Недавняя статья на Slashdot заставила меня задуматься.
Хотя статья посвящена использованию электрических турбонасосов для перекачки топлива из баков в двигатели на этапе запуска и представляет собой небольшое постепенное усовершенствование существующей конструкции, она натолкнула меня на мысль об использовании электрических насосов на этапе космического полета в зоне, где много солнечной энергии. зоны, где мы обычно используем ионные двигатели.
Мы можем хранить дополнительную энергию в топливе, повышая его давление. Дополнительное давление преобразуется в дополнительное дельта-V. Ракеты из бутылок с водой работают тривиально; Ионный двигатель использует ксенон под высоким давлением, чтобы дать ему начальный импульс, когда он входит в ускорительную камеру. Ничего нового.
Что ограничивает доступное давление, так это долговечность -> вес контейнера. В случае некоторых видов топлива, таких как твердое топливо, компрессия не имеет смысла. В других случаях, таких как жидкий водород, давление не так уж велико, потому что объем и давление, если поддерживать высокое давление, потребовали бы чрезмерно тяжелого контейнера.
Но я могу представить крошечный насос на солнечной энергии, способный создавать очень высокое давление с мизерной пропускной способностью — возможно, многоступенчатый поршневой насос с поршнями очень малого поперечного сечения, хотя выбор точной конструкции насоса — это инженерная деталь, предмет обсуждения. и мозговой штурм позже.
Насос может создать колоссальное давление в крохотном объеме небольшого «буферного резервуара». Сохранение этих вещей небольшими означает, что они не так уж много весят, несмотря на то, что выдерживают, возможно, гигапаскаль давления. Выпуск этого сжатого топлива через сопло дал бы ему очень высокую начальную скорость. Затем он может быть дополнительно ускорен ионным двигателем или реагировать с окислителем под таким же давлением, создавая дополнительную тягу.
Тем не менее, мы значительно увеличиваем начальную скорость пороха, не меняя количество используемого пороха. В отличие от ионных двигателей, мы не ограничены доступными напряжениями и длиной ускорительной камеры - уменьшая масштаб устройства, мы можем достичь ошеломляющих давлений в небольшом и легком корпусе и, как результат, - энергии на выходе без увеличения расхода топлива. И все же мы можем использовать «ускорение второй ступени», будь то химическое, ионное или что-то еще, что мы можем придумать, на ракетном топливе, ускоренном давлением.
Будет ли это жизнеспособным направлением исследований, или я здесь на грани?
Редактировать: вторая попытка, мой первоначальный пост был совершенно неверным.
Моя интуиция подсказывает мне, что вы столкнетесь с ограничением скорости выхлопа с такой системой. Моя первоначальная мысль: «Скорость выхлопа ракеты ограничена скоростью звука» неверна, так где же может быть предел? Итак, давайте посмотрим, к чему мы придем, если будем использовать максимально возможное давление и жидкое топливо.
Этот список типичных давлений жидкости или газа , встречающихся в различных системах, показывает, что водоструйные резаки используют одни из самых высоких давлений, доступных за пределами лабораторной среды. В этом примере используется давление 648 МПа (6480 бар), а скорость истечения равна 4 Маха (или 1,3 км / с).
Для сравнения, SSME имеет скорость истечения 4,43 км/с, а ионные двигатели имеют скорость истечения 20-50 км/с .
Теперь эффективность ракеты напрямую зависит от скорости ее истечения. Тяга ракеты равна Isp * M (т.е. удельный импульс, напрямую связанный со скоростью истечения, умноженной на массовый расход). Таким образом, вы можете поменять скорость выхлопа на массу: половина скорости означает двойную массу.
При текущих стартовых ценах это не тот компромисс, на который люди готовы идти. Таким образом, насос для жидкости не кажется многообещающим подходом.
Есть и другие способы использования электроэнергии для приведения в движение: массовый привод использует электромагнитную рельсовую систему для выброса инертной массы на высокой скорости. Единственными существующими сегодня массовыми двигателями являются прототипы рельсовых пушек со скоростью выхлопа 2,4 км / с (по состоянию на апрель 2015 г.). Лучше, чем водомет, но все же не так хорошо, как ракетный двигатель.
