstrebt. Es sieht aber durchaus danach aus.

Das obere Schema ist tatsächlich nur "shutoff-only", bei der die Hydraulik nur die Schließwirkung verstärkt. Wenn man es aber etwas modifiziert, bekommt man eine "Regelversion", bei der man per Hydraulik die Düse proportional zum anstehenden Druck mehr oder weniger öffnen kann

Ich denke die Regelung selbst ist über die Turbopumpen und/oder Ventile. Der treibstoffdruck-variable Querschnitt verbessert aber bei geringen Mengen die Verwirbelung. Die Tellerfeder wird durch den Treibstoffdruck zusammengedrückt, kann aber über die Hydraulik-Flüssigkeit noch feingesteuert werden. Über die Hydraulik kann zusätzlich auch beim Abschalten Druck aufgegeben werden, um die "Face-Shutoff" Abdichtung zu verbessern, wodurch das Triebwerk beim Abschalten schneller Schub verliert.
Das ist ja das schöne an dieser Lösung: eine aktive Hydraulikflüssigkeit ist nicht notwendig, die Betätigungskraft ist der Treibstoffdruck selbst.

Das Bild ist vielleicht nicht gut zu erkennen. Der Hauptteil des schraffierten Düsenteils inkl. "Fixed Pintle" bewegt sich nicht, lediglich der "Movable Sleeve" (schwer zu erkennen, aber dieser Sleeve zieht sich bis ganz nach Vorne an den vorderen Ringspalt).

Original Text https://space.stackexchange.com/questions/22199/pintle-injector-face-shut-off-merlin, deepl Übersetzung:

Dies kann mit Hilfe einer Hülse geschehen, die den zentralen Zapfen abdeckt. Die Hülse hat auch einen "Höcker", der den Spalt um den Ringspalt herum kontrolliert. Die Hülse deckt also die zentrale Strömung zusammen mit dem Ringspalt ab. Das dezente Triebwerk der Apollo-Mondlandefähre hatte etwas Ähnliches, aber ich kann keine gute Querschnittsansicht finden, die dies zeigt. Es hatte eine Drosselungsmöglichkeit von 10/1. Das Problem, auf das man stößt, ist, dass man es bei der Verwendung von LOX mit Kryogenik zu tun hat. Die Abdichtung ist schwierig, da eine Metall/Metalloberfläche als Dichtung verwendet wird. Ich bin mir nicht sicher, ob das beim Merlin-Triebwerk auch so gemacht wird, aber das Bild stammt aus einem Vortrag von Tom Mueller. Ich bin mir ziemlich sicher, dass jedes Triebwerk nur eine Einspritzdüse hat, da dies bei früheren Konstruktionen von TRW der Fall war. Zwei Einspritzdüsen würden die Mischeigenschaften verändern. Ich hoffe, das hilft.

Ich denke die Regelung selbst ist über die Turbopumpen und/oder Ventile. Der treibstoffdruck-variable Querschnitt verbessert aber bei geringen Mengen die Verwirbelung. Die Tellerfeder wird durch den Treibstoffdruck zusammengedrückt, kann aber über die Hydraulik-Flüssigkeit noch feingesteuert werden. Über die Hydraulik kann zusätzlich auch beim Abschalten Druck aufgegeben werden, um die "Face-Shutoff" Abdichtung zu verbessern, wodurch das Triebwerk beim Abschalten schneller Schub verliert. Das ist ja das schöne an dieser Lösung: eine aktive Hydraulikflüssigkeit ist nicht notwendig, die Betätigungskraft ist der Treibstoffdruck selbst.

Für "shutoff-only" ist es eine wirklich schöne Lösung. Vielleicht ist es flächen- / kräftemäßig auch so ausgelegt, daß erst wenn beide Kraftstoffkomponenten einen ausreichenden Druck haben, die Kraft ausreicht um die Tellerfeder zusammenzudrücken und den Durchfluss freizugeben. (LOX beteiligt sich an den Kräften von der Geometrie her aber viel weniger.) Und ich glaube auch, daß man langsame Leistungsänderungen auch indirekt über die Gaszufuhr zu den Turbopumpen erledigen kann.

