Aerospike

Diese idealisierte Düse verstehe ich hier so, dass sich das Gas auf jeder Höhe vollkommen und verlustfrei entspannen kann. Der gesamte Energiegehalt der Strömung kann in kinetische Energie umgewandelt werden.

Die ideale Düse hat meiner Meinung nach 2 Eigenschaften:

1) die Entspannung des Gases auf Umgebungsdruck (dein argument)
2) die möglichst exakte Ausrichtung dieser Entspannung entlang des Bewegungsvektors/Längstachse (spacys argument)

Ich denke der 2te Punkt ist für das Verständniss des Aerospike entscheidend, allerdings bin ich mit meinen misserablen Physikkenntnissen nicht in der Lage das in einen Zusammenhang zu bringen, oder gar zu verstehen ein Gas von einem Stachel genauso gelenkt wird wie von einer Glocke - wenn ihr versteht was ich meine?!




Eine Ideale konventionelle Düste ist ziemlich lang - im Vakuum vielleicht sogar unendlich? In der Praxis sind die "optimierten Düsen" darum gekürzt.(RAO Optimum)



Die Geometrie des Strahles dieser RAO Optimum Düse im Vakuum ist also in diesem Bild unten/rechts dargestellt: ein Teil des Strahls weicht vom Flugvektor ab = ineffizenz. Anders beim Aerospike - oben/rechts - dort ist die Ausrichtung des Strahles effektiver. Das sich entspannende Gas wird durch den relativen Unterdruck (das blaue zeugs an der basis?) zusammen gehalten und dadurch besser ausgerichtet?

Meiner Meinung nach kommt der Vorteil des Aerospikes aus dieser Ecke - aber das ist reine Logik und Bildinterpretation - ohne physikalisches (halb)-wissen.

Aber Stopp.... Wenn die DesignAltitude das Vakuum wäre, wäre auch die Nozzle der konventionellen Düse perfekt!

Und das ist bei der Grafik nicht der Fall! Also so pauschal kannste das nicht sagen

PS.: Okay, ich schreib doch wieder was dazu, scheint ja niemand bisher den Heiligen Gral des AeroSpike Triebwerks gefunden zu haben  

Mal zusammenfassend:

Es bestreitet niemand hier, dass das AeroSpike-Triebwerk während des Aufstiegs in den LEO das effektiviere Triebwerk theoretisch darstellt. Soweit so gut. Nun geht es also um das Vakuum! Die englische Wiki schreibt hierzu, ein AeroSpike wäre einem konventionellen, angepassten Triebwerk für einen jeweiligen Außendruck grundsätzlich unterlegen.

Fazit für mich: Ein AeroSpikeTriebwerk kann im Vakuum nicht die Effektivität einen konvetionellen Triebwerkes erreichen, da der AeroSpike Effekt zwar kontenuierlich bei Druckänderungen von außen seine Form anpasst, diese aber aufgrund Fluktuationen niemals perfekt ist. Da es im Vakuum keine Druckänderungen gibt, müsste ein konventionell angepasstes Triebwerk nach bisherigten Quellen die bessere Wahl im Vakuum sein!
Dazu kommt noch der Sicherheitsfaktor wo ich einfach mal behaupte, dass zich kleinere Triebwerke insgesamt sicherer sind, als wenn man auch ein großes angewiesen wäre. Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt, wenn man mal eben Orion ein halbes Jahr im Mondorbit parken möchte. Da ist Redundanz das gefeierte Stichtwort!!!

Die englische Wiki schreibt hierzu, ein AeroSpike wäre einem konventionellen, angepassten Triebwerk für einen jeweiligen Außendruck grundsätzlich unterlegen. Fazit für mich: Ein AeroSpikeTriebwerk kann im Vakuum nicht die Effektivität einen konvetionellen Triebwerkes erreichen

Wahrscheinlich stimmen beide Zitate - meine Quelle sagt etwas über die Theorie aus, relativiert die aussage für die praxis aber später wieder und redet von "Verlusten":

According to theory, the aerospike should meet or exceed the performance of the bell at all altitudes, thanks to its inherent altitude compensation characteristics. However, experimental data shows that these predictions are not necessarily true, for many potential sources of losses exist in the design of a practical engine, as illustrated below.

