PDF zum Download - Tim Boson / Condor

Der Wirkungsgrad ηC berechnet sich aus dem Verhältnis der höchsten (Th) und der niedrigsten (Tn) Temperatur
des Prozesses nach der Formel:
mit Ti der absoluten Temperatur in Kelvin.. Der Carnot-Wirkungsgrad ist umso höher, je größer das Temperatur-gefälle
zwischen Th und Tn und je kleiner die niedrigere Temperatur Tn ist. Folglich kann ein Wirkungsgrad
η C von 100% oder größer niemals erreicht werden, denn der Energieerhaltungssatz und
der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik verbieten dies. In der Praxis werden je nach Kreisprozess Werte
von einem Drittel bis etwa zwei Drittel des Carnot-Wirkungsgrades erreicht.
Beim typischen Raketenmotor liegen die Temperaturwerte (in Kelvin K) an den vier charakteristischen
Designpositionen F, C, T & E (vgl. Skizze in TEIL I) relativ weit auseinander. Ergo
ist es zulässig, z. B. bei der LH2-LOX-SSME als die niedrigste Temperatur Tn die des Flüssig-wasserstoffs
LH mit 20 K zu wählen, sowie als höchste Temperatur Th im stationären (fiktiven)
Stoffkreislauf die Gastemperatur in der Brennkammer mit 3612 K abzuschätzen. Damit
resultiert der CARNOT WIRKUNGSGRAD zu ηC = 1 – (20/3612) = 1 – 0.0055 = 0.9945.
Das Resultat entspricht fast dem theoretischen Grenzwert von ηC ≡ 1 für dieses System. Beim
RAMJET sind die Verhältnisse deutlich verschieden: Sei die Temperatur des am Ende des Einlauf-diffusors
(vgl. die o. a. Skizze) eingespritzten Brennstoffs mit Tn = 300 K und die Gastemperatur
im Brennraum Th = 2133 K, so ergibt sich sofort ηC = 1 – (300/2133) = 1 – 0.1406
= 0.8594. Für Design-Studien ist das immer noch ein relativ guter Wert, der zur Planungssicherheit
beiträgt.
Tim Boson:
Im Fall der SSME scheint der Fall klar zu liegen: Die Referenztemperaturen differieren signifikant.
Wir erhalten praktisch den grenzwertigen Systemwirkungsgrad eines idealen Antriebs.
Demgegenüber liegt der CARNOT-WIRKUNGSGRAD heutiger Ottomotoren - z. B. von PKWs
als Folge der Thermodynamik - unter 30 Prozent.
TSWS:
Ja, das ist zutreffend. Deshalb lässt sich der Ramjet in die Methodik der MM einbeziehen
– allerdings unter verschärften Kautelen.
Bei der SSME ist es dagegen gerechtfertigt, den Prozessbeginn an die Stelle tiefster Temperatur
(d. h. bei der Injektion von LH in der Brennkammer) zu verlegen, um von dort aus – d. h.
vor der Mischung & Zündung beider Treibstoffe – die Zustandsänderungen des Verbrennungsgases
von Designposition zu Designposition isentrop zu berechnen. In Kauf genommen
werden dabei die ausgeprägten IRREVERSIBILITÄTEN, die bei
(1) der Mischung der LH- & LOX-Komponenten,
(2) der nachfolgenden Zündung des Hochdruckgemisches, sowie
(3) den dann ablaufenden vielen chemischen Reaktionen
unvermeidlich auftreten. Aber es sind lokale dissipative Effekte. Zwar beeinträchtigen sie
praktisch kaum die optimale Leistungsbilanz η C ≈ 1 des Antriebs, können aber durchaus – z.
B. an den festen Wänden von Brennkammer & Lavaldüse durch die Wechselwirkungen mit
den Strömungsgrenzschichten der reaktiven Gase – lokale Schäden, gar die Zerstörung des
Antriebs bewirken.
Deshalb ist es zwingend erforderlich, zur Überwachung und Beseitigung potentieller lokaler
Gefahrenquellen die real ablaufenden Vorgänge zu analysieren und abzuschätzen. Dazu gehören
zum einen detaillierte Kenntnisse z. B über alle erforderlichen kinetischen Daten der
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