익스팬더 사이클

Expander cycle
익스팬더 로켓 사이클.익스팬더 로켓 엔진(폐쇄 사이클).노즐 및 연소실의 열은 연료 및 산화제 펌프에 전원을 공급합니다.

팽창기 사이클은 2로켓 엔진의 전원 사이클이다.이 사이클에서 연료는 엔진의 연소실을 냉각하여 열을 흡수하고 위상을 바꾸는 데 사용됩니다.이제 가열된 가스 연료는 엔진의 연료 및 산화제 펌프를 구동하는 터빈에 전원을 공급한 후 연소실로 분사되어 연소됩니다.

필요한 위상 변화로 인해 팽창기 사이클은 정사각형-입방체 법칙에 의해 제한됩니다.종 모양의 노즐이 스케일링되면 연료를 가열하는 노즐 표면적은 반지름의 제곱만큼 증가하지만 가열되는 연료량은 반지름의 세제곱만큼 증가한다.따라서 약 300kN(70,000lbf)의 추력을 넘어서면 터빈과 연료 펌프를 구동하기에 충분한 연료를 가열할 수 있는 노즐 영역이 더 이상 충분하지 않습니다.연료의 일부가 터빈 및/또는 스러스트 챔버 냉각 경로를 우회하여 메인 챔버 인젝터로 직접 이동하는 바이패스 익스팬더 사이클을 사용하여 더 높은 스러스트 레벨을 달성할 수 있습니다.비토로이더 에어로스프형 엔진은 엔진의 선형 형태가 등각적으로 조정되지 않기 때문에 스퀘어 큐브 법칙의 제한을 받지 않습니다. 즉, 연료 흐름과 노즐 면적은 엔진 폭에 따라 선형적으로 조정됩니다.모든 팽창기 사이클 엔진은 끓는점에 쉽게 도달하는 액체 수소, 액체 메탄 또는 액체 프로판 같은 극저온 연료를 사용해야 합니다.

일부 익스팬더 사이클 엔진은 일종의 가스 발생기를 사용하여 터빈을 시동하고 챔버 압력이 높아짐에 따라 스러스트 챔버 및 노즐 스커트의 열 입력이 증가할 때까지 엔진을 구동할 수 있습니다.

팽창기 사이클 엔진의 예로는 에어로젯 로켓다인 RL10과 미래의 아리안 [1]6를 위한 빈치 엔진이 있다.

익스팬더 블리딩 사이클

익스팬더 블리딩 사이클익스팬더 개방 사이클(냉각수 탭오프라고도 함).

이 동작 사이클은 기존의 확장 사이클을 수정한 것입니다.블리딩(또는 개방) 사이클에서는 모든 가열된 추진제를 터빈을 통과시켜 다시 연소되도록 보내는 대신, 가열된 추진제의 일부만 터빈을 구동하는 데 사용되고 블리딩된 후 연소실을 통과하지 않고 외부로 배출됩니다.다른 부분은 연소실로 주입됩니다.터빈 배기가스를 블리딩하면 터빈을 통한 배압을 줄이고 압력 강하를 극대화하여 터보펌프 효율을 높일 수 있습니다.이는 표준 익스팬더 사이클에 비해 터빈 [2][3]배기가스를 덤프함으로써 효율을 희생시키면서 더 높은 엔진 추력을 가능하게 합니다.

미쓰비시 LE-5A는 세계 최초로 가동에 [4]들어간 팽창기 블리딩 사이클 엔진이다.

듀얼 익스팬더

전체 흐름 사이클에서 산화제와 연료에 대해 단계적 연소를 개별적으로 실행할 수 있는 것과 마찬가지로 팽창기 사이클을 이중 팽창기 사이클로서 2개의 개별 경로로 실행할 수 있다.터보펌프의 터빈 및 펌프 측에 액체와 동일한 화학성분의 뜨거운 가스를 사용하면 퍼지 및 일부 고장 모드가 필요하지 않습니다.또한 H/LOX의 경우와2 같이 연료와 산화제의 밀도가 크게 다를 경우 최적의 터보펌프 속도가 너무 달라 연료와 산화제 [5][6]펌프 사이에 변속 장치가 필요합니다.별도의 터빈이 있는 이중 확장기 사이클을 사용하면 고장이 발생하기 쉬운 [6]장비를 제거할 수 있습니다.

이중 팽창기 사이클은 연료 및 산화제를 위해 재생 냉각 시스템 상의 분리된 섹션을 사용하거나 냉각을 위한 단일 유체 및 열교환기를 사용하여 제2의 유체를 끓임으로써 구현할 수 있다.예를 들어 첫 번째 경우에는 연료를 연소실을 냉각하는 데 사용하고 산화제를 사용하여 노즐을 냉각하는 데 사용할 수 있습니다.두 번째 경우에는 연료를 사용하여 엔진 전체를 냉각하고 열 교환기를 사용하여 산화제를 [6]끓일 수 있습니다.

이점

익스팬더 사이클에는 다른 [citation needed]설계에 비해 다음과 같은 많은 이점이 있습니다.

