Space Shuttle Main Engine

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
RS-25
Space Shuttle hoofd motor test. De licht plek onderaan de foto is een "mach diamond".
Space Shuttle hoofd motor test. De licht plek onderaan de foto is een "mach diamond".
Land van herkomst Verenigde Staten
Datum 1981 [1]
Ontwerper Pratt & Whitney Rocketdyne
Fabrikant Pratt & Whitney Rocketdyne
Toepassing Hoofdmotor
Voorganger HG-3
Status Niet meer in gebruik sinds STS-135
Vloeibarebrandstofmotor
Oxidator Vloeibare zuurstof
Brandstof Vloeibare waterstof (H2)
Principe Gesloten verbrandingscyclus
Pomptype Turbopomp
Voorverbrander Brandstofrijk
Configuratie
Aantal branderkamers 1
Straalpijp oppervlakteverhouding 77 : 1
Prestaties
Stuwkracht (zn) 1.859 kN (190 tf) [2]
Stuwkracht (vac) 2.279 kN (232 tf) [2]
Stuwkracht:gewicht (zn) 53,8 : 1
Stuwkracht:gewicht (vac) 65,9 : 1
Branderkamerdruk 20.640 kPa (206 bar) [2]
(SI) specifieke impuls (zn) 363 s [1]
(SI) specifieke impuls (vac) 452 s [1]
Afmetingen
Lengte 4,30 m [1]
Diameter 2,40 m [1]
Droog gewicht 3.526 kg [2]

De Space Shuttle Main Engines (SSME's, vrij vertaald: hoofdmotoren van het ruimteveer) van het type RS-25 zijn door Rocketdyne gefabriceerde, herbruikbare vloeibarebrandstofraketmotoren. Elke opstijging van het ruimteveer in een lage omloopbaan wordt voortgestuwd door drie van de veertien SSME's die gebruikt worden door NASA's Space Shuttleprogramma.[3] Voor industriële doeleinden wordt de SSME ook wel RS-24 genoemd.

De Space Shuttle Main Engines verbranden vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof, dat is opgeslagen in de externe tank van de Space Shuttle. De vloeibare waterstof en zuurstof wordt gebruikt voor de aandrijving tijdens de lancering van de Space Shuttle, ter ondersteuning van de twee krachtiger vastebrandstofraketten en deels voor het Orbital Maneuvering System.

Elk van de drie motoren genereert een kracht van bijna 1,8 meganewton tijdens de lancering. De motoren zijn in staat om een specifieke impuls (Isp) van 453 seconden in een vacuüm of 363 seconden op zeeniveau te leveren (uitlaatsnelheid 4440 m/s, resp. 3560 m/s). Een Space Shuttle Main Engine weegt in totaal ongeveer 3200 kilogram.

Na iedere vlucht worden de drie SSME's verwijderd uit de Space Shuttle Orbiter en overgebracht naar de Space Shuttle Main Engine Processing Facility (SSMEPF) om geïnspecteerd te worden en, indien nodig, onderdelen te vervangen, ter voorbereiding op hergebruik bij een volgende vlucht.

De motoren zijn in staat om bij extreme temperaturen te werken. De vloeibare waterstof wordt bewaard bij een temperatuur van -253 °Celsius. Wanneer dit echter verbrand wordt met vloeibare zuurstof dan bereikt de temperatuur in de verbrandingskamer een waarde van 3300 °C, hoger dan het kookpunt van ijzer. Elke motor verbruikt 1340 liter brandstof per seconde. Als de machine water zou pompen dan zou een zwembad van gemiddelde grootte in 75 seconden leeggepompt zijn. Gecombineerd, zoals bij de lancering, zouden de drie motoren dit in 25 seconden doen.

De motoren werken als volgt: Brandstof en oxidator komen vanuit de externe brandstoftank de Space Shuttle binnen in de hoofdbrandstofleidingen. Daar worden de brandstof en de oxidator via drie parallelle paden naar elk van de drie motoren gevoerd. In elk pad moeten kleppen geopend worden om de beide stoffen naar de lagedrukbrandstof- (LPFTP) of oxidatorturbopomp (LPOTP) te leiden.