Comparison of nozzle thrust coefficient efficiencies vs. nozzle pressure ratios (NPR) for theoretical and actual spike, aerospike, and bell nozzles [from Tomita et al, 1999]
Quelle: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/losses.shtml

Nur - wiederpricht die grafik nicht der behauptung? oder trennt der schreiber nicht sauber zwischen aerospike/full spike? un überhaubt das diagramm im ersten post zeigt was anders :/

Aber Stopp.... Wenn die DesignAltitude das Vakuum wäre, wäre auch die Nozzle der konventionellen Düse perfekt

Ja, vielleicht.

Unendlich lang müsste aber auch der Stachel beim Aerospike sein, um perfekt zu sein. Ist er aber nicht... Jetzt die Frage welches Handycap höher wiegt. Kürzerer Stachel oder kleinere Nozzle (beide müssten unendlich sein...)

Trotzdem ist übrigens die Abbildung keineswegs für Vakuum geeignet! Es geht da nur darum, zu zeigen wie sich ein konventionelles Triebwerk über unter dem optimierten Außendruck gegenüber einem Aerospike verhält. Es gibt aber kein "unter" mehr im Vakuum...

EDIT

Meine Antwort bezog sich noch auf Deinen nicht editierten Beitrag    Jo genau    Waaah, editwahn  

Meine Antwort bezog sich noch auf Deinen nicht editierten Beitrag  

Denke auch das die Abbildung nicht das Vakuum zeigt.

So sind wir also so schlau wie zuvor  :-/

Quark wir werden mit jedem Puzzelteil schlauer - wir merken es nur erst auf einen schlag wenn alles zusammen passt

ps. sry für die edit orgie bin grocky

Wenn das hier jemand kaufen möchte, sieht interessant aus für uns: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?tp=&arnumber=1569916&isnumber=33248

OffTopic:

Kein Ding!   By the way, wie schnell ist google denn, wenn man "Aerospike Vakuum" eingibt, ist die aktuelle Disskusion auf Platz *trommelwirbel* 1  

Was hindert beim Aerospike das komprimierte Gas im Vakuum eigentlich daran sich einfach zur Seite davon zu machen? Ohne vorbei strömende Luft fehlt doch die "Außenwand".

Hallo Daniel,

ich fand dieses Zitat recht hilfreich:

When operating at low ambient pressure (at high altitude or in a vacuum), the flow is constrained by
expansion/compression waves that direct the exhaust axially to maintain the thrust force on the centerbody. At low pressures, however, the nozzle operates in a "closed wake" state. Since the base is not subject to a high ambient pressure, there is no altitude compensation benefit, and the aerospike behaves like a high area ratio bell nozzle

Der Text steht in der Quelle von knt:
http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/compensation.shtml

Also, Aerospike funktioniert im Vakuum, dank dieser Expansions- und Kontraktionswellen, aber eben nicht besser als eine normale Düse.

Die Gase expandieren auch dank der Interaktion zwischen primärem und sekundärem Strömungslauf nicht wie bei normalen Düsen gegen die Wände, sondern wirken auf den Zentralkörper direkt.

Die sekundäre Strömung wird dabei im Vakuum von der Primärströmung vollständig umschlossen ("closed wake").

Ganz schön erklärt, aber nur auf englisch: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/aerodynamics.shtml

So, ich hoffe, die Verwirrung ist nun vollends!  

and the aerospike behaves like a high area ratio bell nozzle

Wenn man diesem Satz trauen kann, dann frage ich mich, warum die Forschungen an diesem Triebwerk überhaupt in diesem fortgeschrtittenem Stadium gestoppt wurden! Es scheint also, dass es der Nachfolger aller Triebwerke werden muss.

