Рассмотрим этот мыслительный процесс:
На самом деле, я даже слышал о предложениях использовать наземные лазеры для нагрева водорода, используемого в качестве реактивной массы ракеты. И лазерно-термические, и ядерно-термические используют уникальную форму подвода тепла. Вы не можете просто открыть дно газовый баллон и выведите его на орбиту, потому что вы также ограничены тепловой скоростью молекул.
Но это не очень убедительно. Почему мы не можем просто нагреть газ до температуры, которую вы бы получили от ядерной тепловой ракеты, затем загрузите его в бак / ракету и выведите на орбиту?
Конечно, вы теряете большое количество тяги, поскольку истощение бака уменьшает P и T. И у вас есть много структурной массы от (теперь) герметичных ракетных ускорителей. Но преимущество идет от реакционной массы на . Я имею в виду, что есть действительные случаи для ядерных термальных источников, когда это оправдывает вес всего ядерного реактора . В конце концов, главная инженерная причина, по которой мы их не используем , — радиационный кошмар.
Даже в очень причудливых сборниках будущих ракетных технологий я никогда не видел, чтобы кто-нибудь касался этой концепции. Поместить горячий газообразный водород в бак высокого давления не кажется таким уж сложным (ладно, горечь есть, но долго она там не продержится). И в конце концов, если водород, который вы помещаете в бак, находится в тех же условиях, что и выход из ядерной тепловой ракеты, это не так уж сильно отличается . Я могу представить только одну возможную вещь, которая могла бы его убить - это структурная масса для повышения давления. Вы могли бы сделать этот расчет, и я бы сделал ставку на то, что он сохранит жизнеспособность.
Что удержало эту линию дизайна от дискурса в классической ракетной технике? Вероятно, это смехотворная идея, но с моими знаниями я не могу ее исключить.
Я нашел это. Причина в весе сосуда высокого давления. Моя интуиция ошибалась в этом вопросе.
Предположим, имеется длинный цилиндрический резервуар. Вес самого танка следующий.
Масса газа в баллоне равна, где это формула массы.
Объедините эти два параметра, чтобы получить отношение веса газа к весу баллона.
Одним из лучших вариантов конструкционного материала является углеродное волокно. Соотношение прочности к весу для этого равно:
Если предположить, что газ удерживается при , то это ограничивает идею жалким специфическим импульсом . Это полезно для консервативного расчета. Если соотношение массы бака и газа не подходит для этого значения, это никогда не будет конкурентоспособной идеей.
Танк будет весить в 5 раз больше топлива, которое он хранит. Это при самых оптимистичных предположениях. Это исключает идею. Мы приходим к выводу, что эта идея в принципе невозможна, потому что невозможно сделать материал достаточно легким и прочным, чтобы его можно было снять.
На самом деле, для газов более высокие атомные номера на самом деле лучше, чем более низкие атомные номера. Это основная причина, по которой ксенон является предпочтительным газом для ионных двигателей, это самый массивный элементарный нерадиоактивный газ. Причина этой логики подпадает под закон идеального газа, . По сути, с повышением температуры повышается и давление. Однако по мере увеличения атомного номера давление падает. Поскольку наиболее важной частью космического корабля является импульс, а импульс равен массе, умноженной на скорость, в основном вам нужна наибольшая масса для вашего объема. Однако жидкий водород можно хранить гораздо плотнее.
Хорошо, для вашей конкретной идеи, при каком давлении нужно хранить водород, чтобы он работал? Ну, предполагаемая температура для ракет НТР около 3000К. Предположим, вам также нужна плотность, аналогичная жидкому водороду. Эта плотность, по данным Google, составляет 70,85 кг/м³. Итак, давайте возьмем эти числа и подставим их в закон идеального газа, предполагая, что объем равен 1 м³. Это дает в общей сложности 35425 молей водорода. С помощью этого калькулятора можно получить давление 9514 атмосфер, которое необходимо поддерживать на уровне 3000К. Я не знаю ни одного вещества, способного выдерживать такое давление, которое не весило бы тонну.
Ради интереса предположим сверхплотный газ, скажем, гексафторид серы . Я собираюсь проигнорировать тот факт, что это почти наверняка будет запрещено из-за чрезвычайно высокого потенциала парниковых газов. Его атомный массовый номер равен 146, поэтому количество молей на 1 м³, если принять ту же массу, что и у водорода, будет равно 485,3. Подсчитав на том же калькуляторе, давление будет 130 атмосфер, что допустимо, но, вероятно, не при таких высоких температурах.
Суть в том, что хранение веществ с высокой температурой и высоким давлением практически невозможно с сегодняшними технологиями. Возможно, когда-нибудь в будущем кто-то придумает лучший способ сделать это, но пока я бы на это не рассчитывал.
На самом деле эта идея крутилась у меня в голове, пока я не удосужился провести математику. Материалы имеют тенденцию терять прочность при более высоких температурах до такой степени, что лишь немногие материалы даже отдаленно полезны при температуре выше нескольких сотен градусов по Цельсию. Таким образом, любая энергия, полученная от более горячего H2, будет потеряна из-за гораздо более толстых стенок и, следовательно, веса стенок топливного бака. . Эта концепция в некоторой степени жизнеспособна при температуре, напоминающей комнатную, поскольку тогда плотность энергии H2 будет выше, но будут материалы, которые могут выдерживать безумное давление 1000+ атм (все еще намного толще и тяжелее, чем обычно), необходимое для получения приличной объемной плотности. Эта концепция будет жизнеспособной, если будет построена массивная ракета, которая лучше использует закон квадрата-куба.
Никол Болас
AlanSE
икрасе
СФ.