Comments 34
Вопрос от дилетанта - если полученный теоретический выхлоп подать на вход другому двигателю и совершить над ним какую-либо работу - получится ли разогнать его быстрее? И если нет - то куда пойдет энергия, совершенная над рабочим телом?
Можно, почему нет. Если мы говорим просто о тепловом двигателе, то сразу упремся в жаростойкость материалов, 2)масса двух двигателей - ускорение в 2 раза меньше, даже при хорошей экономности использовать такой двигатель разве что для межзвездных полетов на астероидах.
Если это ионный двигатель, то он где-то так и устроен, упираемся в электрическую мощность и физику плазмы.
Простым теплообменом не получится, так как масса рабочего тела будет намного меньше массы горящих газов, то есть рабочее тело не сможет их охладить в достаточной степени.
Не понятно, почему масса рабочего тела мала. Подавайте его в бОльших количествах, и все дела.
Ну и нельзя забывать 2-е начало термодинамики. Не получится полностью отобрать термическую энергию у продуктов горения.
Не понятно, почему масса рабочего тела мала. Подавайте его в бОльших количествах, и все дела.
Потому что для данной энергии, удельный импульс зависит обратно пропорционально от массы. Больше массы, меньше удельного импульса при той же энергии.
Не получится полностью отобрать термическую энергию у продуктов горения.
Это ничего не меняет, потому что у всех возможных конструкций это не получится одинаково.
А куда воду при этом девать? Допустим вы забрали у неё всё тепло и передали водороду, но сама вода у вас осталась. Везти с собой? Это баласт. Выкидывать? Так вы только что потеряли все свои достижения удельного импульса.
Конечно выкидывать, хоть какую-то дополнительную тягу получим. Но почему считаете, что потеряется УИ? Кстати интересный вопрос как слагается УИ? Если у нас один двигатель с низким УИ и один с высоким, какой будет результатный УИ системы?
Сумму импульсов делим на сумму масс
Он же удельный
Просто "теоретический вопрос" в порядке бредовости (вопрос теоретический, а не конструкторский), а если "Быстрый" водород выбрасываем "назад" для получения движения и высокого удельного импульса, а "медленную, но массивную" воду (или что там получится) вбок (в разные стороны, чтобы компенсировать тягу)?
Сомнительная затея, так как передать энергию полностью водороду эффективно будет очень сложно. Самый простой вариант это использовать не стехиометрическую смесь, что в принципе давно делают.
Проблемы с удельным импульсом начинаются ещё на том моменте что мы с соплом Лаваля то не можем преобразовать всю тепловую энергию в кинетическую, выхлоп у двигателей и так очень горячий.
А вообще вы изобрели электрореактивный двигатель. То что вы описали в конце это примерно похоже на VASIMR с запиткой от топливных элементов
так как передать энергию полностью водороду эффективно будет очень сложно.
Я не спорю. Но сложность здесь, это чисто техническая проблема. Фундаментальных ограничений вроде нет.
Самый простой вариант это использовать не стехиометрическую смесь,
Не получится. Расчеты показывают, что получится даже меньший УИ, потому что мы вместе ускоряем большую массу с меньшей энергией.
Расчеты показывают, что получится даже меньший УИ, потому что мы вместе ускоряем большую массу с меньшей энергией.
Это сферический конь в вакууме когда у нас вся тепловая энергия переходит в кинетическую. В реальности такого не происходит. Математических выкладок почему сходу не смогу привести, но это сравнительно легко найти по запросам типа "fuel rich rocket engine". Все двигатели сейчас используют не стехиометрическую смесь отнюдь не только из-за конструктивных соображений и максимальных температур, избыток более лёгкого из компонентов топлива даст больший импульс
Не получится. Расчеты показывают, что получится даже меньший УИ, потому что мы вместе ускоряем большую массу с меньшей энергией.
Получится, что и давно известно и используется всеми ракетостроителями. Причина в том, что не стехиометрическую смесь даёт в выхлопе более низкую интегральную молярную массу. Например, стехиометрическая смесь в вашем топливе даст выхлоп с водой, а смесь с избытком водорода будет иметь водород в выхлопе. Керосиновые ракеты на не стехиометрической смеси имеют в выхлопе и углерод, и угарный газ, и даже водород, и всё это догорает в шлейфе при полёте в атмосфере.
