"Гибридный" ТфЯРД с турбиной

[Андрей Курилов]

В статье про ТфЯРД можно найти следующий любопытный пассаж:

Как и у всякого ракетного или вообще любого двигателя, у твёрдофазного ядерного реактивного двигателя имеются существенные ограничения достижимых важнейших характеристик. Эти ограничения представляют собой невозможность устройству (ТфЯРД) работать в области температур превышающих диапазон предельных рабочих температур конструкционных материалов двигателя. Для расширения возможностей и значительного увеличения главных рабочих параметров ТфЯРД могут быть применены различные гибридные схемы в которых ТфЯРД играет роль источника тепла и энергии и используются дополнительные физические способы ускорения рабочих тел. Наиболее надёжной, практически осуществимой, и имеющей высокие характеристики по удельному импульсу и тяге является гибридная схема с дополнительным МГД-контуром (магнитогидродинамическим контуром) разгона ионизированного рабочего тела (водород и специальные присадки).

Замечательно. Даже слишком. Холодильник/радиаторы громоздить не требуется, а электричество - есть. Возникает вопрос, до каких скоростей можно разгонять поток рабочего тела (частично ионизированного присадками водорода) с помощью МГД-ускорителя?
Есть ещё одно смутное упоминание подобного рода двигателя:

The use of individual pressure tubes in the reactor allows some fuel channels to be run at high pressure while others are run at a lower pressure, facilitating a hybrid electro-thermal design. In this design cold H2 is heated in the high pressure section of the reactor, is expanded through a turbine connected to a generator, then reheated in the low pressure section of the reactor before flowing to the nozzle. The electricity generated by the turbine is used to break down more H2 into monatomic hydrogen, increasing the exhaust velocity. Since this is a once through system there is no need for radiators so the weight penalty would not be excessive.

Здесь даже указана скорость истечения - 17,66 км/с. Но проблема в том, что электричество не используется для ионизации и доразгона рабочего тела, а только для диссоциации его молекул.

[Андрей Курилов]

Собственно в чём вопрос. Почему бы отработавший после турбины водород не отправить прямо на вход достаточно мощного электроплазменного двигателя вроде VASIMR, чтобы разогнать его, скажем, до 100 км/с или даже до 1000 км/с? Какие могут возникнуть технические трудности?

[Случайный гость]

Какие могут возникнуть технические трудности?

Источник энергии для VASIMR.

[Андрей Курилов]

Какие могут возникнуть технические трудности?

Источник энергии для VASIMR.

Турбина с генератором же

[Змей Петров]

Турбина с генератором же

Неоткуда взять столько энергии, что бы разогнать весь истекающий водород до 100км/c.
Предположим нам удалось достичь скорости истечения водорода из реактора 10км/c . Это умноженное на кпд турбины-генератора всё, чем мы располагаем. Откуда взять энергию для дополнительных 90км/с ?

Можно наверное представить теоретически многоступенчатую тандемную схему. После прохождения водородом достаточного количества ступеней мы можем получить достаточно энергии. Но сдается мне, что такая конструкция(если она вообще как-то технически реализуема) будет гораздо более громоздкой, чем с радиатором.

[Андрей Курилов]

Можно наверное представить теоретически многоступенчатую тандемную схему. После прохождения водородом достаточного количества ступеней мы можем получить достаточно энергии. Но сдается мне, что такая конструкция(если она вообще как-то технически реализуема) будет гораздо более громоздкой, чем с радиатором.

Да, вы правы. Я тоже об этом потом подумал. Ведь если реактор нагревает с 20К до 3500К, то это будет столько то джоулей тепловой энергии на кг водорода. С помощью турбины и генератора с того же килограмма водорода будет получено уже меньше электрической энергии. И чтобы доразогнать полученный килограмм отработавшего водорода до 100 км/с потребуется явно куда больше энергии.

С многоступенчатым циклом всё плохо. Между ступенями нужно отводить энтропию, т.е. сжимать и охлаждать отработавший водород, а это холодильники(радиаторы), что сводит всю красоту идеи на нет. Это следует из диаграммы T-S для цикла Брайтона.

[ВадимZero]

Холодильник/радиаторы громоздить не требуется, а электричество - есть.

а вот отсюда подробней....что это за волшебство?

[Змей Петров]

ВадимZero, идея вообще красивая, если использовать тандемную многоступенчатую схему. Суть в том, что нет замкнутого цикла.
Но к сожалению практически не реализуема. Т.е. проще, легче, эффективнее схема просто с радиатором.

[Змей Петров]

С многоступенчатым циклом всё плохо. Между ступенями нужно отводить энтропию, т.е. сжимать и охлаждать отработавший водород, а это холодильники(радиаторы)

Можно не отводить. Газ-то на выходе турбины уже охлажден. Но и расширен, вот в чем беда(а сжать как вы и сказали мы его не можем без радиатора), т.е. каждый последующий теплообменник/турбина д.б. больше предыдущих, причем намного.
А так, теоретически вроде работает.

