Использование воды в качестве пропеллента Hydro-lox с высокой плотностью хранения.

Hydro/lox является отличным выбором топлива и используется во многих двигателях/ракетах с высокими требованиями к ISP, однако двумя самыми большими недостатками топлива являются его плотность и выкипание. Можно ли решить эту проблему, храня топливо в виде воды при атмосферном давлении, а затем используя солнечные батареи или даже РИТЭГи для выработки энергии, необходимой для превращения воды в 2H/O посредством электролиза. Это имело бы недостаток, заключающийся в том, что его нужно было бы сжигать стехиометрически и только с большим источником энергии по сравнению с двигателем, что, возможно, ограничивало бы его использование космическими зондами. Может ли это потенциально заменить ионные двигатели в качестве недорогой альтернативы с высоким T/W?

Я оставил частичный ответ, но думаю, что он заслуживает более тщательного рассмотрения. Хороший вопрос!
@uhoh да, спасибо за ваш ответ, ионные двигатели, вероятно, сделают такую ​​​​технологию устаревшей.
Можно сделать, да. Но чтобы это имело смысл, нужен очень конкретный сценарий: 1) нужна высокая тяга (которую вы не получите от ионных двигателей); 2) у вас должна быть очень длительная фаза выбега/стоянки до , например, несколько лет (хранение водорода невозможно из-за выкипания). Затем вы можете использовать свой источник электроэнергии, чтобы заранее эффективно наполнить резервуары Hydrolox из резервуара для воды. Кроме того, чтобы это имело смысл, 3) общая эффективность, стоимость и надежность этой системы должны, по крайней мере, соответствовать показателям SRB. Может быть, есть какие-то военные варианты использования.
Если вы используете ядерную энергию для питания двигательной установки, лучшим подходом для высокого ISP является ионный двигатель; для большой тяги, где ISP не вызывает беспокойства, прямой перегрев топлива. Вода может быть не лучшим выбором для хранимого топлива, потому что она замерзает при температуре, которая может быть неудобно высокой.

Ответы (6)

Цель сжигания химического топлива состоит в том, чтобы преобразовать химическую энергию в тепло, используя это тепло для ускорения топлива. Если вы начинаете с электрической энергии, у вас нет причин ограничивать энергию, которую вы вкладываете в данную массу топлива, тем, что вы можете хранить в ней в виде химической энергии: просто нагрейте воду напрямую, и вы сможете достичь температуры, которая невозможна при горении. t, превосходя химический двигатель Hydrolox. Нагрейте его достаточно, и вы диссоциируете воду на водород и кислород, дополнительно улучшая удельный импульс за счет снижения средней молекулярной массы. Примером этого является разрабатываемая компанией Momentus технология подруливающих устройств с использованием микроволнового нагрева: https://momentus.space/

Если вам нужна тяга больше, чем эффективность топлива, вы можете работать при более низкой температуре и более высоком массовом расходе. В этом случае может быть достаточно простого резистивного нагрева... резиста.