Nicht aber bei schnellen Regelvorgängen, wie sie bei der Landung notwendig sind. Viel zu indirekt und träge meinem Gefühl nach. (komprimmierbare Gasvolumina im System, Trägheit der Laufräder..) Für schnelle Leistungsänderungen muß m.M.n. irgendwo zwischen Turbopumpe und Brennkammer eingegriffen werden. Und eine Modifizierung der Injektoren wäre dafür doch der ideale Ort. Vielleichr rückt ja eines Tages SpaceX mehr Details raus    

Das Bild ist vielleicht nicht gut zu erkennen. Der Hauptteil des schraffierten Düsenteils inkl. "Fixed Pintle" bewegt sich nicht...

Dochdoch, das ist mir schon klar! Daß dieses eine bewegliche Teil gleichzeitig (= zwangsläufig auch synchron) die Dosierung beider Komponenten erledigt, ist schon eine tolle Lösung. Da steckt sicher auch viel Detailarbeit drin, bis man die Geometrie der "gap's" bei unterschiedlichen Mengen mit guter Zerstäubung hinbekommt.

PS / EDIT:  Noch zu meine Skizze: In diesem Fall wäre der Durchgang auch bei ausreichendem Vordruck geschlossen. Erst beim Druck am Hydraulikanschluß würde das Ventil proportional dazu öffnen. Diese Abhängigkeit von "Fremdenergie" ist sicher ein Nachteil, eine günstigere Möglichkeit die Leistung an dieser Stelle zu steuern dürfte es aber kaum geben.

Einige speziellere Raptor-2-Tests zusammengefaßt im Video
(Darunter u.a. auch ein 330 sec Test mit Richtungsänderung ("Thrust Vector Control"), möglicherweise als Vorbereitung zum Orbitalflug des Schiffes mit anschließender weicher Landung):

Raptor V3 hat gerade 350 bar Kammerdruck (269 Tonnen Schub) erreicht. Herzlichen Glückwunsch an das @SpaceX
Antriebsteam!

Starship Super Heavy Booster hat 33 Raptoren, also einen Gesamtschub von 8877 Tonnen oder 19,5 Millionen Pfund.

https://twitter.com/elonmusk/status/1657249739925258240

Was für ein Biest!

Ein echt irres Triebwerk.
Bin mal gespannt was das später für Auswirkungen hat.
Auf jeden Fall gibt was mehr Spielraum für den Regelbereich und solange man die Dinger weiter weg von ihrer Betriebsgrenze betreibt, sollte das positive Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit haben.

Bei Passagierflugzeugen wird der verwendete Schub so geregelt das er nach meiner Kenntnis zwischen 75 bis 100% beim Start liegt (Lufthansa), die Einstellung hängt dabei am Abfluggewicht und der Startstrecke ab, das wird beim Starship später vermutlich ebenfalls so gemacht, wobei hier bei bemannten Starts vermutlich nicht so dicht an den Leistungsgrenzen gestartet wird um die Zuverlässigkeit möglichst hoch zu halten.
Vielleicht legt es die NASA aber später darauf an, bei bemannten Starts, einen höheren Schub zu wählen, aber nur dann, wenn der Startplatz einen optimalen Schutz der Starteinrichtung zulässt, was dann zu neuen Startanlagen mit riesigem Flamgraben führen könnte.
Gerade wenn damit mal 100 oder mehr Menschen im Starship sitzen und das drei mal am Tag, wird man hier einen optimalen Schutz haben wollen.
Ziel muss es da ja wohl sein das man die Wahrscheinlichkeit für einen RUD so weit es tragbar ist zu reduzieren.

Für die Landungen hat das natürlich auch Vorteile, weil der höhere maximale Schub hier vermutlich einen größeren Regelbereich des Triebwerksschubs ermöglicht.
Hier kommt es natürlich auch die Masse des zu landenden Starships an, denn wenn man z.B. für drei Triebwerke den Schub so weit herunter regeln kann das man damit ebenso landen kann wie mit zwei Triebwerken nahe dem maximalen Schub, so hebt das die Zuverlässigkeit an.

