단계적 연소 사이클

Staged combustion cycle
연료가 풍부한 단계별 연소 사이클.여기에서 연료의 전부와 산화제의 일부가 프리버너를 통해 공급되어 연료 농후 가스를 발생시킨다.터빈을 통해 펌프에 동력을 공급한 후, 가스는 연소실로 주입되고 남은 산화제와 함께 연소됩니다.

단계적 연소 사이클(토핑 사이클 또는 프리버너 사이클이라고도 함)은 2중 추진제 로켓 엔진의 전원 사이클입니다.단계적 연소 사이클에서는 추진제가 여러 연소실을 통과하여 단계적으로 연소된다.다른 로켓 엔진 파워 사이클에 비해 주요 장점은 특정 임펄스를 통해 측정되는 높은 연료 효율이지만, 주요 단점은 엔지니어링 복잡성입니다.

일반적으로 추진제는 두 종류의 연소실을 통해 흐릅니다. 첫 번째 연소실은 프리버너이고 두 번째 연소실은 주 연소실입니다.프리버너에서는 보통 연료가 풍부한 소량의 추진제가 부분적으로 연소되며, 증가하는 용적 흐름은 엔진에 추진제를 공급하는 터보펌프를 구동하는 데 사용됩니다.그런 다음 가스가 주 연소실로 분사되고 다른 추진제와 함께 완전히 연소되어 추력을 생성합니다.

트레이드오프

주요 장점은 모든 추진제가 주 연소실로 흘러들어가는 연비이며, 이는 또한 높은 추력을 가능하게 한다.단계적 연소 사이클은 가스 발생기와는 반대로 폐쇄 사이클 또는 추진제의 일부가 주 연소실에 도달하지 못하는 개방 사이클로 불리기도 합니다.단점은 공학적 복잡성입니다. 이는 부분적으로 고온 및 고압 가스의 프리버너 배기 때문에 발생하며, 특히 산화제가 풍부할 경우 터빈과 배관에 매우 가혹한 조건이 발생합니다.

역사

Staged combustion (Замкнутая схема) was first proposed by Alexey Isaev in 1949.첫 번째 연소 엔진은 소련의 유성 로켓에 사용된 S1.5400 (11D33)으로, 이사에프의 [1]조수였던 멜니코프가 설계했다.거의 같은 시기(1959년) 니콜라이 쿠즈네초프는 코롤레프의 궤도 ICBM인 GR-1의 폐쇄 사이클 엔진 NK-9에 대한 작업을 시작했다. 쿠즈네초프는 나중에 이 설계를 실패한 루나 N1 로켓의 NK-15와 NK-33 엔진으로 발전시켰다.단계적 연소를 사용하는 비초저온 NO24/UDMH 엔진 RD-253은 1963년경 발렌틴 글러쉬코에 의해 프로톤 로켓용으로 개발되었다.

N-1이 포기된 후, 쿠즈네초프는 NK-33 기술을 파괴하라는 명령을 받았지만, 대신 수십 대의 엔진을 창고에 보관했다.1990년대에 에어로젯은 쿠즈넷소프의 공장을 방문했다.Kuznetsov는 높은 특이적 임펄스 및 기타 사양에 대한 초기 회의론에 부딪힌 후 테스트를 위해 엔진을 미국으로 발송했습니다.산화제가 풍부한 단계적 연소는 미국 엔지니어들에 의해 고려되었지만 [2]불가능하다고 여겨졌다.러시아의 RD-180 엔진은 또한 단계별 연소식 로켓 엔진 사이클을 사용한다.록히드 마틴은 2000년경에 아틀라스 III를 위해 RD-180을 구입하기 시작했고 그 후 V 로켓을 구입하기 시작했다.이후 2006년 이후 ULA(United Launch Alliance, 보잉/록히드-마틴 합작회사)가 인수해 2021년 현재 RD-180 엔진을 탑재한 아틀라스 V를 계속 운항하고 있다.

서구 최초의 단계별 연소 시험 엔진은 1963년 독일에서 루드비히 보엘코프에 [citation needed]의해 제작되었다.

1950년대의 영국 감마(British Gamma)와 같은 과산화수소/케로센 동력 엔진은 연소실에 등유를 적절한 상태로 연소하기 전에 터빈을 구동하기 위해 과산화수소를 촉매 분해하여 폐쇄 사이클 프로세스를 사용할 수 있습니다.이를 통해 중대한 엔지니어링 문제를 방지하면서 단계적 연소의 효율적 이점을 얻을 수 있습니다.

RS-25 우주왕복선 주 엔진은 액체 산소와 액체 [citation needed]수소를 사용한 첫 번째 단계별 연소 엔진이다.소련 셔틀의 상대는 RD-0120으로, RS-25와 특정 임펄스, 추력 및 챔버 압력 사양이 유사하지만, 엔진 중량의 증가를 희생하면서 복잡성과 비용을 줄였다.

