Можно ли использовать лунный лед для заправки реактивного ранца с паровым двигателем для выхода в открытый космос или для исследования больших высот на Луне?

Для запуска нет. Для ММУ на орбите точно.

Были проекты лунных транспортных средств, использующих пар, но им требуется атомная электростанция, чтобы получить приличное TWR (отношение тяги к массе). У рюкзака просто не было бы энергии, чтобы нагреть воду достаточно горячей с любой известной нам технологией.

Но на орбите все иначе. Я могу представить рюкзак, полный воды, которая используется для питья, охлаждения и толчков. Я также могу представить себе систему, которая направляет охлаждающую воду в сопло, которое мгновенно нагревает ее до высокотемпературного пара внутри, возможно, с помощью лазеров или какой-либо другой действительно быстрой передачи энергии. Затем пар выбрасывается из сопла для создания тяги. Это конкурирует не с химическими ракетами, а с двигателями на холодном газе, используемыми для маневрирования космонавтов.

Система может быть не очень эффективной, но это компенсируется использованием дешевых лунных водных ресурсов и наличием одной жидкости, которая обеспечивает потребности в питье, охлаждении и топливе.

Преимущество этого по сравнению с другими двигателями на холодном газе будет чисто экономическим, поскольку в традиционных двигателях используются такие химические вещества, как ксенон и азот, запасы которых на Луне сильно истощены, и их придется доставлять с Земли по гораздо более высокой цене. Это тривиальная сумма для текущих миссий НАСА, которые редко выходят в открытый космос и которые уже стоят огромных денег, но в будущем, когда астронавты будут постоянно работать в открытом космосе на лунной орбите, лунная вода может быть именно тем, что они хотели бы использовать, даже если это куда менее эффективно.

Вот интересная статья, показывающая результаты ускорения водяного пара для использования в двигателе:

Характеристики импульсных плазменных двигателей с газовым питанием, работающих на водяном паре

Обработка лунного льда для этого использования не должна быть сложной. Вам просто нужно перегнать его, чтобы удалить примеси.

К сожалению, паровые ракеты не были бы практичными, потому что они не очень эффективны.

Я не знаю, как много вы знаете о ракетном движении, поэтому я начну с обсуждения одного из самых важных показателей: скорости истечения , скорости газа, выходящего из сопла двигателя. Чем выше эта скорость, тем эффективнее двигатель. Конечно, есть и другие соображения. Например, если двигатель, который производит 500 ньютонов (~ 110 фунтов) тяги, имеет массу 100 кг, это не очень эффективно!

Тяга, создаваемая двигателем, прямо пропорциональна скорости выхлопа.$V_e$и массовый расход ($\dot{m}$), что представляет собой массу топлива, подаваемого в двигатель (и выходящего из него) в секунду:

Вы можете видеть это как$V_e$увеличивается, тем больше тяги вы получаете от данного расхода топлива. Или, для заданной тяги, которая вам нужна, например тяги, необходимой, чтобы поднять вас с поверхности, чем выше$V_e$тем меньше требуемая норма расхода топлива. И это важно.

(Кроме того: вместо скорости истечения ракетостроители обычно ссылаются на удельный импульс , который представляет собой скорость истечения, деленную на ускорение свободного падения на поверхности Земли)

Под термином «паровые» ракетные двигатели я подразумеваю ракеты, выбрасывающие пар из своих сопел после нагревания его с помощью таких средств, как солнечное нагревание, электрический нагрев или что-то подобное, а не путем прямого химического сжигания. Я делаю это различие, потому что из главных двигателей космического шаттла выходил пар, но он создавался путем прямого химического сгорания в камерах сгорания двигателей. Эти двигатели были очень эффективными, с очень высокой скоростью выхлопа. Скорость выхлопа паровых ракетных двигателей намного ниже.

Почему двигатели космических шаттлов были такими эффективными, а паровые ракетные двигатели — нет? Это скорость выхлопа ! А скорость выхлопа является прямым следствием высоких температур в камере: для данного газа, выходящего из сопла (в данном случае пара), чем выше температура в камере, тем быстрее вы можете заставить выхлоп идти. На Луне с солнечными концентраторами или электрическими обогревателями можно получить пар до нескольких сотен градусов по Цельсию. Главные двигатели космического шаттла работали при температуре в камере ~3300 °C! Вот почему они были такими эффективными.

Почему эффективность должна быть проблемой?

Чем эффективнее, тем меньше топлива вы израсходуете. Это имеет несколько преимуществ, таких как: ваша личная ракетная установка сможет работать с меньшими баками, что сделает ее менее громоздкой; а ваши предприятия по добыче и производству воды могут быть меньше.

