Siklus ekspander

Siklus ekspander adalah siklus daya dari mesin roket bipropelan. Dalam siklus ini, bahan bakar digunakan untuk mendinginkan ruang pembakaran mesin, menyerap panas, dan mengubah fase. Bahan bakar yang sudah dipanaskan dan berbentuk gas kemudian menggerakkan turbin yang menggerakkan pompa bahan bakar dan oksidator mesin sebelum disuntikkan ke dalam ruang pembakaran dan dibakar.

Karena perubahan fase yang diperlukan, siklus ekspander dibatasi oleh gaya dorong oleh hukum kuadrat-kubus. Ketika nosel berbentuk lonceng diskalakan, luas permukaan nosel yang digunakan untuk memanaskan bahan bakar meningkat seiring kuadrat jari-jari, tetapi volume bahan bakar yang akan dipanaskan meningkat seiring pangkat tiga jari-jari. Jadi, di luar daya dorong sekitar 3000 kN (700.000 lbf), tidak ada lagi luas nosel yang cukup untuk memanaskan bahan bakar yang cukup untuk menggerakkan turbin dan dengan demikian pompa bahan bakar. Tingkat daya dorong yang lebih tinggi dapat dicapai dengan menggunakan siklus ekspander bypass di mana sebagian bahan bakar melewati turbin dan atau saluran pendingin ruang dorong dan langsung menuju ke injektor ruang utama. Mesin aerospike non-toroidal tidak tunduk pada batasan dari hukum kubus kuadrat karena bentuk linier mesin tidak berskala isometrik: aliran bahan bakar dan luas nosel berskala linier dengan lebar mesin. Semua mesin siklus ekspander perlu menggunakan bahan bakar kriogenik seperti hidrogen cair, metana cair, atau propana cair yang mudah mencapai titik didihnya.^[1]

Beberapa mesin siklus ekspander mungkin menggunakan generator gas jenis tertentu untuk menghidupkan turbin dan menjalankan mesin hingga masukan panas dari ruang dorong dan pinggiran nosel meningkat saat tekanan ruang meningkat.

Beberapa contoh mesin siklus ekspander adalah Aerojet Rocketdyne RL10 dan mesin Vinci untuk Ariane 6.

Siklus bleed ekspander

Siklus operasional ini merupakan modifikasi dari siklus ekspander tradisional. Dalam siklus bleed (atau terbuka), alih-alih mengalirkan semua propelan yang dipanaskan melalui turbin dan mengirimkannya kembali untuk dibakar, hanya sebagian kecil dari propelan yang dipanaskan yang digunakan untuk menggerakkan turbin dan kemudian dikeluarkan, dibuang ke laut tanpa melalui ruang pembakaran. Bagian lainnya disuntikkan ke dalam ruang pembakaran. Pembuangan gas buang turbin memungkinkan efisiensi turbopump yang lebih tinggi dengan mengurangi tekanan balik dan memaksimalkan penurunan tekanan melalui turbin. Dibandingkan dengan siklus ekspander standar, ini memungkinkan daya dorong mesin yang lebih tinggi dengan mengorbankan efisiensi dengan membuang gas buang turbin.^[2][3][4]

Mitsubishi LE-5A adalah mesin siklus pembuangan ekspander pertama di dunia yang mulai dioperasikan. Mitsubishi LE-9 adalah mesin siklus pembuangan ekspander tahap pertama pertama di dunia.

Blue Origin memilih siklus pendarahan ekspander untuk mesin BE-3U yang digunakan pada tahap atas kendaraan peluncur New Glenn.

Ekspander ganda

Dengan cara yang sama seperti pembakaran bertahap dapat diimplementasikan secara terpisah pada oksidator dan bahan bakar pada siklus aliran penuh, siklus ekspander dapat diimplementasikan pada dua jalur terpisah sebagai siklus ekspander ganda. Penggunaan gas panas dengan kimia yang sama dengan cairan untuk sisi turbin dan pompa dari turbopump menghilangkan kebutuhan untuk pembersihan dan beberapa mode kegagalan. Selain itu, ketika densitas bahan bakar dan oksidator berbeda secara signifikan, seperti dalam kasus H2/LOX, kecepatan turbopump optimal sangat berbeda sehingga memerlukan kotak roda gigi antara pompa bahan bakar dan oksidator. Penggunaan siklus ekspander ganda, dengan turbin terpisah, menghilangkan peralatan yang rawan kegagalan ini.

Siklus ekspander ganda dapat diimplementasikan dengan menggunakan bagian-bagian terpisah pada sistem pendinginan regeneratif untuk bahan bakar dan oksidator, atau dengan menggunakan fluida tunggal untuk pendinginan dan penukar kalor untuk merebus fluida kedua. Dalam kasus pertama, misalnya, Anda dapat menggunakan bahan bakar untuk mendinginkan ruang pembakaran, dan oksidator untuk mendinginkan nosel. Dalam kasus kedua, Anda dapat menggunakan bahan bakar untuk mendinginkan seluruh mesin dan penukar kalor untuk merebus oksidator.

