Было бы практично улавливать выхлопы ракеты, чтобы повторно использовать их в качестве топлива?

Как и любой вечный двигатель, он не работает. В данном случае есть две основные причины.

Во-первых, ваша стрелка «отправить топливо» толкает массу вперед; каждое действие имеет равную и противоположную реакцию, поэтому толкание этой массы вперед толкает остальную часть ракеты назад.

Во-вторых, выхлоп — это не топливо; он уже сгорел, и химическая энергия топлива была преобразована в кинетическую энергию. Нет простого способа преобразовать его обратно. Это равносильно тому, чтобы взять пепел и газы, выделяющиеся из дров или угольного костра, и попытаться снова сжечь их.

Это почти космический фонтан .

Но с упущенной важной деталью: коллектор не должен быть соединен с кораблем, а вместо этого должен быть надежно закреплен на земле. Земля — отличный поглотитель импульса!

Еще ближе к вашей диаграмме, но все же с существенной деталью, что они не связаны, два корабля, бросающие ракетное топливо между собой, будут ускоряться в противоположных направлениях. Сумма импульсов по-прежнему равна нулю, но это относится и к обычной ракете.

Нет, это было бы непрактично.

Теоретически возможно обратное преобразование выхлопных газов в топливо. Я знаю, что в ракетах используются различные соединения топлива и окислителя, такие как, например, гидразин и его производные, окисляемые четырехокисью азота, но давайте рассмотрим более простой пример, так как вывод также верен, если применить его ко всем другим дуэтам топлива и окислителя. Если бы мы использовали жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя, продуктом сгорания был бы водяной пар. Полностью преобразовать воду обратно в водород и кислород вполне возможно.

Однако проблема при таком подходе более фундаментальна: превращение продуктов сгорания обратно в субстраты (горючее и окислитель) потребует затрат энергии и, что более важно, с учетом второго начала термодинамики, всегда будет требовать больше энергии, чем было получено от горение в первую очередь. Чистый результат полученной энергии по сравнению с потраченной обязательно всегда будет отрицательным, независимо от того, какой метод используется для разделения воды на составляющие ее элементы.

Любое предполагаемое решение этой фундаментальной проблемы должно было бы нарушать законы физики. И, вопреки утверждениям, сделанным в некоторых других ответах, не обязательно сложно и сложно превратить выхлопные газы обратно в топливо и окислитель. Все, что требуется для электролиза воды, — это два электрода и источник электричества с напряжением выше 1,23 В; необязательно, но настоятельно рекомендуется также небольшое количество сильного и электролитически инертного ионного соединения, такого как серная кислота или гидроксид натрия, для увеличения скорости реакции. Сам процесс очень прост, не требует каких-либо «передовых» (или как там сейчас модно словечек) технологий и потенциально любой может провести такой процесс у себя дома прямо сейчас. А при достаточно длительном времени даже продукты сгорания древесины (при условии полного сгорания до углекислого газа, вода и минеральная зола) в некотором смысле частично превратятся обратно в древесину и кислород, поскольку растущие деревья поглощают эти вещества обратно из воздуха и земли во время фотосинтеза. Подобные заявления могут предполагать, что это возможно, но сложно и требует изобретения какой-то инновационной технологии, тогда как на самом деле это возможно, просто потеря энергии и, следовательно, не имеет смысла.

Также не имеет значения, какой способ взаимодействия водорода с кислородом используется: сжигание, обратный электролиз в так называемом «топливном элементе» и т. д. всегда будет давать меньше энергии, чем потребуется для превращения полученной воды обратно в водород и кислород.

На знаменитой серии старых картинок 2010 года показана другая, но похожая в принципе, невозможная концепция (кликните по картинкам, чтобы увидеть полноразмерные версии):

Первоначальный вопрос относился к схеме «ловить топливо на ходу», но не указывалось, указывает ли линия, соединяющая изображение ракеты с изображением «коллектора» [ sic ], что две вещи были соединены твердым телом или двумя функциональными блоками. обозначения были связаны планом отправки топлива из коллектора в ракету в какое-то время без жесткой связи между двумя вещами. Я выбираю последнюю интерпретацию, потому что она позволяет физически реализовать идею.
Так что переработка выхлопа ракеты вполне практична. Это не обязательно должно быть водородное и кислородное топливо. Это может быть метан и кислород в соотношении, возможно, 3 кг кислорода на 1 кг метана, и в этом случае вы должны получить выхлопные газы, такие как двуокись углерода, водяной пар, окись углерода и водород. [Бен Манро, инженер-механик] (https://www.benjaminmunro.com/liquid-oxygen-methane-engine-development )
Углекислый газ можно превратить обратно в метан с помощью водорода в реакции Сабатье. [Возрождение реакции Сабатье и ее применение на Земле и в космосе] ( https://www.nature.com/articles/s41929-019-0244-4 ) Оксид углерода также можно преобразовать в метан с помощью водорода, катализатора , давление и тепло. [«Адсорбция и десорбция водорода, монооксида углерода и продуктов их реакции на катализаторе синтеза метанола» К. АХАРОНИ и Х. СТАР] ( https://cdnsciencepub.com/doi/pdf/10.1139/v74- 603). Водород можно получить из водяного пара электролизом. Восстановление водорода с помощью электролиза является важной частью усилий по переработке и требует электроэнергии и времени.
В интернете появилось предложение утилизировать выхлопы ракет и как это сделать. [УТИЛИЗАЦИЯ РАКЕТНЫХ ВЫхлопов] ( https://lunarpedia.org/w/RECYCLING_ROCKET_EXHAUST) Я не решаюсь предложить эту ссылку, потому что я опубликовал статью Lunarpedia, поэтому она не более авторитетна, чем я, но она показывает, что я не занимаюсь плагиатом. Физическая возможность улавливания и утилизации выхлопных газов не вызывает сомнения. Это не требует инженерной степени, такой как я должен понимать вовлеченные концепции. Строительство тридцатимильной трубы на поверхности земной луны вдоль экватора, через которую ракета разгоняется со скоростью 30 метров в секунду в квадрате до орбитальной скорости, позволило бы улавливать большую часть выхлопных газов, закрывая дверь после того, как ракета улетает. Горизонтальное ускорение до орбитальной скорости было первым средством, предложенным сэром Исааком Ньютоном. [Орбитальная пушка Ньютона] (http://www.astronautix.com/n/newtonsorbitalcannon.html#:~:text=Newton's%20Orbital%20Cannon&text=British%20gun%2Dlaunched%20orbital%20launch, для%20space%20travel%20and%20rockettry. ).
Вертикальные запуски на Луну имеют то преимущество, что тяга незаполненного объема обеспечивается силой тяжести. Когда ракета должна быть запущена горизонтально внутри трубы, электромагнитная помощь при запуске с помощью мобильной пусковой площадки с электрическим ускорением может обеспечить незаполненный объем, удерживая ракету в трубе. Электрическая система помощи при запуске также может обеспечить 4% дельты миссии v.
Поскольку такого предприятия по переработке выхлопных газов ракет не было построено, процент топлива, которое можно было бы восстановить и повторно использовать в исходной ракете после ее возвращения или в другой ракете, неизвестен. Я предлагаю предположить, что реальная установка могла бы перерабатывать более 95% израсходованного топлива. Если меньшую часть потерянного топлива заменить, ракета может совершать повторные рейсы туда и обратно между двумя топливными складами для переработки топлива и использовать одно и то же топливо снова и снова.

