Hvorfor CS ikke bygger en turbinepumpe...

Det er nok en kendt sag, at deres hengivne blogskribler har en svag karakter; i alle fald når det angår evnen til at modstå sjove eksperimenter. I debatten efter sidste blog kom denne forespørgsel:  

@Peter, kunne du ikke prøve at beskrive udfordringen ved at bygge en turbo pumpe. Mit eget gæt er på tætte lejer ved cryogene temperaturer. Men kan man ikke bare lade pumpen være utæt, og acceptere lidt spild som bare dumpes. Eller ligger udformningen i tolerancer i de store temperaturskift?

Inden jeg skriver mere, så lad mig slå fast, at denne blog kun tjener til at beskrive problematikken, men ikke er opvarmning til et nyt eventyr. Jeg synes dog, det er relevant at argumentere beslutninger - også selv om det er et fravalg.

I 2012 drives rumfarten stadig for en meget stor del med væskeraketter. Intet tyder på, det vil ændre sig, tværtimod. Desuden gælder, at starter man fra felt nummer 1, er den teknologiske udfordring i et bygge faststofraketter i stor skala sjovt nok større end at bygge væskeraketter.

Det kan ikke siges tit nok, at faststofraketter muligvis er simple; men det er de anlæg, de fremstilles på, ikke. Væskeraketter kan derimod laves alle steder, hvor der står en nedlagt traktorfabrik.

Det er ikke tilfældigt at alle slyngelstater, der ønsker en missilkapacitet starter med en væskeraket. Det er nemlig bare nemmest at udvikle. 

Alle store væskeraketter benytter en kombination af tryksatte drivmiddeltanke og turbinepumper. Det kan lyde overraskende, at man kombinerer; men en stor, tyndhudet dåse, som sådan en drivmiddeltank er, har det bedst strukturelt, hvis den er under et vist overtryk.

Store væskeraketter kan være fra 2 til 6 meter i diameter og stadig være bygget i pladetykkelser, der ikke er meget over en millimeter. Denne skal af næsten ingenting fyldes så med mange tons drivmiddel pr. meter. Så det er en meget flimsy konstruktion. Man kan sammenligne det med at fylde flydende oxygen i en plastbærepose og derefter træde ind i en elevator, der kører op med 3 g. Man skal have endog meget fint styr på sine strukturelle beregninger, hvis dét ikke skal gå galt. Overtrykket på tanken gør den til en slags ballon og bidrager til styrken af den; specielt i den forreste ende, hvor det hydrostatiske tryk af drivmidlet ikke hjælper. Uden overtryk ville sådan en konstruktion brase sammen i sig selv. Til tider vælger man at bygge i meget tykt materiale og så frese 95% af det væk, for kun at lade et vaffelmønster af forstærkninger stå tilbage. Det er dyrt; men så kan man klare sig med mindre overtryk.

Trykket laver alle kompressionskræfter i denne søjle om til træk. Man kan som bekendt ofte hænge en større last i en wire, end man kan sætte på wiren brugt som søjle :O)

Tanktrykket har en anden god virkning: Det gør at væsken ikke kaviterer i pumpernes indløb. Når pumpen prøver at suge eller trække drivmiddel ind, vil det populært sagt trækkes fra hinanden og koge i pumpens indløb. Det ødelægger pumpevirkningen, og kan få den til at løbe løbsk. Lidt tvangsfodring med overtryk fjerner dette.

Problemet med kavitation er akut, når drivmidlet er en fordråbet gas som f.eks. LOX, der ligger lige på sit kogepunkt. Det mindste undertryk får det til at koge. Det er primært her problemet ligger, når der skal pumpes LOX, og det kan løses med passende tryk på tanken - med de strukturelle fordele som bonus.