변종

Stennis Space Center의 테스트 스탠드에서 2015년 하위 시스템 테스트 중 표시된 SpaceXRaptor 프리버너에서 나오는 산화제가 풍부한 터빈 배기.풀플로우 로켓 엔진에서는 프리버너 배기가스가 터빈으로 공급된 후 주 연소실로 공급됩니다.

단계별 연소 사이클에는 여러 가지 종류가 있습니다.연료의 흐름으로 산화제의 작은 부분을 연소시키는 프리버너를 연료 농후라고 하며, 산화제의 흐름으로 연료의 작은 부분을 연소시키는 프리버너를 산화제 농후라고 합니다.RD-180에는 산화제가 풍부한 프리버너가, RS-25에는 연료가 풍부한 프리버너가 2개 탑재되어 있습니다.SpaceX Raptor는 산화제가 풍부한 프리버너와 연료가 풍부한 프리버너를 모두 갖추고 있으며, 이를 풀플로우 단계 연소라고 합니다.

단계별 연소 설계는 단일축 또는 이중축일 수 있습니다.단일축 설계에서는 한 세트의 프리버너와 터빈이 추진제 터보펌프를 모두 구동합니다.예를 들어 Energomash RD-180 및 Blue Origin BE-4가 있습니다.트윈축 설계에서 두 개의 추진제 터보펌프는 하나의 또는 별도의 프리버너의 유출에 의해 구동되는 별도의 터빈에 의해 구동됩니다.트윈샤프트 디자인의 예로는 Rocketdyne RS-25, JAXA LE-7 및 Raptor가 있습니다.단일 축 설계에 비해 트윈 축 설계에는 추가 터빈(및 다른 프리버너)이 필요하지만 두 터보펌프를 개별적으로 제어할 수 있습니다.

단계별 연소 엔진은 추진제 터보펌프 외에도 프리버너 역류 및 터보펌프 공동화를 방지하기 위해 더 작은 부스트 펌프를 필요로 하는 경우가 많습니다.예를 들어, RD-180과 RS-25는 가압 탱크뿐만 아니라 탭오프와 팽창기 사이클에 의해 구동되는 부스트 펌프를 사용하여 프리버너에 들어가기 전에 추진제 압력을 점진적으로 증가시킵니다.

풀플로 단계 연소 사이클

풀플로우 단계식 연소 로켓 사이클

FFSC(Full-Flow Stage 연소)는 산화제가 풍부한 프리버너와 연료가 풍부한 프리버너를 모두 사용하는 트윈축 단계 연소 사이클입니다.사이클을 통해 두 추진제가 터빈을 통해 완전히 흐를 수 있기 때문에 이름이 [3]붙여졌습니다.연료 터보펌프는 연료가 풍부한 프리버너에 의해 구동되고 산화제 터보펌프는 산화제가 풍부한 프리버너에 [4][3]의해 구동됩니다.

풀플로우 단계식 연소 사이클의 이점으로는 질량 흐름 증가로 인해 냉각되고 낮은 압력으로 구동되는 터빈이 있으며, 따라서 엔진 수명이 길어지고 신뢰성이 높아집니다.예를 들어, SpaceLiner [3]프로젝트의 프레임에서 DLR(독일 항공우주 센터)에 의해 연구된 엔진 설계에 대해 최대 25회의 비행이 예상되었으며 SpaceX의 [5]랩터에는 최대 1000회의 비행이 예상된다.또한 풀플로 사이클을 통해 연료터보펌프에서 산화제가 풍부한 가스를 분리하거나 산화제터보펌프에서 [6]연료가 풍부한 가스를 분리하기 위해 통상 필요한 프로펠러간 터빈 씰이 불필요해져 신뢰성이 향상된다.

연료와 산화제 프리버너를 모두 사용하면 연소실로 들어가기 전에 각 추진제가 완전히 가스화되기 때문에 FFSC 엔진은 가스 [6]엔진이라고 불리는 보다 광범위한 종류의 로켓 엔진에 속합니다.구성 요소가 완전히 가스화되면 연소실에서 화학 반응이 빨라져 연소실이 작아집니다.그 결과 챔버 압력을 높일 수 있어 효율이 높아집니다.

풀플로우 단계 연소 사이클의 잠재적 단점으로는 단일 축 단계 연소 사이클에 비해 두 개의 프리버너의 엔지니어링 복잡성이 증가하고 부품 수가 증가한다는 점이 있습니다.