Ответ должен сопровождаться вопросом: намерено ли использовать выхлоп непосредственно в качестве тяги или использовать его в качестве топлива для сжигания для создания тяги? В первом случае оно самоуничтожилось бы в процессе сбора в том смысле, что оно толкнуло бы себя в обратном направлении, работая против себя. В последнем случае, если в выхлопных газах осталось какое-либо горючее топливо, это было бы признаком неэффективной конструкции двигателя, и с этим необходимо справиться, чтобы максимально приблизить эффективность к 100%, насколько это позволяет физика. Что касается Ионных Двигателей, то все, кажется, предполагают энергию деления, которая, помимо того, что очень нестабильна, крайне неэффективна. Прежде чем они будут разработаны для использования, более вероятно, что термоядерная энергия будет использована для питания ионных двигателей. Помните, звезды, включая наше собственное Солнце, работают на синтезе...

Если вы когда-нибудь придумаете химическое решение, в котором повторное сжигание выхлопных газов выглядит хорошей идеей, не создавайте его. Это не сработает, потому что улавливание выхлопа компенсирует расход топлива. Это легче увидеть, если думать об импульсе, а не об энергии. Вы должны оставить реакционную массу позади.

С другой стороны, если вы найдете химическое решение, правильнее будет построить что-то вроде форсажной камеры; дважды сжигать топливо в одном и том же двигателе, не улавливая его; просто сделайте гораздо более длинный колокол двигателя.

Не практично. Есть несколько проблем.

Во-первых, то, что выходит из задней части ракеты, по большей части даже не топливо.

Во-вторых, большое облако топлива, которое вы видите при запуске, в основном состоит из воды, которая не дает ракете разорваться на части собственными ударными волнами.

Последнее, но самое главное, даже если бы выхлоп был на самом деле новым топливом, которое сгорает частями при низких температурах и его было бы намного больше, это все равно было бы непрактично. Все сводится к одному вопросу. Даже если вы поймаете топливо, как вы собираетесь получить это топливо, быстро двигаясь в направлении, противоположном тому, от которого вы движетесь, полностью назад, занесите их в свои топливные отсеки, переконденсируйте их и убедитесь, что нет доступа , прежде чем, наконец, получить повторное использование топлива? Требуется энергия, чтобы вернуть топливо, требуется энергия, чтобы перекачать его обратно в отсеки, особенно требуется энергия, чтобы переконденсировать ваше топливо обратно в жидкость и убедиться, что нет ничего, что могло бы полностью заблокировать топливные трубки в двигателе.

В целом, это потребует больше энергии, чем просто доставить больше топлива, не говоря уже о том, что это замедлит ваш корабль, потому что он должен продолжать тащить за собой тяжелую проволоку и топливный коллектор.

Выхлоп жидководородной ракеты с жидким кислородом содержит много несгоревшего водорода. Стехиометрическая смесь составляет 8:1 по массе, но такие ракеты работают ближе к 5:1 для максимального удельного импульса. Несгоревший водород добавляет тягу, потому что он выходит с очень высокой скоростью (высокий импульс) из-за своей малой массы (по сравнению с водяным паром).

Заманчиво попытаться каким-то образом использовать несгоревший водород, но любая попытка взять с собой дополнительный кислород обречена на неудачу как из-за необходимости нести этот дополнительный кислород, так и из-за необходимости каким-то образом сопоставить его скорость с несгоревшим водородом в выхлоп. Я предполагаю, что это остается верным даже для какой-то концепции форсажной камеры или прямоточного воздушно-реактивного двигателя, использующего атмосферный кислород в течение первых нескольких километров полета.

В области теоретически возможного, но совершенно непрактичного, учтите, что магнитные поля вездесущи в космосе. Заряженные частицы в виде выхлопа двигателя будут двигаться по винтовой траектории. Поместите коллектор в точку, где выхлоп прошел половину спирального цикла. Это передает импульс магнитному полю, создавая тягу без расхода реактивной массы.