Aerospike verbraucht in der Theorie bis zu 35 % (niedrige Höhe) weniger Treibstoff.

Ein Aerospike-Triebwerk ist leichter als ein traditionelles und nur etwa halb so hoch.

Die Richtungssteuerung kommt ohne komplizierte, kardanische Aufhängung der Triebwerke, oder Leitbleche im heißen Abgasstrahl, aus

Durch die Verteilung der Verbrennung auf mehrere, kleine Brennkammern wird das Risiko einer Explosion massiv verringert.

[wikipedia.de]

Was ist denn nun bitte der Nachteil, dieses Triebwerk zu verwenden???

Das größte Problem bei der Entwicklung eines Aerospike-Triebwerkes ist die Kühlung des Zentralkonus.

Also Geld für Forschung??? Bitte, wenn man jede Forschung einstellt, weil sie bissel kostet... (Möchte nicht Wissen wieviele Mittel es kostet das Vibrationsproblem / Gewichtsproblem bei der Ares-1 Rakete zu lösen)

Zumal es Lösungsansätze gibt

Ein zweiter Luftstrom im Stachel könnte ebenfalls helfen.

Zitat

When operating at low ambient pressure (at high altitude or in a vacuum), the flow is constrained by
expansion/compression waves that direct the exhaust axially to maintain the thrust force on the centerbody. At low pressures, however, the nozzle operates in a "closed wake" state. Since the base is not subject to a high ambient pressure, there is no altitude compensation benefit, and the aerospike behaves like a high area ratio bell nozzle

...

Also, Aerospike funktioniert im Vakuum, dank dieser Expansions- und Kontraktionswellen, aber eben nicht besser als eine normale Düse.

Die Gase expandieren auch dank der Interaktion zwischen primärem und sekundärem Strömungslauf nicht wie bei normalen Düsen gegen die Wände, sondern wirken auf den Zentralkörper direkt.

Guten Morgen,

da bist du mir zuvor gekommen . Ich habe mir das gestern auch noch durchgelesen. SpaceWarper hatte schon von Schockwellen gesprochen, aber es war leider nicht klar was gemeint war und wo es herkam.
Das Aerospike scheint sich durch diese Wellen in seinem eigenen Strahl eine Düse zu formen, also auch ohne Umgebungsluft. Leider war ich nie die "Leuchte" in Fluid-/Aerodynamik und das Studium ist auch schon eine Zeit her. Ich kann mir die Strömung im Aerospike trotz der Abbildungen in der Quelle nicht wirklich vorstellen, v.a. wie die Wellen entstehen und wirken.


Noch etwas zu knts letzter Abbildung:

Dort wird als Vergleich auch nur eine theoretische Glockendüse gezeigt, also nicht die Performanz einer realen Düse. Nur deshalb laufen alle Kurven oben zusammen. Eine echte Düse muss unterhalb liegen.
Woher kommt der "Zacken" des theoretischen Aerospikes bei einem Druckverhältnis von 12, wo es plötzlich unter der Kurve der theoretischen Glockendüse liegt.?

Hallo es gibt unter folgendem Link http://www.hq.nasa.gov/pao/History/x-33/aero_faq.htm eine FAQ zum Thema Aerospike, inklusive der Frage ob das auch im Vakuum funktioniert (Punkt 5).

Leider ist die Antwort nicht sehr befriedigend. Hier wird nur von einer "Prantl-Meyer expansion wave" Theorie gesprochen, hört sich so an, als wüsste niemand so richtig wie das funktioniert, oder es ist zu kompliziert um es auf der Website zu erklären? Es ist wohl das gleiche, was Kreuzberga schon beschrieben hat.

