Система запуска с Земли с водяным топливом

Двигатели на водной основе были предложены (и, возможно, уже испытаны) для использования в спутниках и других космических аппаратах — см. эту статью НАСА . Идея состоит в том, чтобы провести электролиз воды, чтобы разделить кислород и водород на две камеры, а затем перекачать их в камеру сгорания.

Для некоторых быстрых математических предположений плотность ЧАС 2 О "=" 1 г / с м 3 ; плотность ЧАС 2 "=" 0,07 г / с м 3 ; плотность О 2 "=" 1,14 г / с м 3 . Объем, необходимый для 1 г всего топлива, составляет 29.45 с м 3 для 2 ЧАС 2 + О 2 и 2 с м 3 для 2 ЧАС 2 О (возьмите обратное значение каждой плотности, чтобы получить объем на грамм, умножьте на 1 грамм). Таким образом, для хранения воды в качестве пропеллента требуется примерно в 15 раз меньше объема, чем эквивалентная масса разделенных водорода и кислорода (не считая различий в необходимом оборудовании, только пропелленты).

Мой вопрос таков: можно ли использовать воду в качестве топлива с электролизным двигателем в ракетном двигателе 1-й или 2-й ступени для запуска с Земли?

Плотность воды 1 г/см^3, а не 2.
Круто, я не знал об этом! Я поделился вашей связанной статьей со своими социальными сетями. Спасибо.
@RussellBorogove, вы, конечно, правы, и плотность не меняется с увеличением порций ... Я должен был говорить об объеме, а не о плотности.
@RussellBorogove Только что обновил свои расчеты, чтобы они соответствовали исправлению, спасибо. Дайте мне знать, если это неправильно.
Откуда берется энергия (или мощность) для электролиза?
@Jens, это должно было бы исходить от накопленной энергии на транспортном средстве или от очень мощного (и, вероятно, большого) источника энергии. См. ответы ниже.

Ответы (5)

Приведем некоторые цифры: один двигатель Raptor потребляет около 140 к г с метана, который сгорает в богатой окислителем среде, т.е. метан сгорает полностью. При сгорании килограмма метана выделяется энергия 55,5 М Дж . Таким образом, двигатель Raptor потребляет химическую мощность 7,77 г Вт . Это пара электростанций стоит мощность .

Теперь, когда вы проводите электролиз для получения кислорода и водорода из воды, вы тратите такое же количество энергии в виде электроэнергии, сколько вы получаете в виде тепла, когда сжигаете два газа в ракетном двигателе. И, чтобы избежать необходимости в больших водородно-кислородных баллонах при подъеме, вам нужно производить топливо так же быстро, как вы его сжигаете. То есть вам понадобится источник электроэнергии такой же мощности, как дюжина электростанций, собранных прямо внутри вашей ракеты .

Думаю, должно быть очевидно, почему это совершенно невозможно.

Отличный развал. Скорость, с которой должен происходить электролиз, — это то, чего мне не хватало. Спасибо!
Это в 6,4 раза больше энергии, чем нужно для запуска машины времени.

Движение на основе электролиза становится практичным только после того, как вы достигли орбиты, где вы можете питать электролиз с помощью солнечных батарей и где вам не нужна огромная тяга. Что бы вы ни использовали для питания электролиза на первом этапе, оно будет намного тяжелее обычного химического двигателя.