2019년의 오직 세 full-flow 연소 로케트 엔진이 충분히 시험 스탠드에 시험할 진행되었다;1960년대에 소비에트 Energomash RD-270 프로젝트, 미국이 이 mid-2000s,[6]와 스페이스 X의 비행 능력 있는 랩터는 엔진에 Aerojet Rocketdyne 통합powerhead 시범 프로젝트 government-funded 먼저 F에서 시험 발사를 벌였다ebruary 2019.[7]

2019년 7월 25일, 스페이스X가 랩터 메탈록스 FFSC 엔진을 스타호퍼 시험 로켓에 싣고 사우스 텍사스 발사장에서 [8]비행했을 때, 풀플로우 단계별 연소 엔진의 첫 비행 테스트가 이루어졌다.

적용들

산화제가 풍부한 단계 연소

  • S1.5400: Blok L 상단에서 사용되는 [1]첫 번째 연소 로켓 엔진.
  • NK-33—N-1 발사체의 업그레이드된 버전을 위해 개발된 소련 엔진.이후 Aerojet Rocketdyne에 매각되어 AJ-26으로 개조/리마킹되었다 (2013-2014년 Antares 블록 1 발사체에 사용).소유즈-2-1V에 사용 중입니다
  • P111 - 1956년부터 1967년 사이에 Bolkow GmbH(나중에 Astrium)[9]에서 개발된 액체 산소/케로센 시연 엔진.
  • RD-170, RD-171, RD-180 및 RD-191 - Energia, Zenit, Atlas V, Angara 및 이전에 Atlas III 발사체에 사용된 소련 및 러시아 엔진 시리즈.RD-171(및 RD-171M의 후계기), -180 및 -191은 RD-170의 파생 모델입니다.
  • RD-0124—소유즈-2.1b 로켓의 2단 및 앙가라 시리즈 로켓의 상단에서 사용되는 일련의 산소/케로센 엔진.
  • YF-100: 2000년대에 개발된 중국 엔진.장정 5, 장정 6, 장정 [10]7에 사용.
  • AR1—RD-180 러시아 [11]엔진을 대체할 수 있는 것으로 미 공군이 부분적으로 자금을 지원한 에어로젯 로켓다인 프로젝트.
  • BE-4—산소가 풍부한 단계 연소(ORSC) 사이클을 사용하는 블루 오리진 LCH4/LOX 엔진—Atlas V와 Delta IV, 2021년 첫[12][13] 비행 테스트 및 블루 오리진의 뉴 글렌 발사체에도 2021년 이전 비행 테스트가 없는 ULA 벌컨 [14]발사체에 사용되도록 계획되었다.
  • RD-253—1960년대에 개발되어 프로톤 발사체의 첫 번째 단계에 사용되었다.최신 모델에는 RD-275 및 RD-275M이 포함됩니다.
  • SCE-200:[citation needed] 개발 중인 인도 RP-1/LOX 메인스테이지 엔진.
  • Hadley—콜로라도 [17]덴버 근처에서 개발 중인[16] Ursa Major[15] Technologies LOX/kerosene 부스터 엔진.
  • 독일 아우크스부르크 인근의 RFA One에 전력을 공급할 로켓 공장 "Helix" LOX/케로센 엔진.

고연비 단계 연소

전류 단계 연소

SpaceX 랩터 FFSC 로켓 엔진, 샘플 추진제 흐름도, 2019년
  • RD-270—UR-700 프로젝트를 위해 1962-1970년 개발 중인 USSR 엔진. [6]비행하지 않음.
  • 통합 파워헤드 데모레이터: 연소실이나 기타 백엔드 서브시스템이 [6]없는 풀플로우 엔진 전면부의 데모프로젝트2000년대 초에 새로운 로켓 엔진 기술의 일부를 개발하는 미국 프로젝트; 완전한 엔진은 만들어지지 않았고, 비행한 적도 없다.
  • Raptor - 개발 중인 SpaceX LCH4/LOX 엔진, 2019년에[20][21] 첫 비행

