Ракетное уравнение Циолковского говорит, что изменение скорости пропорционально скорости истечения. Химическая двигательная установка, по-видимому, имеет строго ограниченную и давно достигнутую максимальную скорость истечения продуктов ее сгорания. Но применяемый сегодня ионный двигатель уже имеет в десятки раз большую скорость истечения и, думаю, теоретически не имеет внятного верхнего предела. Проблема с ионным двигателем заключается в том, что он электрический, а солнечные и атомные электростанции вообще не производят энергию с таким высоким эффектом, как химическое сгорание/взрыв. (Таково мое необразованное понимание.)
Можно ли использовать химическое сжигание для питания ионного двигателя, чтобы сократить время в пути? Что вместо постепенного захвата лучей Солнца или распада плутония межпланетный космический корабль мог бы разогнаться до высокой скорости за минуты, а не за месяцы, путем внезапного сжигания водорода и кислорода в какой-то теплохимической силовой установке на космическом корабле, в электроэнергию для ускорения ионов? Соединение внезапности химических веществ с эффективностью ионов.
Водородно-кислородные топливные элементы , такие как ТОТЭ , имеют максимальную удельную плотность энергии ~ 17,9 МДж/кг (используя 142 МДж/кг для сжатого водорода и включая кислород с массовой долей 2H-O 1:7,93, дающий воду при стехиометрически идеальном воздухе до отношение топлива ). Другие химические компоненты дают более низкую удельную плотность энергии, поскольку они используют топливо с более высокой молекулярной массой . Кстати, по этой же причине LOX/LH2 достигают самого высокого удельного импульса среди химических ракет. Теперь теоретически наивысшая эффективность топливных элементов с учетом рекуперации тепла составляет 85–90%. Таким образом, мы приближаемся к максимальной теоретической удельной плотности энергии ~ 16 МДж/кг.
И наоборот, РИТЭГи с питанием от плутония ( Pu-238 ) имеют удельную плотность энергии 2 239 000 МДж/кг. Если мы предположим, что они производят достаточно энергии для одной четверти своего периода полураспада в 87,7 лет, давайте округлим его до 20 лет, мы использовали 14,6% его общей удельной мощности и КПД 7% (довольно хорошо для РИТЭГ, большая часть его энергии уходит в отработанное тепло), мы получаем удельную мощность нашей системы 22 916 МДж/кг. Это более чем в 1400 раз больше, чем у нашего лучшего химического топлива, когда речь идет об удельной мощности (что имеет значение, когда речь идет о движущейся массе).
И дело не в том, что РИТЭГи намного эффективнее, это не так, просто химическая энергия не приходит в очень эффективной по массе форме. Топливные элементы будут иметь некоторые преимущества перед РИТЭГами, такие как возможность сбрасывать ненужные продукты реакции за борт или даже найти их применение в другом месте (теплоноситель, питьевая вода, биологическая защита, ...), отсутствие необходимости защищать от радиоактивного распада собственного топлива. , и так далее, но это также будет иметь недостатки, такие как толстостенные или хорошо защищенные от тепла сосуды под давлением, чтобы не терять слишком много его в космос из-за выкипания топлива, энергоэффективные топливные элементы по-прежнему будут генерировать много избыточного тепла, которое необходимо эффективно излучать, и т. д. Не то чтобы РИТЭГам это не нужно, но топливные элементы не будут иметь столько преимуществ перед ними, чтобы компенсировать эти 1,
А так как мы уже говорим об атомной, то РИТЭГи полностью затмеваются ядерными реакторами деления с удельной энергоемкостью от 79 420 000 (торий) до 80 620 000 (уран). И есть компактные конструкции ядерных реакторов деления, готовые к применению в космосе , такие как SAFE , SP-100 , SNAP-10A , HOMER-15 и многие другие, в основном использующие конструкцию тепловых трубок (HPS). Нам просто нужно преодолеть наше отвращение ко всему ядерному и начать регулировать их разработку, тестирование и использование, чтобы они были как альтернативой, так и безопасными в использовании.
Идея использования мощного источника электричества для увеличения тяги ионного двигателя определенно верна, но неэффективность преобразования химической энергии в электрическую на самом деле является ограничивающим фактором. Добавьте к этому сложность двигательной установки, которая приводит к увеличению массы и, следовательно, снижению общего Delta-V при том же количестве топлива, и вы, в первую очередь, уменьшите преимущества использования ионного двигателя.
В настоящее время ионные двигатели зависят от солнечных или ядерных источников электроэнергии, и эти источники имеют ограничения на количество доступной энергии, что ограничивает вашу тягу. Для обеспечения более высокой тяги можно использовать более мощные источники питания, поэтому, если ваш водородный топливный элемент (или другой химический преобразователь энергии) может обеспечить более высокую мощность при управляемой массе, тогда это было бы осуществимо. Однако перевозка химического топлива для выработки этого электричества представляет собой серьезную проблему, поэтому, возможно, ваша идея больше подойдет для футуристических межзвездных космических кораблей, которые могли бы собирать водород и кислород по пути.
Брайан Линч
ТильдалВолна
ТильдалВолна
Брайан Линч