De Low Pressure Oxidizer Turbopump (LPOTP) is een axiaalpomp die verbonden is met een zestraps turbine die aangedreven wordt door vloeibare zuurstof. De pomp verhoogd de druk van de vloeibare zuurstof van 0,7 tot 2,9 MPa (29 bar). Vanuit de LPOTP wordt de vloeibare zuurstof in de High Pressure Oxidizer Turbopump (HPOTP) gevoerd. Door de verhoging van de druk vooraf kan de HPOTP op hoge snelheid werken zonder dat cavitatie optreedt. De LPOTP werkt op ongeveer 5150 tpm en meet ongeveer 450 x 450 mm. Hij is verbonden met de brandstofleidingen en in een vaste positie in de Space Shuttle gemonteerd.

De HPOTP bestaat uit twee centrifugaalpompen (een hoofdpomp en een voorverbranderpomp) welke gemeenschappelijk worden aangedreven door een tweetraps gasturbine. De hoofdpomp, werkend op ongeveer 28120 tpm., brengt de druk van de vloeibare zuurstof omhoog van 2,9 naar 30 MPa (300 bar). De uit de HPOTP komende stroom vloeibare zuurstof wordt over verschillende stromen verdeeld, waarvan één stroom de turbine van de LPOTP aandrijft, en een andere stroom door een hoofdafsluiter gaat en in de hoofdverbrandingskamer komt. Een kleine stroom wordt afgetapt naar de oxidatorwarmtewisselaar. Deze stroomt door een klep die voorkomt dat de vloeibare zuurstof de warmtewisselaar in gaat voordat er voldoende warmte, afkomstig uit de afgewerkte gassen van de HPOTP turbine, aanwezig is om het te laten verdampen in gas. Het gas gaat via een verdeelstuk naar de externe tank waar het de vloeibare zuurstoftank onder druk brengt. Een andere stroom komt in de HPOTP-voorverbranderpomp om de druk van de vloeibare zuurstof te verhogen van 30 tot 51 MPa (510 bar). Het passeert een aantal kleppen en komt uiteindelijk terecht in de brandstofvoorverbrander. De HPOTP is ongeveer 600 x 900 mm en is met flenzen bevestigd aan het heet-gasverdeelstuk.

De HPOTP-turbine en -pompen worden door een gemeenschappelijke as aangedreven. Als brandstofrijk heet gas in de turbine en vloeibare zuurstof in de hoofdpomp zich zouden vermengen, zou dat gevaarlijk zijn. Om dit te voorkomen zijn de turbine en de pompen van elkaar gescheiden door een ruimte die tijdens het in bedrijf zijn door het Main Propulsion System continu met helium, afkomstig uit de daarvoor aanwezige voorraad, gevuld wordt. Twee pakkingen tussen de ruimte en de turbine enerzijds en de pompen anderzijds voorkomen dat gas of vloeibare zuurstof hier in kunnen lekken. Het wegvallen van de heliumdruk in deze ruimte resulteert in het automatisch uitschakelen van de motor.

Brandstof komt de Space Shuttle binnen via de vloeibare waterstofvoedingsleiding, na passage van een ontkoppelklep. Met behulp van een verdeelstuk wordt de brandstof in drie parallelle stromen naar iedere motor geleid. Een klep, indien geopend, laat toe dat vloeibare waterstof naar de lagedruk brandstofturbopomp (LPFTP) stroomt. De LPFTP is een axiaalpomp die gekoppeld is aan een tweetraps, door gasvormige waterstof aangedreven turbine. Hierdoor wordt de druk van de vloeibare waterstof verhoogd van 0,2 tot 1,9 MPa (19 bar) en vervolgens toegevoerd aan de hogedruk brandstofturbopomp (HPFTP). Door de verhoging van de druk vooraf kan de HPFTP op hoge snelheid werken zonder dat cavitatie optreedt. De LPFTP werkt op ongeveer 16185 tpm en meet ongeveer 450 x 600 mm. Hij is aangesloten op de brandstofleidingen en in een vaste positie aan de Space Shuttlestructuur bevestigd, tegenover de LPOTP.