현재/과거 단계별 연소 엔진 적용

단계별 연소 엔진의 미래 응용

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b George Sutton, "액체 추진제 로켓 엔진의 역사", 2006
  2. ^ Cosmodrome History Channel, Aerojet 및 Kuznetsov 엔지니어와 단계적 연소 역사에 대한 인터뷰
  3. ^ a b c Sippel, Martin; Yamashiro, Ryoma; Cremaschi, Francesco (10 May 2012). Staged Combustion Cycle Rocket Engine Design Trade-offs for Future Advanced Passenger Transport (PDF). Space Propulsion 2012. ST28-5. Bordeaux: DLR-SART. Archived (PDF) from the original on 19 March 2014. Retrieved 19 March 2014.
  4. ^ Emdee, Jeff (2004). "Launch Vehicle Propulsion" (PDF). Crosslink. Vol. 5, no. 1 (2004 Winter ed.). Aerospace Corp. pp. 12–19. Archived from the original on 8 March 2016. Retrieved 30 September 2016.
  5. ^ O'Callaghan, Jonathan (31 July 2019). "The wild physics of Elon Musk's methane-guzzling super-rocket". Wired UK. ISSN 1357-0978. Archived from the original on 22 February 2021. Retrieved 1 January 2021.
  6. ^ a b c d e f Belluscio, Alejandro G. (7 March 2014). "SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power". NASAspaceflight.com. Archived from the original on 11 September 2015. Retrieved 9 March 2014.
  7. ^ Wall, Mike (4 February 2019). "Elon Musk Unveils SpaceX's 1st Rocket Engine Test for Starship Rocket (Video)". Space.com. Archived from the original on 27 July 2019. Retrieved 27 July 2019.
  8. ^ Burghardt, Thomas (25 July 2019). "Starhopper successfully conducts debut Boca Chica Hop". NASASpaceFlight.com. Archived from the original on 26 July 2019. Retrieved 26 July 2019.
  9. ^ Haeseler, Dietrich; Maeding, Chris; Preclik, Dieter; Rubinski, Vitali; Kosmatechva, Valentina (9 July 2006). "LOX-Kerosene Oxidizer-Rich Gas-Generator and Main Combustion Chamber Subscale Testing". 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. doi:10.2514/6.2006-5197. ISBN 9781624100383.
  10. ^ Rui C. Barbosa (25 June 2016). "China successfully debuts Long March 7 – Recovers capsule". NASASpaceFlight.com. Archived from the original on 27 June 2016. Retrieved 28 September 2016.
  11. ^ "AR1 Booster Engine Aerojet Rocketdyne". Rocket.com. Archived from the original on 4 March 2016. Retrieved 28 September 2016.
  12. ^ "ULA now planning first launch of Vulcan in 2021". SpaceNews.com. 25 October 2018. Retrieved 27 July 2019.[영구 데드링크]
  13. ^ Blue Origin. "BE-4 Rocket Engine" (PDF). ULA Website 2014. Archived from the original (PDF) on 13 May 2015. Retrieved 19 March 2014.
  14. ^ Berger, Eric (9 March 2016). "Behind the curtain: Ars goes inside Blue Origin's secretive rocket factory". Ars Technica. Archived from the original on 9 March 2016. Retrieved 12 March 2016.
  15. ^ "Home". Ursa Major Technologies. Archived from the original on 9 May 2017. Retrieved 20 May 2017.
  16. ^ "Instagram post by Ursa Major Technologies • May 16, 2017 at 11:07pm UTC". Instagram. Archived from the original on 1 October 2021. Retrieved 20 May 2017.
  17. ^ "Berthoud Business News". Archived from the original on 7 June 2022.
  18. ^ "RFA test-fired its staged combustion engine". SpaceWatch Global. 26 July 2021. Archived from the original on 28 June 2022. Retrieved 22 June 2022.
  19. ^ "GSLV MkIII, the next milestone". Frontline. 7 February 2014. Archived from the original on 23 December 2015. Retrieved 12 March 2016.
  20. ^ Todd, David (22 November 2012). "SpaceX's Mars rocket to be methane-fuelled". Flightglobal. Archived from the original on 30 October 2013. Retrieved 5 December 2012. Musk said Lox and methane would be SpaceX’s propellants of choice on a mission to Mars, which has long been his stated goal. SpaceX’s initial work will be to build a Lox/methane rocket for a future upper stage, codenamed Raptor. The design of this engine would be a departure from the “open cycle” gas generator system that the current Merlin 1 engine series uses. Instead, the new rocket engine would use a much more efficient “staged combustion” cycle that many Russian rocket engines use.
  21. ^ Grush, Loren (26 July 2019). "SpaceX's new test rocket briefly hovers during first free flight". The Verge. Archived from the original on 26 July 2019. Retrieved 27 July 2019.
  22. ^ Chris B.-NSF [@NASASpaceflight] (25 July 2019). "One thing some of us missed last night, but some noticed. "Starhopper is a test vehicle that SpaceX is using to help develop its Starship Launch System." So they are calling it SLS? A bit cheeky! pic.twitter.com/rs8mQguuAN" (Tweet). Retrieved 27 July 2019 – via Twitter.
  23. ^ @elonmusk (29 May 2021). "29 Raptors on Booster initially, rising to 33 later this year, along with thrust increase per engine. Aiming for >7500 ton thrust long-term. T/W ~1.5" (Tweet) – via Twitter.
  24. ^ "SpaceX". Archived from the original on 27 March 2021. Retrieved 1 June 2021.
  25. ^ Williams, Matt (24 January 2019). "Blue Origin has Shown off a New Video of its New Glenn Rocket Design". Universe Today. Archived from the original on 27 July 2019. Retrieved 27 July 2019.
  26. ^ "ULA selects Blue Origin to provide Vulcan main engine". SpaceNews.com. 27 September 2018. Retrieved 27 July 2019.

외부 링크