[AR] Re: {Spam?} Re: Rocket thrust change with altitude, RPA

  • From: "Troy Prideaux" <troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx>
  • To: <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Fri, 28 Oct 2016 17:15:11 +1100

Mate,
  Go back and read the original email to gather some *context* and please 
dispense with the semantics FFS. Ed was basically asking why the condition for 
Pe>Pa doesn't produce more thrust than Pe=Pa given the equation in every text 
is F = q × Ve + (Pe - Pa) × Ae
 It's a fair enough question and I gave it my best shot at answering it. Okay, 
I might not have worded everything perfectly, but given the context of the 
original post, I assume most people would have known what I was getting at.

Troy.

-----Original Message-----
From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Alexander Ponomarenko
Sent: Friday, 28 October 2016 4:59 PM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: {Spam?} [AR] Re: Rocket thrust change with altitude, RPA

As Pe increases higher than Pa (under expansion), Ve drops and to a
lesser
extent Ae drops too thereby reducing F

So, you are changing both Ve and Ae.

But this does not correspond to your own statement "*the engine* will be at 
optimal performance (for the operating conditions) only when Pe=Pa", because as 
soon as you change Ve or Ae it is probably not the same engine (or at least not 
the same operational configuration).

why does Pe=Pa produce more thrust than Pe>Pa for the same mass flow
and throat area
As Pe increases higher than Pa, Ve drops and to a lesser extent Ae
drops too
As Pe reduces lower than Pa (over expansion) Ve increases,

Actually, you are comparing *different* engines with different values of Ve and 
Ae, because for the *same* engine neither Ve nor Ae is changed with the 
altitude (as long as we don't have the nozzle with variable geometry).

But if you consider *the same* engine ({pc, Mdot, Ae}=const) at different 
ambient conditions, you will see that the lower Pa the better engine 
performance (that is, thrust and Isp is higher).

Regards,
Alexander

On 10/28/2016 07:12 AM, Troy Prideaux wrote:
Just to clear this up a bit more:

F = q × Ve + (Pe - Pa) × Ae

   where F = Thrust
         q = Propellant mass flow rate
         Ve = Velocity of exhaust gases
         Pe = Pressure at nozzle exit
         Pa = Ambient pressure
         Ae = Area of nozzle exit

So, why does Pe=Pa produce more thrust than Pe>Pa for the same mass flow and 
throat area:

(1) Ve is inversely proportional to Pe Due to Ve = SQRT((2 * k / (k - 
1)) * (R' * Tc / M) * (1 - (Pe / Pc)(k-1)/k)) And
(2) Ae must also drop as Pe increases
Ae = 
At/(((k+1)/2)^(1/(k-1))*(Pe/Pc)^(1/k)*SQRT((((k+1)/(k-1)))*((1-((Pe/Pc
)^((k-1)/k))))))

So, for F = q × Ve + (Pe - Pa) × Ae

As Pe increases higher than Pa (under expansion), Ve drops and to a 
lesser extent Ae drops too thereby reducing F

As Pe reduces lower than Pa (over expansion) Ve increases, but pressure 
thrust reduces more as it goes negative and coz that negative number is 
multiplied with Ae which itself increases, the resultant negative is more 
than the increase in Ve alone.

Troy


Ed (Kelleher),
  The confusion here is that you're specifically looking at the pressure 
thrust side of the equation what relates specifically to pressure imbalances 
and yes, it is true that for an under expanded nozzle, the pressure thrust 
will be higher than for an optimally expanded nozzle. However, the momentum 
thrust will be reduced even more because the velocity component of that also 
accounts for the pressure balance between Pc,Pe - in particular this part of 
the momentum thrust equation :  "(1 - (Pe / Pc)^(k-1)/k)" As you can see, as 
you increase Pe, the contribution from this part is lower as it's being 
subtracted from 1. In the end, this influence overrides the pressure thrust 
contribution.

Here is probably the best explanation you're ever likely to see:
http://www.braeunig.us/space/sup1.htm

Troy.






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