Abgasgeschwindigkeit
Englisch: exhaust velocity
Die Geschwindigkeit, mit der die Abgase das Raketentriebwerk verlassen.
Ausströmgeschwindigkeit: wie schnell Verbrennungsprodukte die Düse verlassen
Die Ausströmgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der heiße Gase und Verbrennungsprodukte die Düse eines Raketenmotors verlassen, gemessen in Metern pro Sekunde oder Fuß pro Sekunde. Sie ist die Endgeschwindigkeit des Arbeitsfluids, nachdem es durch die Brennkammer und die konvergent-divergente Düse beschleunigt wurde. Eine höhere Ausströmgeschwindigkeit führt unmittelbar zu größerer Schubeffizienz und ist ein grundlegendes Maß für die Motorleistung.
Die Ausströmgeschwindigkeit hängt von der Treibstoffchemie, der Verbrennungstemperatur, der Düsengeometrie und dem Brennkammerdruck ab. Flüssigwasserstoff- und Flüssigsauerstoffmotoren erreichen typischerweise Ausströmgeschwindigkeiten zwischen 4.200 und 4.500 Metern pro Sekunde im Vakuum. Feststoffraketenbeschleuniger erreichen niedrigere Geschwindigkeiten, typischerweise 2.500 bis 3.000 Meter pro Sekunde, je nach Treibstoffzusammensetzung. Das theoretische Maximum wird durch den Energiegehalt des Treibstoffs und die Umgebungsdruckbedingungen begrenzt.
Effektive versus tatsächliche Ausströmgeschwindigkeit
Ingenieure unterscheiden zwischen der tatsächlichen Ausströmgeschwindigkeit, die die reale Geschwindigkeit der Gase beim Austritt aus der Düse ist, und der effektiven Ausströmgeschwindigkeit (auch spezifischer Impuls genannt, wenn durch die Gravitationsbeschleunigung geteilt). Die effektive Ausströmgeschwindigkeit berücksichtigt Schubbeträge aus Druckunterschieden zwischen Düsenaustritt und Umgebungsatmosphäre und ist daher die praktischere Größe zum Vergleich der Motoreffizienz. Diese Unterscheidung wird kritisch wichtig beim Vergleich von Motoren, die auf Meereshöhe oder im Vakuum arbeiten.
Das Düsendesign bestimmt direkt die Ausströmgeschwindigkeit. Eine richtig konstruierte Düse erweitert die Unterschallströmung aus der Brennkammer zu einer Überschallströmung und beschleunigt die Gase vor dem Austritt weiter. Über- oder Unterexpansion der Düse verringert die effektive Ausströmgeschwindigkeit und erzeugt Schubverluste. Höhen-Glocken, die längere Expansionsbereiche haben, erreichen höhere Ausströmgeschwindigkeiten im Vakuum, reduzieren aber die Leistung auf Meereshöhe.
In der Praxis wird die Ausströmgeschwindigkeit mit Instrumenten wie Schubständern in Kombination mit Durchsatzberechnungen gemessen oder aus Schub- und Massendurchsatzmessungen während Motorprüfungen abgeleitet. Anormale Verringerungen der beobachteten Ausströmgeschwindigkeit können auf Verbrennungsinstabilität, Düsenerosion oder Druckverluste in der Brennkammer hinweisen und machen sie zu einem Schlüsselparameter bei der Motorüberwachung und Entwicklungsprüfung.