Не говоря уже о массе самих электролизеров. И все, что вы используете для питания электролиза, также будет иметь более высокую выходную мощность, чем ракетный двигатель, который вы заправляете в результате. Лучше сразу кипятить воду.
Будут ли нежизнеспособными варианты удаленного питания, такие как микроволновая или лазерная передача энергии? Это избавило бы от необходимости хранить большую часть энергии на борту (возможно, какая-то небольшая часть все еще хранится на случай чрезвычайных ситуаций и для пополнения электролиза в случае неблагоприятных погодных условий).
@Engineer_Chris Ракетный двигатель Merlin 1D имеет эффективную выходную мощность около 3 ГВт, а на первой ступени их 9, а общая выходная мощность выхлопа превосходит плотину «Три ущелья». Так что нет, дистанционное питание нецелесообразно.
Мы построили достаточно мощные лазеры, но они могут работать только доли секунды, lasers.llnl.gov/about/faqs#192_beams_produce . И уж точно у нас нет целей, способных поглотить столько радиации и преобразовать ее в полезную энергию.
Если бы у вас был такой лазер, вы бы лучше использовали его для кипячения водорода.
@ikrase при условии, что вы можете решить проблему кипячения полного потока топлива ускорителя ракеты-носителя с помощью лазерного луча извне, без кипячения транспортного средства или его полезной нагрузки / пассажиров. На самом деле, даже просто плавить их обычно считается плохим.
В ракетных двигателях вся энергия высвобождается в крошечной камере сгорания, окруженной охлаждающими каналами, которые отбрасывают поглощенное тепло обратно в камеру сгорания, где оно немедленно выбрасывается через сопло. Только крошечная часть системы подвергается воздействию выходной мощности, и любое недостаточное охлаждение приводит к насыщению двигателя выхлопными газами. В чем-то, что использует внешние источники питания, вам, как правило, нужно каким-то образом нести оборудование, способное манипулировать таким количеством энергии напрямую, не испаряясь. Это очень, очень сложно сделать при доступном обычном массовом бюджете.
@ikrase трудно нагреть чистый водород, освещая его, так как он довольно прозрачен. Воду намного легче нагревать и хранить. Получение самого высокого Isp - это не совсем все в ракетостроении ;-)
@ChristopherJamesHuff Я видел одну идею источника питания для высокоэнергетической лазерной системы запуска ... она включает в себя МГД-генератор, приводимый в движение ракетным двигателем Saturn :-D projectrho.com/public_html/rocket/surfaceorbit.php# лазерные детали
Вдобавок к тому, что дистанционное питание невыгодно простому использованию системы удаленного питания для непосредственного нагрева воды, существует также возможность просто оставить электролизную установку на земле и использовать ее выходы в обычной ракете. Вам нужна электролизная установка с чрезвычайно высокой массоэффективностью, чтобы она не была предпочтительной, когда возможно криогенное хранение.
@StarfishPrime, вы можете обогатить водород парами натрия или чем-то еще, или сжечь его с достаточным количеством кислорода, чтобы испарить его, запустить топливные насосы и обеспечить некоторое содержание воды для поглощения энергетического луча. Улучшение характеристик этой конкретной системы может создать разницу между системой, которая просто безбожно дорогая, и системой, которая даже не может оторваться от земли... или вы могли бы просто построить обычную двухтопливную химическую ракету.
@ user1937198, у которого также есть то преимущество, что вы можете использовать более оптимальное соотношение O / F ... ракеты редко сжигают стехиометрические смеси, они обычно используют больше топлива для уменьшения средней молекулярной массы в выхлопе и более высоких скоростей выхлопа, а также для контроля коррозия двигателя.
@ChristopherJamesHuff Это и снижение риска соотношения смеси в двигателе.
@ikrase, если бы у вас был такой лазер, не было бы просто его отскок назад лучшим источником топлива, чем перевозка дополнительного топлива?
@John Dvorak для фотонного давления? Нет, для этого нужен гораздо более мощный лазер.

Я почти уверен, что это не сработает, поскольку у этих типов двигателей недостаточно тяги, чтобы взлететь против земного притяжения. Двигатель HYDROS-C (в центре внимания статьи, на которую вы ссылаетесь) имеет тягу > 1,2 Н , в то время как (для примера) твердотопливные ускорители космического корабля "Шаттл" имели тягу 12-15 МН каждый (в зависимости от ступени двигателя). запуск). Это разница в семь порядков.

Размер двигателей HYDROS также значительно меньше, чем у космического корабля "Шаттл". В обоих двигателях используется один и тот же процесс сгорания, поэтому тягу можно было бы сделать сравнимой (если бы удалось преодолеть проблемы с мощностью и массой).

Вода является низкоэнтропийным продуктом горения . (Вот почему он капает из выхлопной трубы вашего автомобиля и представляет собой реакционную массу, которая выбрасывается из главных двигателей космического корабля.) Таким образом, чтобы использовать его в качестве ракетного топлива, вы должны сначала «разжечь» его, а это занимает много внешней энергии.

Это отличается от обычных старых химических двигателей, которые «просто» напрямую сжигают свое топливо.

Смысл электролизных двигателей состоит в том, чтобы получить производительность гидролокса с топливом, хранящимся в космосе. Вам не нужны хранящиеся в пространстве пропелленты на площадке, даже если бы вы могли как-то это сделать, зачем?

Одна из главных причин — безопасность. Вода негорючая, что делает ее более безопасной для космонавтов.
@Engineer_Chris: С другой стороны, запуск ядерного реактора мощностью несколько ГВт сделает его значительно менее безопасным для астронавтов и всех, кто находится в довольно большом радиусе. Фундаментальная проблема заключается в том, что для запуска требуется огромное количество энергии, и это количество энергии будет опасным, какую бы форму оно ни приняло.
Система запуска с Земли с водяным топливом
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v