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.
Siklus roket ekspander. Mesin roket ekspander (siklus tertutup). Panas dari nosel dan ruang pembakaran menggerakkan pompa bahan bakar dan oksidator.
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.
Expander bleed cycle (coolant tap-off). Siklus terbuka ekspander (Juga disebut sebagai pembuangan cairan pendingin).
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 malfungsi 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.
^"Ariane 6". www.esa.int. Diakses tanggal 21 February 2017.
^Akira Konno (October 1993). わが国の液体ロケットエンジンの現状と今後の展望 (dalam bahasa Jepang). Turbomachinery Society of Japan/J-STAGE. hlm. 10. Diarsipkan dari versi asli tanggal May 28, 2021. Diakses tanggal January 24, 2022.
^Shinya Matsuura (February 2, 2021). H3ロケットの主エンジン「LE-9」熱効率向上で世界初に挑戦 (dalam bahasa Jepang). Nikkei Business. Diarsipkan dari versi asli tanggal January 24, 2022. Diakses tanggal January 23, 2022.
.svg)