Selve turbinepumpen er raketternes svar på en almindelig turbolader. Turboladere har en turbine, som arbejder i udstødsgas, og driver en centrifugalpumpe til at føde en stempelmotor - typisk en dieselmotor - med luft. Raketpumpen gør det samme, men arbejder med to medier, både oxydationsmiddel og brændstof. Den har dog den store fordel, at de væsker, den skal pumpe, har meget højere densitet end luft og derfor meget nemmere kommer op i høje tryk. Turboladere leverer typisk deres luft ved tryk på under én bar eller i alle fald få bar, mens raketturbopumper arbejder med tryk fra 25 til 350 bar. Gassen, som driver turbinen, kan være udstødsgas direkte fra brændkammeret. Det er dog ret kompliceret bl.a. fordi, der jo ikke er noget tryk at starte på. Derfor er den mest almindelige model "gas generator cycle", hvor en separat gasgenerator leverer arbejdsmediet til turbinen og herefter overbord. Sender man udstødsgassen til motoren i stedet, kalder man det "staged combustion"; hvilket er lidt mere effektivt. Rumfærgernes SSME-motorer brugte dette.

Tricket er, at gasgeneratoren - eller pre-burneren, som det også kaldes - kører "fuel rich" for at holde temperaturen nede. Derved undgå man, at turbinen brænder sammen. Når dette fuel rich gas ryger over bord, har man et tab. det undgås, hvis det i stedet kommer ind i brændkammeret og gør gavn.

Puha !

Det er såmænd ikke mere kompliceret end en moderne kulfyret kraftværksblok med eller dens varmevekslere og høj-, mellem- og lavtrykstrin. Akseleffekten kan også være i samme størrelsesorden.

SSME-motorerne var alle tiders mest optimerede raketter. De kørte ved 350 bar med H2 og O2. Igennem hele rumfærgeprogrammet forsøgte NASA's teknikere og ingeniører sammen med deres underleverandører at få pålideligheden op og performance ned. For disse vidundere havde utallige problemer med revnedannelser og var ufatteligt komplekse. Man ville hellere end gerne handle lidt performance for en højere pålidelighed.

Kan man nøjes med gas generator cycle bliver det mere menneskeligt.   Om vi snakker tyskernes gamle V2-raket eller Falcon 9, så er principperne næsten de samme. V2s gas generator kørte på 87% H2O2 kombineret med en vandig opløsning af natriumpermanganat, NaMnO4. Det første kaldte tyskerne T-stoff og det sidste Z-stoff med fin fornemmelse for hemmelighedskræmmeri. Når T og Z stof kom i kontakt, blev det til overhedet damp, som kunne drive en 550-Hk dampturbine. De to pumper sad i hver sin ende af akslen og var baseret på en samtidig brandpumpe, som Berlins Brandvæsen brugte. Det var, med de tryk og temperaturer man kørte med, ikke så kompliceret endda. Men det var dengang.

Space X's Merlin 1C bruger også en gasgenerator; men den kører på RP-1 og LOX. Det får den fra pumpen selv, og de starter altså op på tanktrykket alene. Så snart pumpen begynder at rotere, øges fødetrykket også til gasgeneratoren, og som i en gasturbine kan den derfor snurre sig selv op til reguleringssystemet siger "Tak, det passer".   Turbomaskineriet kræver altså en raket i raketten, kan man sige, - og det kræver et reguleringssystem. V2en havde en simpel, mekanisk regulator, og et væsentlig punkt i godkendelsen af en given V2-motor var en testkørsel, hvor man kalibrerede denne regulator, så kammertrykket blev godt 15 bar. Fødetrykket fra pumpens fuel side var 25 bar, altså 10 bar højere. Dette overtryk brugtes i injektoren til forstøvningen.   Hvad betyder alle disse fakta så for CS?

A ) Kan vi bygge en turbinepumpe?

B) Er der nogen grund til det?

Mht. A) vil jeg sige, at det kan vi godt. Jeg ville absolut helst gøre det mhp. et storable drivmiddel som WFNA, fordi det er ulige meget simplere at pumpe end -183 C kold LOX. Russerne, der aldrig er blevet rigtigt gode til faststof, har bygget miniturbinepumper til alt muligt.