Echt schöne Nachrichten.

Ist schon toll,
aber das ist nun erstmal ein früher Prototyp (auch wenn jetzt angeblich schon über 45 s getestet). Bis sie ein wirklich zuverlässiges Triebwerk dieser Leistung in Serienfertigung haben, wird es wohl noch viel Entwicklungsarbeit bedürfen.
Um ein Starship mit 33 dieser unter Volllast laufenden Triebwerke zu starten, brauchen sie dann wohl tatsächlich ganz neue Startanlagen.
Ausser sie reduzieren die Anzahl der Raptoren. Würde wohl Einiges vereinfachen.

Raptor 1: 185 t Schub
Raptor 2: 230 t Schub
Raptor 3: 269 t Schub (also etwa 16% mehr als R-2!)
(Quelle: wikipedia)

Verbraucht so ein Raptor-3 dann eigentlich mehr Treibstoff? 

Verbraucht so ein Raptor-3 dann eigentlich mehr Treibstoff? 

Wie meinst du das? Mehr Treibstoff pro Sekunde oder pro Tonne Schub?

Pro Sekunde natürlich. Die Effizienz von Raptor war laut Musk vor V3 schon ganz nahe am theoretischen Maximum. Mehr Kammerdruck und Schub bedeutet damit automatisch mehr Durchfluss. Wenn der Schub um 16% gesteigert wurde kann man also davon ausgehen, dass auch der Durchfluss um ca. 16% gestiegen ist.

Mane

Ich gehe auch davon aus, dass man ein Triebwerk baut, dass ausreichend Leistungsreserven hat, im Alltag aber deutlich unterhalb dieser Leistungsgrenzen betrieben wird. Wie es ja auch schon Klakow beschrieben hat. Wenn immer möglich, wird die Triebwerksleistung beim Start limitiert, dadurch werden die Dinger quasi unkaputtbar.

Auf jeden Fall irre, wenn man da schon ueber 1 Minute mit 350 bar feuert. Insbesondere, wenn man überlegt, dass das russische RD-270 bei 260 bar auseinander fiel. Herzlichen Glückwunsch SpaceX.

Ja, tut es, den mit steigendem Brennkammerdruck steigt zwangsläufig auch der Treibstoffverbrauch, den 16% mehr Schub, kann infinitive nicht von einen 16% höheren ISP kommen.
Höher dürfte der zwar auch etwas ansteigen, aber nicht sehr viel, denn das lässt der Umgebungsdruck beim Start nicht zu.
Ich schätze mal das der ISP vielleicht um 2% höher sein könnte, aber hier spielt der Starttisch eine große Rolle, den je schwer es die Triebwerksgasse haben weg zuströmen, desto mehr steigt der lokale druck um die Triebwerke und hiermit wird der ISP reduziert.
Neben der Zuverlässigkeit ist die Schubwahl natürlich auch für die mögliche Nutzlast wichtig, beim Merlintriebwerk hat, wenn ich mich nicht irre, eine Erhöhung des Schubs um ca. 16% (F9 V1.1) auf (F9 V1.2) ca. 30% mehr Nutzlast gebracht.

Auf lange Sicht, wird man Startplätze mit verschiedenen Abgasableitungen (Flamgraben) haben und je nach Missionsprofil und Verfügbarkeit den Startplatz wählen.
Für das Starship selber wird man dann noch ganz andere Lösungen entwickeln, z.B. mobile Startanlagen auf Schiffen, vielleicht sogar transportable Startgestelle die mit mehreren LKW's  transportiert werden können.
Denke man z.B. an Landeplätzen auf Flugzeugträgern, so ist der benötigte LCH4 Treibstoff leicht im Schiff lagerbar und für LOX braucht man vor allem Kühleinrichtungen um den Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen.

Zitat von: alepu am 13. Mai 2023, 12:56:20

Verbraucht so ein Raptor-3 dann eigentlich mehr Treibstoff? 

Wie meinst du das? Mehr Treibstoff pro Sekunde oder pro Tonne Schub?