[Андрей Курилов]

Можно не отводить. Газ-то на выходе турбины уже охлажден.

Охлаждён лишь немного, судя по диаграмме T-S (см моё предыдущее сообщение).

Во втором варианте (что на английском) во 2-й ступени есть реактор, охлаждаемый водородом высокой температуры и низкого давления, но турбины уже нет. Т.е. водород догревается, а потом уже с помощью электроэнергии диссоциируется в атомарный. Но таким способом сильного увеличения УИ не добиться - указано число 17,66 км/с.

[Змей Петров]

Можно не отводить. Газ-то на выходе турбины уже охлажден.

Охлаждён лишь немного, судя по диаграмме T-S

Это обычная тепловая машина.
Чем меньше разница температур в камере сгорания(теплообменнике)/за турбиной - тем меньше кпд.

[Streamflow]

Заглянул в эту тему и усмехнулся.

Мною более 20 лет назад было получено ещё авторское свидетельство на твёрдофазный ЯРД с электрическим форсированием рабочего тела. Электричество должно было вырабатываться на турбогенераторной установке, действующей на рабочем теле (водороде) ЯРДа. Но суть не в этом - всё это достаточно тривиально. Главное было в том, что в замкнутом сегменте этого полузамкнутого цикла некое устройство под названием сайнерджайзер увеличивало поток водорода примерно в 1.6 раза по сравнению с его потоком, выходящим из сопла. Это, естественно, увеличивало во столько же раз электрическую мощность форсирования реактивной струи и, соответственно, повышало удельный импульс ракетного двигателя.

[M.Reynolds]

Мною более 20 лет назад было получено ещё авторское свидетельство (секретное)

Ага.
Сделаю предположение, что вы говорите правду. Ждите, к вам заедут))
9 лет сейчас физик получил просто за упоминание сферы деятельности. А вы прямо описываете устройство, ай молодец))

[Андрей Курилов]

сайнерджайзер

Как-то созвучно с тем сайтом synergetics, который вы постоянно пиарите на форуме, и, автором контента которого, по моим догадкам, являетесь.
Признайтесь, ваше изобретение?

[Streamflow]

Ага.

Да никого это не интересует. И давным давно было получено вполне официальное разрешение на патентование сайнерджайзера в США. И за несколько месяцев было получено положительное решение USPTO. Так что этих проблем быть не должно.

Ну, ладно, сотрите, так и быть, одно слово в цитате.

И я не говорю правды, потому что речь изречённая есть ложь

[Streamflow]

Как-то созвучно...

Какие тут догадки? Разве что для субъекта с IQ порядка 70 - 80

И, кстати, я ничего не пиарю.

[M.Reynolds]

Ну, ладно, сотрите, так и быть, одно слово в цитате.

Да мне-то это зачем?
Вы же говорите, что был гриф "секретно".
"Поводом для обвинения в госизмене стало резюме, которое радиоинженер отправил по электронной почте в шведскую организацию. Следователи полагают, что в своем резюме Кравцов указал свою должность во время работы в ГРУ и сообщил секретные сведения о космическом аппарате."
http://www.novayagazeta.ru/news/1698051.html?p=2
Т.е. он просто указал в какой сфере работал и над чем.

[Streamflow]

Был да сплыл. Когда давали разрешение на патентование. Так что уймитесь.

[Андрей Курилов]

Если верить числам здесь
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,100868.msg2196575.html#msg2196575
то для нагрева 1 кг LH₂ до 3000К потребуется 60 МДж.

Теперь идём сюда
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#vasimr
и смотрим расход рабочего тела двигателем VASIMR (low gear, u = 29 км/с) вместе с расходом электроэнергии, получается 580 МДж/кг.
Т.е., чтобы получить u = 29 км/с нужно на каждый килограмм рабочего тела потратить на порядок больше энергии, чем удастся получить, пропустив его через турбину после реактора. Что и требовалось показать.

Если вместо VASIMR использовать холловский плазмодвигатель:
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#id--Electrostatic--Hall_Effect_%28HET%29
Получается уже 190 МДж/кг при u = 19,62 км/с.

В общем, довольно очевидно, что энергии, снятой с турбины, не хватит чтобы хоть сколько нибудь существенно увеличить скорость истечения. Предел УИ для электрического гибридного ТфЯРД и атомарно-водородного MITEE будет в районе 15-17 км/с.

Нужно копать в сторону многоступенчатой схемы...

[Streamflow]

...чтобы получить u = 29 км/с нужно на каждый килограмм рабочего тела потратить на порядок больше энергии, чем удастся получить, пропустив его через турбину после реактора. Что и требовалось показать.

Естественно. Даже больше, так как турбина 3000 К не держит.