저온
기체가 된 후 추진제는 보통 실온에 가깝고 터빈에 거의 손상을 주지 않으며 엔진을 재사용할 수 있습니다.이와는 대조적으로 가스 발생기 또는 단계별 연소 엔진은 터빈을 고온에서 작동시킵니다.
공차
RL10을 개발하는 동안 엔지니어들은 탱크 내부에 장착된 절연 폼이 끊어지고 엔진이 손상될 수 있다고 우려했다.그들은 연료 탱크에 거품을 넣고 엔진을 통해 이를 테스트했다.RL10은 문제나 현저한 성능 저하 없이 이 문제를 해결했습니다.기존 가스 발전기는 실제로는 소형 로켓 엔진으로 복잡성이 내포되어 있습니다.가스 발생기의 작은 부분이라도 막으면 핫스팟으로 이어져 엔진이 심하게 손실될 수 있습니다.엔진 벨을 '가스 제너레이터'로 사용하면 연료 흐름 채널이 더 넓기 때문에 연료 오염에 매우 내성이 있습니다.
본래의 안전성
벨형 익스팬더 사이클 엔진은 스러스트 제한이 있기 때문에 최대 스러스트 조건에 견딜 수 있도록 쉽게 설계할 수 있습니다.다른 엔진 유형에서는 연료 밸브 고착 또는 이와 유사한 문제로 인해 의도하지 않은 피드백 시스템으로 인해 엔진 추력이 제어 불능 상태가 될 수 있습니다.다른 엔진 유형에서는 이러한 현상이 발생하지 않도록 하기 위해 복잡한 기계식 또는 전자식 컨트롤러가 필요합니다.확장기 사이클은 설계상 이러한 방식으로 오작동할 수 없습니다.

사용.

익스팬더 사이클 엔진에는 다음이 포함됩니다.

고단 팽창기 사이클 엔진 비교

사양
RL10B-2 BE-3U 빈치 YF-75D RD-0146D LE-5A LE-5B
원산지 미국 미국 프랑스. 중화인민공화국 러시아 일본. 일본.
사이클 익스팬더 익스팬더 블리딩 사이클 익스팬더 익스팬더 익스팬더 팽창기 블리딩 사이클,
노즐 팽창기		 팽창기 블리딩 사이클,
챔버 익스팬더
추력, 진공 110kN(25,000lbf) 710 kN (160,000 lbf)[8] 180kN(40,000lbf) 88.36 kN(19,860 lbf) 68.6 kN (15,400 lbf) 121.5 kN (27,310 lbf) 137.2kN(30,840파운드)
혼합비 5.88 5.8 6.0 5 5
노즐비 280 240 80 130 110
Isp, 진공 462[9] 457 442.6 470 452 447
챔버 압력(MPa) 4.412 6.1 4.1 5.9 3.98 3.58
좌측2 TP(rpm) 65,000 98,180 51,000 52,000
LOX TP(rpm) 17,000 18,000
길이(m) 4.14 4.2 3.358 2.69 2.79
건조 질량(kg) 277 280 265 248 285

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Ariane 6". www.esa.int. Retrieved 21 February 2017.
  2. ^ Sippel, Martin; Imoto, Takayuki; Haeseler, Dietrich (July 23, 2003). Studies on Expander Bleed Cycle Engines for Launchers (PDF). 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. AIAA. Archived from the original (PDF) on 2016-03-03. Retrieved 2016-09-25.
  3. ^ Atsumi, Masahiro; Yoshikawa, Kimito; Ogawara, Akira; Onga, Tadaoki (December 2011). "Development of the LE-X Engine" (PDF). Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. Mitsubishi Heavy Industries. 48 (4): 36–43. Archived from the original (PDF) on 2015-12-24. Retrieved 2016-09-25.
  4. ^ Akira Konno (October 1993). わが国の液体ロケットエンジンの現状と今後の展望 (in Japanese). Turbomachinery Society of Japan/J-STAGE. p. 10. Archived from the original on May 28, 2021. Retrieved January 24, 2022.
  5. ^ Sutton, George P.; Biblarz, Oscar (2000). "Section 6.6". Rocket Propulsion Elements: an introduction to the engineering of rockets (PDF) (Seventh ed.). John Wiley & Sons, Inc. pp. 221–227. ISBN 0-471-32642-9. Archived from the original (PDF) on 2016-01-19. Retrieved 26 September 2016.
  6. ^ a b c 미국 특허 7,418,814 B1, 그린, 윌리엄 D, "중간 폐쇄 사이클 열교환기가 있는 이중 확장기 사이클 로켓 엔진", 2008-09-02 발행, 미국 항공우주국 행정관이 대표하여 미국에 할당.
  7. ^ "Pratt & Whitney Space Propulsion – RL60 fact sheet". Archived from the original (PDF) on 2012-03-28. Retrieved 2008-12-28.
  8. ^ "BE-3".
  9. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2017-04-30. Retrieved 2017-06-06.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)

외부 링크