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.
300px|jmpl|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.

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 
jmpl|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.

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  Blue Origin New Glenn Active  2nd LH2 / LOX Expander, open  BE-7Blue OriginBlue MoonDevelopment1stLH2 / LOXExpander, open LE-5B  Mitsubishi, JAXA H-IIA, H-IIB Active Upper LH2 / LOX Expander, open      LE-9Mitsubishi, JAXAH-3Development1stLH2 / LOXExpander, open.9 M10  Avio Vega-E Development Upper CH4 / LOX Expander, closed      RD-0146D  KBKhA Angara Development Upper LH2 / LOX Expander, closed    RL-10A-4-2  Aerojet Rocketdyne Atlas IIIB, V Retired Upper LH2 / LOX Expander, closed       RL-10B-2  Aerojet Rocketdyne Delta III, IV, SLS Active Upper LH2 / LOX Expander, closed       RL-10C-1  Aerojet Rocketdyne Delta III, IV, SLS, Vulcan Active Upper LH2 / LOX Expander, closed       Vinci  Snecma Ariane 6 Active  Upper LH2 / LOX Expander, closed       YF-75D  AALPT Long March 5 Active 2nd LH2 / LOX Expander, closed       YF-79  AALPT Long March 9 Development 3rd LH2 / LOX Expander, closed      LE-5A  Mitsubishi, NASDA H-IIRetired Upper LH2 / LOX Expander, open      

 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 

Kategori:Pembakaran
Kategori:Mesin roket
Kategori:Mesin roket berdasarkan siklus
Kategori:Mesin roket yang menggunakan siklus ekspander
Kategori:Propulsi wahana antariksa
Kategori:Siklus termodinamika
Kategori:Teknologi gas