Более того, вода является химическим продуктом полного окисления (сгорания) водорода. Вы не можете получить больше энергии из этой реакции, чем вам нужно вложить , чтобы обратить ее вспять (второй закон термодинамики), и на практике вам нужно вложить больше энергии, чем вы можете получить обратно. Таким образом, гидролиз воды только для того, чтобы сжечь полученный водород и кислород, является проигрышным предложением.
@JohnBollinger Вы, кажется, упускаете суть - со спутником в космосе эта энергия будет исходить от солнечного света, поэтому вода действует как способ преобразования электричества в тягу, поэтому эффективность электролиза почти не имеет значения. Все, что имеет значение, это то, является ли он более эффективным (в конкретном сценарии), чем другие двигатели с электрическим приводом.
@JohnBollinger также неэффективен прямой нагрев воды. Например, генерация микроволн далека от 100% эффективности. И, конечно же, вы должны оплатить затраты энергии на расщепление молекул, если вам нужен диссоциированный выхлоп... это всего лишь часть торговли эффективностью мощности и топлива.
@JohnBollinger Преимуществом расщепления воды является высокая мощность (энергия/время), обеспечиваемая сжиганием H2/O2, что иногда важно для орбитальных маневров. Hydrolox — это огромный запас энергии, который можно преобразовать в тягу за очень короткое время. Химическая энергия по-прежнему имеет самую высокую плотность энергии (в расчете на объем? массу? не уверен). Непосредственное «хранение» электричества (суперконденсаторы, батареи) менее эффективно (и в любом случае это просто еще один вариант химической энергии!).
@ Peter-ReinstateMonica, вы предлагаете хранить водород и кислород, произведенные в течение длительного периода времени, и использовать их при кратковременном сжигании? Это позволило бы увеличить тягу и лучше использовать эффект Оберта, но вы были бы ограничены эффективностью гидролокса со стехиометрической смесью (или штрафами за ношение воды, содержащей кислород, который выбрасывается после электролиза), и вы бы должны нести тяжелые сосуды под давлением для газообразного водорода и кислорода, которые на самом деле не вмещают много топлива. (Если бы вы могли сжижать H2 и O2, вы бы не электролизовали воду.)
Возможно, интересное примечание: на самом деле есть небольшие горелки, используемые для мелкомасштабной обработки металлов (например, ювелирных изделий), которые работают таким образом, электролизируя воду для получения водорода и кислорода, которые сгорают. Конечно, в этом приложении есть совершенно другой набор желательных свойств и компромиссов.

Частичный ответ:

Если у вас есть солнечная электроэнергия, вы можете использовать каждый килограмм топлива намного эффективнее (т.е. более высокое значение дельта-v за счет более высокого Isp), если оно ионизировано и ускорено. Электростатическое ускорение может придать примерно от 10 000 до 100 000 м/с (или потенциально выше (извините за каламбур)) скорость по сравнению с примерно 4500 м/с от химического двигателя 2H2 + O2.

Поэтому, хотя вы могли бы сделать это (нет фундаментальной причины, почему бы и нет), было бы гораздо лучше принести немного криптона или даже йода для ионизации, а не воду для расщепления и преобразования.

Ксенон и криптон

Твердые вещества, такие как йод и литий

Более легкие альтернативы

Молекулярные виды

Почему именно эти элементы? Честный вопрос.
@BolucPapuccuoglu и тоже хороший вопрос! Вы правы, изначально я планировал сделать ссылку на другие посты об этом, я сообщу вам, когда сделаю это. Краткий ответ заключается в том, что благородные газы, такие как ксенон и криптон, легко ионизировать, поэтому для большинства двигателей источники питания и магниты, которые производят плазму и содержат электроны, могут быть легче, но их необходимо хранить в тяжелом газовом баллоне высокого давления. Йод можно хранить в твердом состоянии при умеренном давлении, что снижает его вес, но это все еще экспериментальный продукт.
@uhoh - вода будет доступным космическим ресурсом, удаленным от Земли, но ксенон и криптон должны будут прийти с Земли.

Жидкости гораздо лучше охлаждают, чем газы. Двигатель VW Beetle был единственным, в котором использовалось воздушное охлаждение среди многих других автомобильных двигателей с водяным охлаждением. Ни один современный автомобильный двигатель не использует воздушное охлаждение.

(Извините, здесь нет репутации, чтобы комментировать). Я могу вспомнить еще два автомобильных двигателя с воздушным охлаждением: Porsche и Corvair. Давайте не будем забывать обо всех авиационных двигателях с воздушным охлаждением, даже сегодня! Двигатели с воздушным охлаждением были намного легче и проще. Единственная причина, по которой вы больше не увидите их в автомобилях, заключается в том, что трудно контролировать их рабочую температуру (по сравнению с водяным охлаждением), что приводит к гораздо большему выбросу загрязняющих веществ.