Die empfehlen auch ein Buch "Modern Compressible Flow with Historical Perspective" welches allerdings bei Amazon 150$ kostet  

Gruß Radi

Wenn ich mir das unten zitierte Diagramm () anschaue verstehe ich zwei Dinge nicht:

1) Warum alterniert der theoretische Wirkungsgrad des FullSpike in Abhängigkeit zu Umgebungsdruck?  
2) Warum ist der praktische Wirkungsgrad des AeroSpike in Abhängigkeit zum  Umgebungsdruck nicht stetig?

Zitat

Comparison of nozzle thrust coefficient efficiencies vs. nozzle pressure ratios (NPR) for theoretical and actual spike, aerospike, and bell nozzles [from Tomita et al, 1999]
Quelle: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/losses.shtml

zu 1)  In der Quantenmechanik würde es mich ein solcher Effekt weniger wundern, denn da scheint die Natur beinahe wirklich nachzuzählen bevor sie sich für ein Verhalten entscheidet.  Wenn es ein reeales Triebwerk wäre würde ich auch noch Resonanzen in Erwägung ziehen.  Aber welcher theoretische Grund könnte den Wirkungsgrad eines theoretisch idealen Triebwerks in Abhängigkeit zum Umgebungsdruck alternieren lassen?

zu 2) Hier geht es um ein reelles AeroSpike-Triebwerk.  Allerdings ist die Wirkungsgrad-Kurve mir ebenfalls äußerst suspekt.  Welcher Effekt mag wohl den Wirkungsgrad plötzlich um 6% zusammenbrechen lassen?

Wenn ich mir das AeroSpike-Konzept angucke, verstehe ich nicht, warum mit gewölbten Flächen der Abgasstrahl fokussiert wird.  Ich würde es damit vergleichen, daß man versucht ein Spiegel-Teleskop aus zwei Zerrspiegeln zu bauen, wobei die Schwierigkeit besteht, daß beide Zerrspiegel aufeinander abgestimmt sein müssen, damit man ein scharfes Bild erhält.  Das muß man zwar bei normalen Teleskop-Spiegeln auch, aber bei Zerrspiegeln wird das nur unnötig schwer bis unmöglich und das Ergebnis ist weit von einen Optimum entfern.

Generell:  Wenn das nächste Diagramm überraschender Weise einen schlüssigen Eindruck machen würde, warum sollte man diesen als korrekt auffassen? Ich will mich nicht gegen weitere Diagramme aussprechen sondern nur sagen, wenn ein "echtes" Diagramm etwas aussagt, muß das noch lange nicht stimmen.


Ich bin mir sicher, daß ein AeroSpike-Triebwerk noch wesentlich effizienter arbeiten könnte, wenn man den "Strahlengang" anders gestalten würde.  Der Busemann'sche Doppeldecker wäre IMHO eine reiche Inspirationsquelle.

2) Warum ist der praktische Wirkungsgrad des AeroSpike in Abhängigkeit zum  Umgebungsdruck nicht stetig?

However, the Rocketdyne article states ". . . from Mach 1 to about Mach 3, *wind tunnel tests* (emphasis mine) indicate a drop in nozzle efficiency due to the slipstream turning into the nozzle region .. . .

steht im link über deinem post... Ist zumindest ein indikator... Weil wissen kann man das mit dem Außendruck nicht, nur simulieren. Weil so ein Ding noch nie in unterschiedlichen Umgebungsdrücken gelaufen ist. Zumindest nicht das große!

zu 2) Hier geht es um ein reelles AeroSpike-Triebwerk.  Allerdings ist die Wirkungsgrad-Kurve mir ebenfalls äußerst suspekt.  Welcher Effekt mag wohl den Wirkungsgrad plötzlich um 6% zusammenbrechen lassen?

