หัวเครื่องยนต์ (เครื่องยนต์จรวด)
ส่วนหัวเครื่องยนต์จรวดเหลว(หรือชุดกำลัง ) เป็นคำรวมที่ใช้เรียกส่วนของเครื่องยนต์จรวดที่ประกอบด้วยปั๊มเทอร์โบเครื่องเผาไหม้ล่วงหน้า / เครื่องกำเนิดก๊าซและอุปกรณ์ที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับวงจรเครื่องยนต์ที่ไม่ใช้แรงดัน ยกเว้นห้องเผาไหม้และหัวฉีด ขยาย ตัว[ 1 ] [ 2 ]
ส่วนประกอบและรอบการทำงานของเครื่องยนต์
องค์ประกอบหลักของหัวเครื่องยนต์คือปั๊มเทอร์โบซึ่งเพิ่มแรงดันเชื้อเพลิงจากถังไปยังระดับหัวฉีด เครื่องกำเนิดก๊าซหรือเครื่องเผาไหม้ล่วงหน้า หนึ่งเครื่องหรือมากกว่า นั้นที่ผลิตก๊าซทำงานที่ค่อนข้างเย็นเพื่อขับเคลื่อนกังหัน และท่อ ท่อร่วม และวาล์วที่ส่งเชื้อเพลิงระหว่างกันและเข้าไปในห้องเผาไหม้หลัก (ในวงจรปิด) หรือออกสู่ภายนอก (ในวงจรเปิด) [ 3 ]
ความซับซ้อนของหัวเครื่องยนต์ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิกของเครื่องยนต์ ในวัฏจักรเครื่องกำเนิดก๊าซ แบบเปิด เชื้อเพลิงเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่ถูกเผาไหม้ และไอเสียของกังหันจะถูกทิ้งออกไป ทำให้หัวเครื่องยนต์มีกลไกที่เรียบง่าย แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าเล็กน้อย ในวัฏจักรการเผาไหม้แบบหลายขั้นตอน ก๊าซจากห้องเผาไหม้ล่วงหน้าจะถูกส่งเข้าไปในห้องเผาไหม้หลักแทน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แต่ต้องการแรงดันที่สูงขึ้น ซีลที่ต้องการประสิทธิภาพสูงกว่า และการเลือกวัสดุที่ต้องระมัดระวังมากขึ้น ในวัฏจักรการเผาไหม้แบบหลายขั้นตอนที่มีการไหลเต็มที่การไหลของเชื้อเพลิงทั้งหมดจะผ่านห้องเผาไหม้ล่วงหน้าสองห้อง - ห้องหนึ่งมีเชื้อเพลิงมาก อีกห้องหนึ่งมีสารออกซิไดเซอร์มาก - แต่ละห้องขับเคลื่อนปั๊มเทอร์โบของตัวเอง การกระจายภาระของกังหันไปทั่วการไหลของเชื้อเพลิงทั้งหมดทำให้อุณหภูมิทางเข้าของกังหันต่ำกว่าในการเผาไหม้แบบหลายขั้นตอนทั่วไป[ 3 ] [ 4 ]
ตัวอย่าง
เครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศ
RS -25ใช้ระบบการเผาไหม้แบบปิดที่มีเชื้อเพลิงเข้มข้นเป็นขั้นตอน ส่วนหัวกำลัง - เครื่องเผาไหม้ล่วงหน้าสองเครื่อง ท่อส่งก๊าซร้อน และหัวฉีดหลัก ซึ่งมีปั๊มเทอร์โบแรงดันสูงสองตัวยึดติดอยู่ ได้รับการออกแบบใหม่หลายครั้งในระหว่างโครงการกระสวยอวกาศเพื่อปรับปรุงความทนทาน รวมถึงการนำท่อส่งก๊าซร้อนแบบสองท่อมาใช้ในปี 1995 ปั๊มเทอร์โบออกซิไดเซอร์แรงดันสูงที่ออกแบบใหม่ และห้องเผาไหม้หลักที่มีคอขนาดใหญ่[ 5 ] [ 6 ]
เครื่องสาธิตหัวจ่ายน้ำแบบบูรณาการ
The Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) was a joint NASA / Air Force Research Laboratory technology programme run from the mid-1990s through the 2000s with prime contractors Pratt & Whitney Rocketdyne and Aerojet. It was a 1.1 MN (250,000 lbf) ground demonstrator of a hydrogen/oxygen full-flow staged combustion cycle using hydrostatic bearings in the turbopumps in place of conventional rolling-element bearings.[4] Component testing of the workhorse preburner and oxidizer turbopump took place at the John C. Stennis Space Center E-1 stand in 2002-2003, followed by integrated tests of the full demonstrator that reached the 100% power level on 12 July 2006, no flight engine was developed.[7][4]
J-2X
For the J-2X upper-stage engine, developed by Pratt & Whitney Rocketdyne for the Constellation and Space Launch System programmes, NASA used a dedicated powerpack assembly, designated PPA1A (tested in 2008 with heritage J-2S turbomachinery) and PPA2 (tested in 2012 with new J-2X hardware), to characterize the turbopumps, gas generator and ducting independently of the thrust chamber.[8] On 8 June 2012, a 1,150-second PPA2 firing at the Stennis A-1 test stand set a duration record for the centre's A Test Complex. The previous record had been a 1,075-second SSME test in August 1989.[9]
BE-4
Blue Origin ran parallel full-scale powerpack and injector test programmes during development of the BE-4 methane/oxygen engine. SpaceNews described the powerpack as "the set of valves and turbopumps that provide the proper fuel/oxidizer mix to the injectors and combustion chamber". On 13 May 2017 the company lost a set of powerpack test hardware on one of its West Texas test stands, calling such incidents "not unusual during development".[10]
Raptor
SpaceX's Raptor, a methane/oxygen full-flow staged combustion cycle engine, became the first engine of that cycle to power a vehicle in flight when it flew on the Starship Super Heavy in April 2023.[11]