Pro Sekunde natürlich. Die Effizienz von Raptor war laut Musk vor V3 schon ganz nahe am theoretischen Maximum. Mehr Kammerdruck und Schub bedeutet damit automatisch mehr Durchfluss. Wenn der Schub um 16% gesteigert wurde kann man also davon ausgehen, dass auch der Durchfluss um ca. 16% gestiegen ist.

Mane

Ganz so ist es nicht, denn das würde bedeuten dass der höhere Kammerdruck zu keinerlei höherem ISP führen würde, was sicher falsch ist, den hierzu müsste der Umgebungsdruck im gleichen Mass ansteigen was sicher falsch ist, den ein höherer Gasdruck führt gewiss in manchen Zonen um die Rakete zu höheren Gasgeschwindigkeiten.

Fürs Protokoll:



https://twitter.com/elonmusk/status/1657254777691185152

Ich vermute, das war der Test.
https://twitter.com/NASASpaceflight/status/1657048171371982854

Und ich dachte echt mal 300 Bar sind das Maximum.

Versuch einer Analyse und Bewertung der SF-Tests  bzw. der angeblich schlechten Zuverlässigkeit der Raptoren

Versuch einer Analyse und Bewertung der SF-Tests  bzw. der angeblich schlechten Zuverlässigkeit der Raptoren

Und, was ist das Ergebnis?
Wenn Du das Video gesehen hast, warum teilst Du dann nicht ein paar Erkenntnisse?

Übrigens verstößt Du mit Deinem Video-Spamming im Forum permanent gegen Punkt 12 der Foren-Regel, denen Du letztens wieder zugestimmt hast
"Beiträge dürfen nicht ausschließlich einen Link ohne Kontext beinhalten. Es muss zumindest eine kurze Beschreibung des Inhaltes erfolgen."
"Versuch einer Analyse und Bewertung" ist mMn maximal ein Titel und reicht nicht als "kurze Beschreibung", da überhaupt nicht klar ist, was letztendlich der Kontext aussagt.

Zitat von: alepu am 06. Juli 2023, 23:01:20

Versuch einer Analyse und Bewertung der SF-Tests  bzw. der angeblich schlechten Zuverlässigkeit der Raptoren

Und, was ist das Ergebnis?
Wenn Du das Video gesehen hast, warum teilst Du dann nicht ein paar Erkenntnisse?

Übrigens verstößt Du mit Deinem Video-Spamming im Forum permanent gegen Punkt 12 der Foren-Regel, denen Du letztens wieder zugestimmt hast
"Beiträge dürfen nicht ausschließlich einen Link ohne Kontext beinhalten. Es muss zumindest eine kurze Beschreibung des Inhaltes erfolgen."
"Versuch einer Analyse und Bewertung" ist mMn maximal ein Titel und reicht nicht als "kurze Beschreibung", da überhaupt nicht klar ist, was letztendlich der Kontext aussagt.

1658 Tests seit 22.08.2022 (Raptor und etwas Merlin)
Bei 9 Tests ging offensichtlich was schief.
Fast alle anderen Tests liefen liefen immer ueber die gleiche Zeit, 40s, 120s, etc.
Im Schnitt finden in McGregor 5 Tests pro Tag statt. An jedem Kalendertag!
Aufgrund der hohen Erfolgsquote geht man nicht davon aus, dass es ein generelles Problem mit Raptor gibt. Vielmehr vermutet man, dass es eher ein environmental Problem war, was zu den Ausfällen führte.
Insbesondere die schiere Anzahl der Tests überrascht dann doch. Die Teststände machen eins ganz sicher nicht. Vor sich hinrosten. Die sind im Dauerbetrieb.

Danke für den Link Alepu.

"Es recht zu machen jedermann, ist eine Kunst die niemand kann"

Danke für die Zusammenfassung MilleniumPilot

@Prodaton:
Wäre mir auch lieber gewesen, aber hab leider nicht immer so viel Zeit.
Hab in das Video nur kurz reingeschaut, es aber dabei schon so interessant gefunden, daß ich es euch nicht vorenthalten wollte.