Что касается предложения С.Ф. по воспламенению струи высокого давления: если вы это сделаете, вы захотите максимально использовать расширение продуктов сгорания, так как это дает большую часть тяги. Когда вы заключаете струю в трубку, вы можете заставить все газы расширяться в одном направлении. Но теперь вы вернулись к созданию ракетного двигателя, где полезное давление ограничено температурой в камере сгорания.
Редактировать: отвечая на предложение SF добавить ионный двигатель к струе высокого давления: в этом мало смысла. Если ионный привод применяет дельта-V со скоростью 20 км/с к выхлопному потоку, насос обеспечивает только 5% от этого значения. И насос должен быть очень тяжелым, чтобы выдерживать давление 650 МПа. Вы можете лучше использовать этот вес, улучшая ионный двигатель.
Проблема в том, что «точная конструкция насоса — это инженерная деталь» — это действительно большая деталь. Материаловедение для ускорения материала до высоких чисел Маха сложно. Да, система типа «насос» хорошо работает с «низкой скоростью», но если ее немного увеличить, то это действительно далеко не все. Увеличение скорости на порядок (на 2 порядка выше энергия и давление), необходимое для того, чтобы приблизиться к химическим ракетам, вызывает недоверие в краткосрочной перспективе. Чтобы подняться еще выше и оправдать крошечный TWR, потребуется, по крайней мере, скачок скорости еще на один порядок. Это в 10 000 раз превышает текущий предел необходимого давления. Трудно представить, что это произойдет в ближайшее время.
Обратите внимание, что хотя трудно дать интуитивное «почему бы и нет», может быть полезно подумать, что для достижения давления, необходимого для того, чтобы водяная струя могла конкурировать с химическими ракетами, потребуется давление, близкое к алмазной наковальне, даже если энергия не будет потеряна.
Цель состоит в том, чтобы выбросить массу топлива на высокой скорости; чем выше скорость пороха, тем меньше масса на единицу импульса. Но чем выше скорость, тем больше энергии требуется на единицу импульса (энергия на единицу массы увеличивается пропорционально квадрату скорости).
Ионные двигатели стремятся максимизировать скорость топлива, и точка. Цель состоит в том, чтобы максимизировать удельный импульс - максимально использовать массу топлива, которую они несут. Для тех скоростей выхлопа, которые они достигают, количество энергии на единицу массы топлива намного превышает то, что могло бы храниться в виде химической энергии в самом топливе. Итак, эти системы ориентированы на солнечную или ядерную энергию. Такие системы имеют ограничения на мощность, которую они могут обеспечить, что ограничивает величину тяги, несмотря на высокий удельный импульс. Эти системы предназначены для ускорения ионов до экстремальных скоростей, намного превышающих то, что может быть достигнуто с помощью любого механического насоса, и задача заключается в максимально достижимых скоростях. Предоставление такой системе начального «толчка» от механического насоса добавляет сложности без каких-либо преимуществ.
Химические ракеты стремятся максимально использовать химическую энергию, хранящуюся в их топливе. Они, как правило, идут в любом из двух направлений. Один из них — максимальная тяга — получить максимально возможный толчок. Широко известные примеры этого включают керосиновую / жидкий кислород первой ступени Saturn V и Falcon 9 или твердотопливные страпоны космического корабля "Шаттл". Другое направление — максимальный импульс — получите максимальную дельта-V. Широко известные примеры включают жидкий водород/жидкий кислород второй/третьей ступеней Saturn V и Falcon 9 или главные двигатели космического корабля "Шаттл". Эффективность таких систем достигается за счет минимизации преобразования между различными формами энергии. Он начинается как химический и становится термическим в камере сгорания. Оттуда сопло выравнивает случайную кинетическую энергию молекул газа так, что она становится в основном линейной вдоль оси двигателя. Это очень эффективное преобразование химической энергии топлива в кинетическую энергию потока выхлопных газов. Использование насоса для приведения в движение массы для создания тяги добавляет сложности и дополнительных шагов для преобразования энергии из одной формы в другую, что приводит к потерям на каждом этапе.
тл8
Гоббс
Балдрикк
Муза
Муза