Вообще-то вполне можно передать. Да, не в атмосфере где давление сверхзвукового выхлопа (и соответственная этому давлению степень расширения) ограничена примерно 0.2..0.3 бар, в вакууме вполне можно делать сопло сколь угодно большим. Проблем лишь две: во-1, та же вода, аммиак и подобные высококипящие продукты горения начнут тупо конденсироваться (==исчезать), во-2, небольшие улучшения удельного импульса не будут компенсироваться сильным утяжелением и увеличением размеров сопла.
У вас слишком наивная химия. При горении в 3000 градусов у вас не просто вода, она разлагается. Это раз. Второе. Даже кислород керосиновые ракеты горят с нестехиометрическим соотношением топлива и окислителя. Средняя молярная масса выхлопа ракетного двигателя РД107 ракеты Союз около 22. Так шта идея вполне проста - жгете водород с недостатком кислорода в выхлопе больше водорода, выше импульс. Тащемта вещи давно известные и используемые.
Про теплообменник на ракете - у вас требуемая мощность теплообменника равна мощности ракетного двигателя, равна мощности средней электростанции. Там теплообменник размером в небольшое здание и в космос не летает. Ваш теплообменник либо не передаст нужную мощность, либо будет неподьемно весить, либо прогорит в первые секунды до дыр.
Но ведь уменьшая массу продуктов сгорания вы уменьшаете и "тягу" и придете в итоге к "электрореактивному" (там много вариантов) двигателю, который эффективен только "в космосе" и взлететь с планеты на нем не получится.
Ну, как раз при увеличении удельного импульса та же тяга получится при меньшем количестве газов. А вообще-то тяга зависит от мощности двигателя. Если можно было иметь источник питания очень большой мощности, то и электрореактивные двигатели имели бы большую тягу. В обсуждаемой конструкции большая мощность источника питания получается из за его принципа действия, кратковременной работы и отсутствия промежуточных преобразований.
Нагревая водород в дуге вы его разлагаете до атомарного состояния, и затем он где-то в сопле начнет рекомбинировать с выделением тепла "...При рекомбинации атомарного водорода 2Н —— Н2 + 22105 кДж/кг выделяется тепло в ~17 раз большее, чем при сжигании молекулярного водорода 2Н2 + О2 — 2Н2О + 1,3104 кДж/кг. Это открывает возможность использования атомарного водорода в качестве однокомпонентного горючего." https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-polucheniya-i-ispolzovaniya-atomarnogo-vodoroda-v-kachestve-raketnogo-topliva#:~:text=При рекомбинации атомарного водорода 2Н,водорода в качестве однокомпонентного горючего. Ваш Starflash вполне может взлететь с Земли, слетать к Луне и вернуться обратно, главное как хранить атомарный водород?
Вау,
Спасибо за комментарий, использование таких реакций кажется достаточно перспективным и опасным.
Да, этот эффект используется в атомно-водородной сварки.
Только числа немножко смущают. Ведь, теплота сгорания водорода 121МДж/кг. Откуда эти 13МДж/кг у вас?
Да и не думаю, что атомарный водород можно хранить долго в больших объемов. Оно вообще хранение водорода задача не из легких.
Не прокатит. Просто по шагам распишите процесс (сжигание водорода в кислороде, передача энергии чистому водороду, выбрасывание воды, выбрасывание водорода), и увидите, где чего потеряли даже при идеальном расчёте. А если перейти к реальным условиям... Например, химическое равновесие в реакции 2H2+O2 <=> 2H2O при давлениях от 1 до 100 атмосфер достигается в районе 3000 К. Если вы прямо греете водород на кислород-водородной горелке - это ваш недостижимый идеал. Ну, не то чтобы совсем недостижимый, но за вменяемое время нет. Если вы греете водород опосредованно - добро пожаловать в мир тепловых машин, добавляете температуру холодильника, считаете КПД по формуле Карно (причём для мощных тепловых машин), много думаете о несовершенстве Вселенной. Потом выкидываем водород и пар через Лавалевское сопло. Тут должны быть мучительные раздумья о соотношении между массой сопла и степенью расширения в нём, но они слишком длинны, чтобы описать их на полях этой заметки. Потом обнаруживаем, что удельный импульс - это суммарный импульс выкинутых продуктов на их суммарную массу. В итоге, пройдя по всему этому кругу ада, возвращаемся к классическому двигателю с нестехиометрическим соотношением компонентов топлива.