Grüße
alepu

Nur mal so am Rande… ich empfinde alepus Beiträge nicht als Spamming, sondern als sehr umfassende Dokumentation der Vorgänge bei SpaceX…

Und genau so ist es auch gedacht.
(Danke @sven für dein Verständnis)

Da ich mir vorstelle, daß eben nicht Jeder die Möglichkeit hat sich die aktuellen Informationen aus einem halben Dutzend Internetseiten zusammen zu suchen, versuche ich hier eine Art Zusammenstellung anzubieten.
(Als "Ganztagsjob" empfinde ich es aber dann auch wieder nicht!)

Was dann allerdings jeder Einzelne damit anfängt, oder wie er das generell bewertet sei ihm anheimgestellt.

Alepu ist eine stete Informationsquelle, danke dafür. Jedoch bringen links zu englischsprachigen Videos mir persönlich eher weniger - dazu ist mein Englisch im Normalfall zu schlecht. Das ist auch der Grund wieso ich mich im Raumfahrer Forum rumtreib 

Alepu ist eine stete Informationsquelle, danke dafür. Jedoch bringen links zu englischsprachigen Videos mir persönlich eher weniger - dazu ist mein Englisch im Normalfall zu schlecht. Das ist auch der Grund wieso ich mich im Raumfahrer Forum rumtreib 

Was ist dann die Lösung? Wenn Alepu nicht die Zeit für eine Zusammenfassung und Übersetzung hat dann kann jemand anderes es hinterher tun. Ansonsten dürfte Alepu den Link nicht posten, was den Nachteil hätte, dass diese Info gar nicht in einem Thread aufgetaucht wäre, oder so viel später, dass es evtl wieder irrelevant wäre.

Mitmachen

Damit ihr seht, daß diese eure Worte nicht so ganz ungehört an mir vorübergehen  und wir wieder etwas zum eigentlichen Thema finden, hier mal ein deutschsprachiges Video hierzu, allerdings auch schon wieder einen Monat alt, aber hab's leider gerade erst gefunden.

"Sieht so aus, als könnten wir den Schub um 20% auf 9.000 t steigern, auf Meereshöhe."

https://twitter.com/elonmusk/status/1678276840740343808

Entweder man nennt den aktuellen Zustand mitten in der Entwicklung oder es ist das unzuverlässigste Triebwerk aller Zeiten.

Das das nachfolgende Raptor zuverlässige Arbeitet ist nicht gewiss, denn man steigert auch den Kammerdruck und geht damit nochmal dichter an die Materialgrenzen.
Zudem ist nicht bekannt mit welchem Kammerdruck beim ersten Start gearbeitet wurde.
Da beim Probestart 100Tonnen Nutzlast fehlten ist die Rakete zu langsam vom Tisch gekommen. Eventuell hat man hier schon mit Teillast gearbeitet um die Ausfallrate zu reduzieren.
Ob man die gewünschten Leistungsdaten bei gleichzeitiger Zuverlässigkeitssteigerung erreichen kann ist ungewiss.


Zur Zuverlässigkeit:
Der Booster soll innerhalb kurzer Zeit oft starten. Aktuell ist das Triebwerk noch viel unzuverlässiger als das NK 15/33 Triebwerk der N1 und das ist das bis heute das unzuverlässigste Triebwerk gewesen.

Solange das Triebwerk alle Zielvorgaben (Zuverlässigkeit, Lenbensdauer, Gewicht, Kammerdruck, Leistung) nicht gleichzeitig erreicht ist es noch mitten in der Entwicklung.

Meiner Meinung nach von @Erika genau richtig erkannt!
"mitten in der Entwicklung"

Genauso wie der große Rest, Starship, Startanlage, Produktion, HLS, ....

Da wird noch fleißig experimentiert und das sind alles noch Testartikel!
Da steckt noch sehr viel Entwicklungsarbeit drin und ein Ende (hoffentlich positiv) ist noch lange nicht abzusehen.

Die einzelnen Triebwerke funktionieren dabei wohl schon recht zuverlässig, das eigentliche Problem liegt sicher hauptsächlich bei dem 33er-Bündel bzw. der wechselseitigen Beeinflussung dieser zahlreichen, eng nebeneinander montierten Raptoren und der diffizilen Treibstoffversorgung.