Какая самая энергоэффективная и недорогая двигательная установка, кроме химического топлива-окислителя, может использоваться в ракетах?

За недорогой, особенно в расчете на тонну полезной нагрузки, запускаемый на высокой скорости, можно было бы рассмотреть ядерный дробовик или проект Орион . Есть несколько экологических и нормативных проблем, и дробовик, вероятно, не подходит для деликатных полезных нагрузок, таких как люди.

Нет.

Если бы существовала альтернатива, которая была бы и недорогой, и более эффективной, чем химическое топливо, она бы уже использовалась.

Есть один многообещающий кандидат: несколько компаний работают над ракетными двигателями, которые сжигают метан с LOX, с потенциально лучшими характеристиками, чем обычный RP-1/LOX.

Большой проблемой для ионных двигателей является их масштабирование и улучшение отношения тяги к массе.

Ядерная тепловая двигательная установка обеспечивает лучший удельный импульс, чем химическое топливо, в сочетании с высокой тягой. Большой проблемой этих двигателей являются их радиоактивные продукты выхлопа, что делает их непригодными для запусков с Земли. Их также дорого разрабатывать и строить, поэтому здесь есть уловка-22: вы не можете получить финансирование, пока не возникнет высокий спрос на быстрые межпланетные миссии, а быстрых межпланетных миссий не будет до тех пор, пока не возникнет высокая потребность + высокая -Исп двигателя имеется.

Двигатели на холодном газе - это наиболее энергоэффективная двигательная установка, которая фактически используется. Они могут давать довольно большую тягу (как продемонстрировали Разрушители мифов в паре эпизодов с такими вещами, как акваланги), а в качестве топлива может использоваться буквально сжатый воздух (более вероятным является азот или гелий), но они безнадежно слабы для основного двигателя. двигательная установка ракет-носителей. Однако они используются для маневрирования, ярким примером является первая ступень Falcon 9.

Я предполагаю, что это не тот ответ, которого вы ожидали, потому что вы, кажется, немного запутались с энергоэффективностью и характеристиками ракеты. Ракеты с большей эффективностью топлива (более высокий удельный импульс) менее энергоэффективны. При прочих равных, удвоение скорости выхлопа дает вам вдвое большую тягу и вдвое больший общий импульс от заданного количества топлива, но требует в четыре раза больше мощности.

Химические двигатели ограничены энергоемкостью самого топлива. Ионные двигатели и тому подобное используют такие высокие скорости истечения, что для работы с разумной мощностью требуется сократить массовый расход до малейшей струйки, что также снижает тягу до того, что человеку было бы трудно заметить.

Единственный способ улучшить их энергоэффективность — это уменьшить эффективность их топлива, но даже если вы уменьшите скорость истечения ионного двигателя до уровня химического двигателя, предоставление энергии для ускорения топлива извне будет намного менее эффективным, чем его использование. это путем сжигания или разложения химических ракетных топлив. Общая выходная мощность Merlin 1D составляет около 1,4 гигаватт, а благодаря рекуперативному охлаждению почти вся энергия уходит на выхлоп.

Для меня ответ на использование ядерной энергии для выхода на орбиту абсолютно требует подключения к электрической сети, а не таскания с собой двигателя.

Например, космический лифт или высокоскоростной снаряд для доставки сырья в космическом производстве.

В качестве альтернативы, если вам нужны преимущества высокоскоростного снаряда без верной смерти, которая наступает при езде на нем, вы можете использовать снаряд для передачи энергии полезной нагрузке с расширенным наведением. Я немного исследую концепцию здесь: https://medium.com/@brysgo/high-altitude-mass-volley-9ee9e94f6007

Это немного зависит от того, как вы определяете стоимость и сколько запусков вы планируете. В пределе очень больших запусков, когда капитальные затраты могут быть распределены в широких пределах, некоторые люди считают, что привязной космический лифт является правильным решением.

Более гипотетическими являются динамические лифты, такие как космический фонтан :

Цикл запуска :

Или лазерные пусковые установки :

В Википедии есть систематический каталог .