De HPFTP is een drietraps centrifugaalpomp aangedreven door een tweetraps gasturbine. Hij verhoogd de druk van de vloeibare waterstof van 1,9 naar 45 MPa (450 bar). De HPFTP werkt op ongeveer 35360 tpm. De uitgangsstroom wordt naar en door de hoofdklep gezonden en in drie afzonderlijke stromen verdeeld. Eén stroom gaat naar de mantel van de hoofdverbrandingskamer waar de waterstof gebruikt wordt om de wanden hiervan te koelen. Deze stroom wordt vervolgens van de hoofdverbrandingskamer naar de LPFTP gezonden waar hij gebruikt wordt om de LPFTP turbine aan te drijven. Een klein deel van deze stroom wordt naar een voor de drie motoren gemeenschappelijk verdeelstuk gevoerd en vandaar via een enkele leiding naar de externe tank om de vloeibare waterstoftank op druk te houden. De rest van de waterstof wordt via het heet-gasverdeelstuk, waar het zorg draagt voor de koeling, in de hoofdverbrandingskamer gespoten. Een andere stroom vanaf de hoofdbrandstofklep loopt door het mondstuk van de motor om deze te koelen en komt dan samen met de stroom vanaf de koeling van de hoofdverbrandingskamer. Deze gecombineerde stroom wordt dan naar de brandstof- en oxidantvoorverbranders gevoerd. De HPFTP meet ongeveer 550 x 1100 mm. Hij is met flenzen bevestigd aan het heet-gasverdeelstuk.

De oxidant- en brandstofvoorverbranders zijn aan het heet-gasverdeelstuk gelast. Brandstof en oxidant komen in de voorverbranders en worden zodanig gemengd dat een efficiënte verbranding kan ontstaan. De toegevoegde dubbel uitgevoerde vonkontsteker is een kleine ruimte gesitueerd in het centrum van de injector van elke voorverbrander. Deze wordt geactiveerd door de motorbesturing en zet tijdens het starten van de motor de verbranding in de voorverbranders in gang. Na ongeveer drie seconden wordt de vonkontsteker uitgeschakeld en houdt de verbranding in de voorverbranders zichzelf in stand. De voorverbranders produceren het brandstofrijke hete gas dat door de turbines wordt geleid om de hogedrukturbopompen aan te drijven. De gasstroom uit de oxidantvoorverbrander drijft de turbine aan die is verbonden met de HPOTP en de pomp van de oxidantvoorverbrander. De gasstroom uit de brandstofvoorverbrander drijft de turbine aan die is verbonden met de HPFTP. De snelheid van deze turbines hangt af van de stand van kleppen in de toevoerleidingen naar de oxidant- en brandstofvoorverbranders. Deze kleppen worden bestuurd door de motorbesturing en gebruikt om de hoeveelheid oxidant en brandstof naar de voorverbranders te regelen en daarmee het opgewekte vermogen. De oxidant- en brandstofkleppen zijn gekoppeld en handhaven een constante 6:1 mengverhouding.

Een koelstofklep is gemonteerd op de verbrandingskamer van elke motor. De motorbesturing reguleert de hoeveelheid gasvormig waterstof die als koelmiddel langs de wanden van de verbrandingskamer stroomt en beheert hiermee dus de temperatuur. De koelstofklep is 100% geopend voordat de motor gestart wordt. Als de motor actief is, is de koelstofklep 100% geopend voor motorvermogens van 100 tot 109% voor maximale koeling. Bij motorvermogens van 65 tot 100% staat de klep tussen 66,4 en 100% open voor gereduceerde koeling.

Ieder verbrandingskamer ontvangt brandstofrijk heet gas vanuit het koelsysteem van een heet-gasverdeelstuk. Het gasvormige waterstof en de vloeibare zuurstof komen de verbrandingskamer binnen via een injector die beide stoffen mengt. De binnenzijde van elke verbrandingskamer, alsmede de binnenzijde van de mondstukken, wordt gekoeld door vloeibare waterstof die door gesoldeerde roestvrijstalen pijpen langs de wanden stroomt. Het mondstuk is een belvormige uitbreiding die met bouten bevestigd is aan de verbrandingskamer. Het mondstuk is 2,90 meter lang en de uitwendige diameter van de uitlaat is 2,40 meter. Een aan de voorzijde van het mondstuk gelaste ring is het bevestigingspunt van de motor aan het hitteschild van de Space Shuttle. Hittebescherming is noodzakeljk vanwege de blootstelling van delen van het mondstuk aan hitte tijdens de lancering, opstijging, vlucht en terugkeer tijdens een missie.