Den anden dag havde jeg arme og ben dybt inde i et gammelt sovjetisk anti-skibsmissil af "Styx"-typen. Den svarer til en lille HEAT og er bygget i 1 mm aluminium. Drivmidlet er RFNA, altså rød rygende salpetersyre, og en blanding af UDMH og jetfuel. Pumpen er en fin lille sag med en gasgenerator på størrelse med et kaffekrus. Jeg siger og skriver, de sovjetiske ingeniører var kommet langt med forenkling. Pumpen var bestemt ikke mere kompliceret end min mosters plæneklipper, som er 2-takts, og selve motoren mindede svært om SPECTRA.

Mht. B) Hvis man går pumpevejen, flytter man en masse vægt fra tankene og ned i pumpen. Hvis man er god til at bygge pumper, kan man tilmed øge raketmotorens brændkammertryk meget og få en vis gevinst på ISP; især hvis den skal starte fra jorden, hvor atmosfæretrykket højt. Det gælder om at få trykket inde i motoren til at være meget højere end omgivelsernes, så betydningen af højt brændkammertryk er størst ved liftoff. Desuden bliver selve motoren mere kompakt.

Man kommer hurtigt ind på en vej, hvor stadigt højere kammertryk giver mindre og mindre forbedringer af ISP til en voldsom pris i termisk belastning af motoren. Det er der (kostbart) råd for: metalurgien kan klare det med kombinationer af titan, kobolt, nikkel, niobium m.fl. Men billigt og enkelt, nej, det er det bestemt ikke.

Men det slutter ikke her.

Som beskrevet er en turbineraket at sammenligne med en bærepose påfyldt væske. Væsken kan være RP-1, LOX, hydrazin eller N204 eller WFNA eller noget andet middel til svært væmmeligt stads.

At have de ting i en tynd blikdåse i stedet for i en robust trykbeholder a la en gasflaske er et alvorligt sikkerhedsproblem.

Oven i dette kommer så, at muligheden for at bjærge raketten med dens dyre motorer bliver meget ringe, når selve hylsteret er så flimsy.

Jeg kender ikke til nogen tilfælde, hvor det har været gjort. Genanvendelse er altså meget mere sandsynligt med tryktanke end med pumper.

Fordelen skulle være bedre masseforhold. Regner man på det, er det også sandt, i alle fald hvis man som os afstår fra at bruge tanke i kompositmaterialer. Skulle man virkelig have brug for det virkeligt gode masseforhold, ville kulfiberbeviklede tanke sikkert være en nemmere vej til frelsen end at slås med de mange komplekse og meget dynamiske forhold, der skal være på plads med en pumpe.

Turbopumper er ikke en slags atomkraft, der med et slag kan løfte ens muligheder tifold. Det er nærmere bare en anden facon, som er optimal hvis man har mange ressourcer og et akut behov for at presse teknologien til det yderste.

CS' grundregel er, at vi accepterer lidt lavere performance til en enorm besparelse i ressourcer.

Man kan sammenligne det med at plukke æbler:   De nederste æbler i træet kan nås fra jorden, bare man rækker ud efter dem. Det koster ikke noget og er ikke farligt.

Vil man have højere performance i æbleplukning, skal man indføre teknologi; det kunne være en stige. Så kan man med et rimeligt billigt og simpelt teknisk hjælpemiddel nå mange flere æbler. Prisen er få hundrede kroner. Men sikkerheden bliver nu også udfordret, og man skal tænke sig om. Stiger er skyld i mange grimme faldulykker.

Ønsker man den ultimative performance, skal man bruge en hydraulisk lift. Med den kan man nå alle æblerne, og intet slår den hydrauliske personlifts fuldkomne 3D-frihed inden for æbleplukning. Men en personlift er et komplekst, teknisk hjælpemiddel. Den koster flere hundrede tusind kroner og skal til eftersyn af certificeret personel. Bare at have den stående ubrugt koster penge i årlige syn og vedligehold. Den kan fejlbetjenes og resultere i meget alvorlige klem og faldulykker med døden til følge.   Det er det fuldkomne billede af hvorfor, vi ikke bruger det ultimative tekniske hjælpemiddel, men lader fuglene tage de øverste æbler, som er for kostbare, og forøvigt farlige, at høste.

Peter Madsen