Keuntungan

Siklus ekspander memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan desain lainnya:

Suhu rendah

Setelah berubah menjadi gas, propelan biasanya berada pada suhu mendekati suhu ruangan, dan hanya menimbulkan sedikit atau tidak ada kerusakan pada turbin, sehingga mesin dapat digunakan kembali. Sebaliknya, mesin pembangkit gas atau mesin pembakaran bertahap mengoperasikan turbinnya pada suhu tinggi.

Toleransi

Selama pengembangan RL10, para insinyur khawatir bahwa busa insulasi yang dipasang di bagian dalam tangki dapat terlepas dan merusak mesin. Mereka mengujinya dengan meletakkan busa lepas di tangki bahan bakar dan mengalirkannya ke mesin. RL10 dapat mengatasinya tanpa masalah atau penurunan kinerja yang nyata. Generator gas konvensional pada praktiknya adalah mesin roket mini, dengan segala kerumitan yang ditimbulkannya. Memblokir bahkan sebagian kecil generator gas dapat menyebabkan titik panas, yang dapat menyebabkan mesin mati mendadak. Penggunaan bel mesin sebagai 'generator gas' juga membuatnya sangat toleran terhadap kontaminasi bahan bakar karena saluran aliran bahan bakar yang digunakan lebih lebar.

Keamanan bawaan

Karena mesin siklus ekspander tipe lonceng dibatasi daya dorongnya, mesin ini dapat dengan mudah dirancang untuk menahan kondisi daya dorong maksimumnya. Pada tipe mesin lain, katup bahan bakar yang macet atau masalah serupa dapat menyebabkan daya dorong mesin menjadi tidak terkendali karena sistem umpan balik yang tidak diinginkan. Tipe mesin lain memerlukan pengontrol mekanis atau elektronik yang rumit untuk memastikan hal ini tidak terjadi. Siklus ekspander secara desain tidak dapat mengalami malafungsi seperti itu.

Kinerja vakum yang lebih tinggi

Dibandingkan dengan mesin bertekanan, mesin pompa dan mesin siklus ekspander memiliki tekanan ruang bakar yang lebih tinggi. Peningkatan tekanan ruang bakar memungkinkan area tenggorokan A th yang lebih kecil, dan karenanya, menghasilkan rasio ekspansi yang lebih besar, e = A e /A th untuk area keluar nosel yang identik A e , yang pada akhirnya menghasilkan kinerja vakum yang lebih tinggi.

Penggunaan

Mesin siklus ekspander meliputi hal berikut:

• Pesawat Aerojet Rocketdyne RL10
• Pratt & Whitney RL60
• Grup Ariane Vinci
• CADB & Pratt & Whitney RD-0146
• YF-75D Tiongkok
• Pesawat Industri Berat Mitsubishi LE-5A / 5B
• Mitsubishi Industri Berat LE-9
• Aerojet Rocketdyne & MHI MARC-60 (MB-60)
• Blue Origin BE-3U dan BE-7
• Pesawat M10
• Roket Demonstrasi untuk Operasi Cislunar Agile (DRACO) mesin termal nuklir