к вашему сведению, после того, как вы какое-то время будете участвовать, у вас будет возможность комментировать сообщения, но попытка использовать ответы в качестве комментариев приведет к их удалению.
хладагенты, используемые в контурах охлаждения ракетных двигателей, часто испаряются, но остаются жидкостью, поскольку являются сверхкритическими.
У моего друга когда-то был Corvair, но он сказал мне, что читал, что они опасны на какой-то скорости, но я не помню, какая это была скорость... У меня также когда-то был Plymouth Satellite, и я обсуждал это в этом ответе, но я в этом ответе также обсуждались вопросы, связанные с исследованием космоса. Если вы хотите сохранить это как пост с ответом (а это вполне возможно), вы как-то добавите к нему что-нибудь, чтобы сосредоточиться на аспектах вопроса, связанных с космическим полетом? Спасибо!

Да, и планировалось , что коммерческие грузы будут доставлять воду к шлюзу, где она будет разделена электролизом для создания топлива для многоразового спускаемого/подъемного аппарата .

В то время как электролиз является энергоемким, воду можно разделить за пару месяцев и хранить до тех пор, пока она не будет использована за считанные минуты, поэтому для многоразовой системы, подобной этой, масса солнечных панелей, электролиза, холодильного и складского оборудования составляет единицу. -Стоимость шлюза, а не та, которую нужно платить за (относительно) высокую тягу корабля.

«воду можно разделить за несколько недель и хранить» только в том случае, если у вас обоих есть большие резервуары для жидкой воды и газообразного водорода и кислорода. Использование небольших и легких резервуаров для жидких газов затруднительно в течение нескольких недель и потребует охладителя тяжелого газа.
да @uwe, как объяснено во втором абзаце, это имеет смысл только для заправочной станции, а не для транспортного средства.
Вы можете хранить воду в виде льда, завернутого в многослойную изоляцию. Нет необходимости в настоящем танке.
Опять же, вы можете просто использовать воду напрямую, нагревая ее с помощью ядерного источника энергии. Были работы над ядерными паровыми спускаемыми аппаратами для Луны. Преимущество в том, что вам не нужно все дорогостоящее оборудование для электролиза и хранения криогенного топлива. Просто постройте посадочный модуль с большим водяным пузырем, направьте воду в нагревательную камеру с ядерным двигателем, которая превратит ее в пар и выстрелит из сопла. Он менее эффективен с точки зрения ISP, но TWR довольно хорош из-за простоты. В среде 1/6g airleas это работает очень хорошо на бумаге.
но включает ядерный источник энергии @DanHanson

Разделение воды на водород и кислород с помощью электроэнергии очень неэффективно. Внутреннее сопротивление электролизера вызывает большие потери мощности. Сопротивление можно уменьшить, уменьшив расстояние между обоими электродами, но нужно минимальное расстояние для разделения водорода и кислорода.

С помощью электролиза вы получаете газообразный водород и кислород. Но ракетный двигатель Hydrolox предназначен для жидкостей, а не для газов. Необходимое охлаждение камеры сгорания осуществляется только жидкостями. Турбонасосы не работают с газом.

Жидкости гораздо лучше охлаждают, чем газы. Двигатель VW Beetle был единственным, в котором использовалось воздушное охлаждение среди многих других автомобильных двигателей с водяным охлаждением. Ни один современный автомобильный двигатель не использует воздушное охлаждение.

Выхлоп ракетного двигателя Hydrolox представляет собой чрезвычайно горячий водяной пар, поэтому проще и эффективнее использовать паровой ракетный двигатель с электрическим подогревом. Но достичь сравнимой температуры пара непросто.

Вы не заботитесь о разделении водорода и кислорода, если собираетесь сжигать его напрямую. Можно просто закачать смесь в камеру сгорания. Кроме того, скорость потока будет довольно низкой, поэтому вам не нужны турбонасосы или охлаждение.

В большинстве сценариев я не могу себе представить, что дополнительный интернет-провайдер hydrolox стоит всего дополнительного оборудования, которое вам придется носить с собой, чтобы осуществить это.

Однако я вижу одну миссию: прыгать между телами в облаке Оорта. Суть в том, что вы не носите воду, вы добываете ее на каждой цели. Есть ли миссия, где они достаточно близко друг к другу, чтобы сделать это практичным, это совсем другой вопрос, хотя...

Использование воды в качестве пропеллента Hydro-lox с высокой плотностью хранения.
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v