De vijf brandstofkleppen op elke motor worden hydraulisch bediend en bestuurd door elektrische signalen afkomstig van de motorbesturing. Zij kunnen volledig gesloten worden door gebruik te maken van de heliumvoorraad in het Main Propulsion System (MPS) dat als een reservesysteem voor het hydraulische systeem fungeert. De hoofdoxidantklep en de brandstofontluchtingsklep worden gebruikt na uitschakeling van de motor. De hoofdoxidantklep wordt geopend tijdens het lozen van brandstof om overtollige vloeibare zuurstof via de motor overboord af te voeren. De brandstofontluchtingsklep wordt geopend om achtergebleven vloeibare waterstof via de vulopening te laten ontsnappen. Nadat alle overtollige oxidant en brandstof is geloosd worden de kleppen gesloten en blijven dit tijdens de rest van de missie.

Een cardanisch lager is gemonteerd aan de hoofdinjector en de belvormige uitlaat en is de verbinding tussen de aandrijving en de shuttle. Het lager meet ongeveer 290 x 110 mm. De LPOTP en de LPFTP zijn onder een hoek van 180 graden ten opzichte van elkaar aan de achterste aandrijfconstructie van de shuttle bevestigd. De leidingen van de lagedrukturbopompen naar de hogedrukturbopompen zijn flexibel uitgevoerd waardoor de LPOTP en de LPFTP vast aan de shuttle kunnen blijven, terwijl de rest van de motor kan bewegen om de richting van de aandrijfdruk te kunnen sturen.

Een belangrijke innovatie was het inbouwen van een geïntegreerde motorbesturing in de motoren zelf. Deze digitale computer (in eerste instantie opgebouwd uit twee Honeywell HDC-601 computers maar later vervangen door twee dubbel uitgevoerde Motorola 68000 processors, waardoor er vier M68000 per motorbesturing beschikbaar zijn) heeft twee taken: het besturen van de motor en de verbrandingsprocessen en het controleren van zichzelf. Deze oplossing vereenvoudigde de bedrading tussen de motoren en shuttle aanzienlijk omdat alle sensoren en actuatoren direct aan de motorbesturing gekoppeld konden worden. Een speciaal voor de motorbesturing ontworpen systeem vereenvoudigd tevens het programmeren van deze besturing en heeft inmiddels zijn betrouwbaarheid bewezen.

Twee onafhankeljke, dual-CPU computers, A en B, vormen de motorbesturing, waardoor één systeem altijd als reserve kan fungeren. Bij het uitvallen van systeem A wordt automatisch overgeschakeld op systeem B zonder invloed te hebben op het operationele vermogen. Bij het uitvallen van systeem B wordt de motor gecontroleerd uitgeschakeld. In elk systeem (A en B) werken de twee M68000's in "lock-step", waardoor elk systeem fouten kan detecteren door de TTL-signalen van de databussen van de twee M68000's te vergelijken. Als er verschillen worden geconstateerd wordt een interrupt gegenereerd en de controle overgedragen aan het andere systeem. Omdat er kleine verschillen zijn tussen de M68000's van Motorola en die van de tweede fabrikant, TRW, gebruikt elk systeem M68000's van dezelfde fabrikant (bijvoorbeeld systeem A heeft twee Motorola processors en systeem B twee van TRW). Het geheugen dat gebruikt wordt is van het "plated-wire"-type, dat op dezelfde wijze werkt als ferrietkerngeheugen en data bewaard, zelf als de voedingsspanning wordt afgesloten. (Tijdens het onderzoek naar de ramp met de Challenger werd het geheugen geborgen vanaf de zeebodem en overgedragen aan Honeywell voor onderzoek en analyse. Ondanks dat het geheugen geruime tijd in zout water had gelegen, kon na schoonmaken en het uitvoeren van enige kleine reparaties de inhoud van het geheugen gelezen worden en gebruikt worden bij het forensisch onderzoek naar de ramp.)

Referenties[bewerken]

  1. a b c d e RS-25 artikel op de website van Astronautix
  2. a b c d Space Shuttle Main Engine Pratt & Whitney Rocketdyne
  3. John Shannon. Shuttle-Derived Heavy Lift Launch Vehicle (17 juni 2009)

Externe links[bewerken]