Mesin roket orbital dengan siklus ekspander

Mesin	Asal	Perancang	Kendaraan	Status	Pengguna	Propelan	Siklus daya	Impuls spesifik (s)	Daya dorong (N)	Tekanan ruang (bar)	Massa (kg)	Daya dorong:​rasio berat	Rasio pengoksidasi:​bahan bakar
BE-3U	USA	Blue Origin	New Glenn	Active	2nd	LH2 / LOX	Expander, open	&&&&&&&&&&&&0445.&&&&&0445[5]	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.765,000[5]
BE-7	USA	Blue Origin	Blue Moon	Development	1st	LH2 / LOX	Expander, open		0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.44,000
LE-5B	Jepang	Mitsubishi, JAXA	H-IIA, H-IIB	Active	Upper	LH2 / LOX	Expander, open	&&&&&&&&&&&&0447.&&&&&0447[6]	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.137,000	&&&&&&&&&&&&&036.&&&&&036,0	&&&&&&&&&&&&0269.&&&&&0269	&&&&&&&&&&&&&051.93000051,93	&&&&&&&&&&&&&&05.&&&&&05
LE-9	Jepang	Mitsubishi, JAXA	H-3	Development	1st	LH2 / LOX	Expander, open	&&&&&&&&&&&&0425.&&&&&0425[7]	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.147,1.000	&&&&&&&&&&&&0100.&&&&&0100	&&&&&&&&&&&02400.&&&&&02.400	&&&&&&&&&&&&&062.50000062,5	&&&&&&&&&&&&&&05.&&&&&05.9
M10	Uni Eropa	Avio	Vega-E[8]	Development	Upper[8]	CH4 / LOX[8]	Expander, closed	&&&&&&&&&&&&0362.&&&&&0362[8]	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.98,000[8]				&&&&&&&&&&&&&&03.4000003,4[8]
RD-0146D	Rusia	KBKhA	Angara	Development	Upper	LH2 / LOX	Expander, closed	&&&&&&&&&&&&0470.&&&&&0470[9]	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.68,600	&&&&&&&&&&&&&059.&&&&&059
RL-10A-4-2[10]	USA	Aerojet Rocketdyne	Atlas IIIB, V	Retired	Upper	LH2 / LOX	Expander, closed	&&&&&&&&&&&&0451.&&&&&0451	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.99,195	&&&&&&&&&&&&&042.&&&&&042	&&&&&&&&&&&&0168.&&&&&0168	&&&&&&&&&&&&&060.27000060,27	&&&&&&&&&&&&&&05.5000005,5
RL-10B-2[10]	USA	Aerojet Rocketdyne	Delta III, IV, SLS	Active	Upper	LH2 / LOX	Expander, closed	&&&&&&&&&&&&0465.500000465,5	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.110,093	&&&&&&&&&&&&&044.&&&&&044	&&&&&&&&&&&&0301.&&&&&0301	&&&&&&&&&&&&&037.27000037,27	&&&&&&&&&&&&&&05.8800005,88
RL-10C-1[10]	USA	Aerojet Rocketdyne	Delta III, IV, SLS, Vulcan	Active	Upper	LH2 / LOX	Expander, closed	&&&&&&&&&&&&0450.&&&&&0450	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.101,820	&&&&&&&&&&&&&044.&&&&&044	&&&&&&&&&&&&0191.&&&&&0191	&&&&&&&&&&&&&054.50000054,5	&&&&&&&&&&&&&&05.5000005,5
Vinci	Uni Eropa	Snecma	Ariane 6	Active	Upper	LH2 / LOX	Expander, closed[11]	&&&&&&&&&&&&0457.&&&&&0457[12]	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.180,000	&&&&&&&&&&&&&060.&&&&&060	&&&&&&&&&&&&0280.&&&&&0280	&&&&&&&&&&&&&065.60000065,60	&&&&&&&&&&&&&&06.1000006,1
YF-75D	Tiongkok	AALPT	Long March 5	Active	2nd	LH2 / LOX	Expander, closed	&&&&&&&&&&&&0442.600000442,6	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.88,360	&&&&&&&&&&&&&041.&&&&&041	&&&&&&&&&&&&0265.&&&&&0265	&&&&&&&&&&&&&034.&&&&&034	&&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06,0
YF-79	Tiongkok	AALPT	Long March 9	Development	3rd	LH2 / LOX	Expander, closed	&&&&&&&&&&&&0455.200000455,2	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.250,000	&&&&&&&&&&&&&070.&&&&&070			&&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06,0
LE-5A	Jepang	Mitsubishi, NASDA	H-II	Retired	Upper	LH2 / LOX	Expander, open	&&&&&&&&&&&&0452.&&&&&0452[13]	0Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal..Kesalahan ekspresi: Karakter tanda baca "," tidak dikenal.121,500	&&&&&&&&&&&&&040.&&&&&040,0	&&&&&&&&&&&&0242.&&&&&0242	&&&&&&&&&&&&&051.19000051,19	&&&&&&&&&&&&&&05.&&&&&05

Lihat pula

• Mesin roket
• Siklus bertekanan
• Siklus tap-off
• Siklus pompa listrik
• Siklus pembakaran bertahap aliran penuh
• Siklus pembakaran bertahap
• Siklus generator gas
• Propelan roket
• RP-1
• Oksigen cair
• Hidrogen cair
• Metana
• Gas alam cair
• Dinitrogen tetroksida
• Hidrazina
• Monometilhidrazina
• Dimetilhidrazin tak simetris
• Monopropelan
• Hidrogen peroksida
• Dinitrogen monoksida
• Massa kerja
• Hukum gerak Newton
• Oksidator
• Vakum
• Roket
• Roket propelan padat
• Roket propelan cair
• Roket hibrida
• Roket monopropelan
• Nosel propelling
• Termodinamika
• Efisiensi termal
• Rasio dorong-berat
• Afterburner
• Air–fuel ratio
• Mesin pembakaran dalam
• Pembakaran (kimia)
• Roket tripropelan
• Hipergolik (propelan)
• Mesin roket kriogenik
• Propelan roket cair
• Turbopump
• Rotodynamic pump
• Centrifugal pump
• Axial-flow pump
• Combustion chamber
• Ramjet (mesin jet)
• Backflow
• Cavitation

Referensi