Хочу огорчить вас. Такой двигатель с передачей энергии водороду будет даже в идеальном варианте не лучше, а на 70% (!!!) хуже, чем обычный водород-кислородный двигатель.
Вы совершенно неправильно считаете удельный импульс! Тягу надо делить на и на потраченное топливо, и на рабочее тело, а не только на массу рабочего тела. И если сделать правильно, то станет совсем грустно.
Многоформул. Пожалуй, распишу не в комментарии, а в отдельной заметке через день-два, как найду время.
А я вас взял и опередил.
Пусть ε энерговыделение топлива (далее Т) на единицу его массы. μ₁ — его массовый расход. μ₂ — массовый расход какого-то рабочего тела (далее РТ). Его отбрасывают для создания реактивной тяги. Само по себе РТ энергии не выделяет.
εμ₁ — мощность выделения (генерации) энергии топливом.
Закрывая глаза на второй закон термодинамики, считаем, что всю выделившуюся энергию мы передаём РТ, и рабочее тело идеально выбрасывается через сопло. Тогда скорость истечения РТ
V = √(2εμ₁/μ₂)
Для получения тяги домножим на μ₂
F = √(2εμ₁μ₂)
А для получения удельного импульса всё это надо поделить на массу затраченного топлива (за единицу времени)
P = F / (μ₁ + μ₂)
Итого
P = √(2εμ₁μ₂) / (μ₁ + μ₂)
Если у нас обычный двигатель, где топливо оно же и РТ, то надо положить под корнем μ₂ = μ₁, а в знаменателе одновременно μ₂ = 0. И получим обычное:
P₀ = √(2ε) — будем дальше всё сравнивать с этим значением.
Теперь посмотрим различные варианты расхода РТ.
1). Тот же массовый расход, что и для топлива μ₁ = μ₂. Обозначим просто μ. Получим:
P = P₀/2. Т.е. в два раза хуже, чем "просто" ракетный двигатель.
2). Тот же молярный расход водорода, что и стехиометрической смеси водород+кислород: μ₁ = 9μ₂. Получим:
P = 3P₀/10 — ещё хуже.
Не нравится кислород? Переходите на фтор!
Во всех химических двигателях даже на экзотической топливной паре основная проблема очень очень низкое выделение энергии относительно массы веществ участвующих в реакции.
Для неспешных полетов хоть с каким-то ускорением выше ионных двигателей нужно греть водород/иное удобное легкое топливо. Например можно брать литий хранить его всяко удобнее и греть это дело ядерной реакцией пока берем ядерную термоядр в космос еще не скоро затащим. Ну или греть потом ионизировать и еще разгонять.
Ну, если мы находимся далеко от гравитационных колодцев, лучше чем плазменные-ионные двигатели пока не придумали. Так что надо делать электричество ядерным реактором и питать ионные двигатели.
Только мне например очень интересно почему во всех конструкциях ионных двигателей о которых я читал используют ксенон в качестве рабочего тела? Ведь он совершенно не подходит из-за своей огромной молярной массы.
Действительно: E=q*U=m*V^2/2 => V = Sqrt(q*U * 2 / m ), Скорость истечения обратно пропорциональна корню молярной массы вещества. Однако изменение импульса P = V*m = Sqrt(E * 2 * m ) уже пропорционально корню молярной массы при заданной энергии. Так как все современные ионные двигатели ограничены в основном со стороны источников питания, то естественно, что в качестве рабочего тела логично использовать наиболее тяжелые ионы для создания наибольшей тяги.
Так как все современные ионные двигатели ограничены в основном со стороны источников питания
Да на самом деле слегка странно но это именно так. По идее самый выгодный двигатель это фотонный но на сколько ни будь приличную тягу нужна просто прорва энергии. Просто огромная прорва по идее лучше всего реакция аннигиляции.
А использование тяжёлых газов удобно хранить как правило в сжатом виде да и система подачи простая. Обычно криптон / ксенон. Но Эти газы дорогие.
Интересно есть ли ионные двигатели на ионах металлов ? Пи идее для добычи минералов из астероидов пойдут если удастся сделать прилично мощными. Да и рабочего тела на астероидах валом. Подошла бы ртуть например.
Химический ракетный двигатель с высоким удельным импульсом