Hallo SW und klausd,

so wie ich das verstehe, stellt der plötzliche Abfall der Kurve denjenigen Punkt dar, an dem der Druck so niedrig wird, dass die Strömungsdynamik schockartig von "open wake" nach "closed wake" wechselt, d.h. die innere Strömung ("subsonic recirculating flow") wird vollständig von der äußeren umschlossen. Diese innere, sekundäre Strömung trägt abhängig vom Umgebungsdruck zum Gesamtschub bei. Wird sie bei fast Vakuum-Druck von der primären Strömung komplett umschlossen, wird diese Schubkomponente konstant. Der Prozess hat wiederum mit diesen doch recht unanschaulichen Kompressionswellen zu tun, die bei niedrigen Drücken weiter "downstream" verlaufen, hinter der "sonic line" (Grenze zwischen
Unter- und Überschallbereich und damit zwischen sekundärer und primärer Strömung).

Dieser Wechselprozess zwischen zwei Zuständen ist jedenfalls mit ordentlichen Effizienzeinbußen verbunden.

Haben wir denn keinen Strömungsdynamiker hier im Forum, der das gut erkären kann und vor allem versteht?!  

stimmt, damit könntest Du gut Recht haben. Das rein theoretische FullSpike Triebwerk hätte diesen Leistungsabfall nicht, da hier der unendlich lange Spike immer für einen perfekten Triebwerksstrahl sorgen würde.

Das scheint also quasi der Nachteil zu sein, weil man den Spike eben verkürzen muss und später per Luftdruck (Unterdruck) aufrecht erhält.

Allerdings fällt mir dazu ein, dass dies durchaus gewollt sein kann! Bereits kurz nach dem Start (30sec) erreicht z.B. das Shuttle die Belastungsgrenze und die Haupttriebwerke müssen gedrosselt werden. Wenn man das mit dem Leistungsabfall der AeroSpike Triebwerk synchronisieren würde mit Unterstützung von 2 Boostern, die das Gesamtsystem eben in diese Höhe zum gewollten Zeitpunkt bringen, wäre das doch sogar von Vorteil???

Hallo Klausd, ich habe das Konzept noch nicht ganz verstanden und muss mich immer noch einlesen.

Doch schon allein die Schulphysik lässt mich behaupten, dass nach 30 sekundes des Fluges ist  der Umgebungsdruck immer noch spürbar, und formt die virtuelle Düse.

Schon bei der DesignAltitude sehe ich eine closed-wave. Falls der Effektivitätssprung also mit diesem Übergang zu tun hat, kann das durchaus schon nach 30sec der Fall sein

hallo klausd,

kleine Korrektur: closed wake und nicht wave!  

Was daran nun ein Vorteil sein soll, verstehe ich nicht ganz. Schlimm ist der Leistungsabfall aber auch nicht. Eher stellen die Gesamtperformance und die hohen Temperaturen Probleme dar.

Beim Aerospike gibt es noch so viele praktische Probleme zu lösen, dass ich nicht glaube, dass wir innerhalb der nächsten 10 bis 20 Jahre eines regulär fliegen sehen werden.

Hallo Erstmal!
Habe bei Wikipedia unter aerospike was von einemTest mit der
SR71 gelesen und dazu nochwas von einem Raumfahrzeug
aus Westdeutschland Namens Neptun.
Weiss jemand was darüber ? viell. ein Video oder so.

Ein Video zum Aerospike auf der SR71 gibt es hier

https://www.youtube.com/watch?v=XP7Y0EwNqF0 . Man sieht allerdings nicht sehr viel und besonders spektakulär ist auch nicht

Gruß

Radi

Hallo zusammne,

das Thema Aerospike wurde zwar schon mal diskutiert.
Wie ist der aktuelle Stand bei der Lösung des Kühlproblems?
Welche Lösungsansätze gibt es dazu?

Gruß,
Jens

http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=1620.0
Mehr hab ich auf die schnelle nicht finden können.

Aber wie ich im anderen Thema schon sagte, werden Aerospikes inzwischen angeblich  als "technische Sackgasse" gesehen.

Ich habe die Aerospike-Threads zusammengelegt.