Есть несколько технических проблем с паровыми двигателями. Во-первых, когда вы нагреваете пар до нескольких сотен ° C, если вы не носите с собой источник тепла, этот пар охлаждается за счет тепла, теряемого через стенки резервуара, и становится менее эффективным. Если у вас хорошая изоляция, то охлаждение идет медленно; с не очень хорошей шумоизоляцией может пройти быстро. Источники тепла могут быть тяжелыми и громоздкими. Если вы собираетесь иметь некую стационарную инфраструктуру для нагрева пара (назовем ее зарядной станцией?), то после того, как вы взлетите и отделитесь от этой инфраструктуры, у вас будет конечное количество времени, чтобы закончить свою задачу и вернуться к это. Если вы останетесь слишком долго, даже сидя где-нибудь на поверхности, пар может стать слишком холодным, чтобы создать необходимую тягу, и тогда вы застрянете! Другое дело, что паровая машина является примером того, что называется «двигатель с холодным газом : они не должны быть очень горячими, потому что их температуры сжижения очень низкие, и конденсация в сопле не будет серьезной проблемой, они не такие реактивные, как вода, и так далее. (Но на Луне их не так много. Может быть, лучше использовать O$_2$добывается из лунных пород, несмотря на его реакционную способность.)

Эффективность желательна еще и потому, что на Луне ограниченное количество воды . Оценки варьируются от полумиллиарда до пары миллиардов метрических тонн, что звучит как много. Но если вы используете его таким образом, что он рассеивается, ваша инфраструктура производства воды должна быть рассчитана на его замену, и в конечном итоге этот ресурс исчезнет . Ракетные двигатели, выхлоп которых представляет собой пар, рассеивают воду, большая часть которой теряется в космосе. Если вы собираетесь использовать воду таким образом, чтобы она рассеивалась, лучше использовать ее наиболее эффективным способом. По крайней мере, до тех пор, пока вы не сможете добыть в поясе астероидов источник воды более эффективный, чем подъем ее из гравитационного колодца Земли.

В то время как сбор льда и помещение его в систему поддержки скафандра может пригодиться как способ сохранить скафандр прохладным ( будут ли скафандры, носимые на Марсе, терять килограммы «расходуемой воды» каждый раз, когда они используются? ), его использование в качестве пропеллент довольно ограничен.

Чтобы зависнуть над поверхностью, необходимо усилие, скажем, 120 кг x 9,8 м/с ² x 1/6 или около 400 ньютонов. Вы получаете это от$v_{ex} \dot{m}$и тратить, скажем, 0,1 кг в секунду, вам потребуется скорость выхлопа 4000 м / с, что довольно сложно получить от парового двигателя. Это потребует огромного количества энергии; вы, вероятно, не могли бы хранить его, вам пришлось бы летать с гигантским солнечным отражателем.

А при скорости 0,1 кг/с вы сможете делать это всего несколько минут.

Так что нет, я не думаю, что здесь есть практическое решение, использующее лед в качестве источника топлива для парового реактивного ранца, работающего на солнечной энергии, хотя думать об этом здорово!

• Можно ли использовать пар в качестве эффективного источника энергии для космического корабля?
• Можно ли наполнить паровую ракету энергией, достаточной для полета в космос?
• Почему Deep Space Industries Prospector 1 использует водяное топливо вместо гидразина?

На более позитивной ноте, чем другие ответы, вы могли бы использовать относительно обильную солнечную энергию для плавления, а затем использовать электролиз, чтобы получить водород и кислород, которые хорошо известны и хорошо известны как ракетное топливо.

Самый большой недостаток этой идеи заключается в том, что большая часть вашей солнечной энергии будет израсходована не на электролиз, а на сжижение продуктов для хранения — хранение газообразного водорода на данный момент нецелесообразно.

Для высокой тяги приходится делать много пара на скорую руку. Электрический обогрев нецелесообразен. Химический нагрев работает: вы сжигаете водород, чтобы получить пар, как это делали основные двигатели космического корабля "Шаттл". Мог бы сработать действительно горячий, мощный ядерный реактор.

Группа людей работает над паром для небольших систем с малой тягой. Для малой тяги хорошим источником энергии является электричество. Можно даже электрически нагревать пар до температуры плазмы, чтобы получить более высокий удельный импульс. Хорошо подходит для корректировки орбит, но не для противодействия гравитации.

https://spacenews.com/water-propulsion-technologies-picking-up-steam/

Это очень непрактично. Скафандры и космические корабли нуждаются в охлаждении, чтобы избежать перегрева их пассажиров. Хранение или выработка тепла контрпродуктивны.