Вопрос про самый лучший двигатель

[Грехов Михаил]

Из закона о кинетической энергии тела  Е-m*(V^2)/2 

[vsevolodson]

при реактивном движении выполняется закон сохранения импульса (а не кинетической энергии)

[MARS9]

Höðr
Грехов Михаил
Кажется ваши ответы противоречат друг-другу и кому мне верить? 

[vsevolodson]

Циолковскому

[Грехов Михаил]

Если верить Циолковскому, то

V=I*ln(M1/M2)

Где

    V — конечная (после выработки всего топлива) скорость летательного аппарата;
    I — удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);
    M1 — начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо).
    M2 — конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция);

При том же удельном импульсе для увеличения скорости ракеты вдвое потребуется увеличить вдвое натуральный  логарифм отношения масс.

Прикинем, что допустим масса корабля-1 часть, а масса топлива-9 частей... итого, отношение масс будет равно 10-ти. ((9+1)/1)

ln10 = 2,3025
ln х  = 2*2,3025=4,6051
х = е^4,6051 = 99,9926=100

Итого, при той же массе конструкции КА (даже при тех же самых баках) запасы топлива на корабле должны быть увеличены с 9 частей до 99 частей... то есть в 11 раз!
Если надо полететь со скоростью втрое выше, то частей топлива должно быть 999... итого увеличение массы топлива в ракете в 111 раз....

и т.д.     

[MARS9]

Ой вы неправильно поняли суть моего вопроса формула Циольковского используют для того чтоб узнать какую скорость может достичь ракета при определенном скорости истечение газов из ракетного двигателя и для того чтоб узнать каким должен быть доля топлива в начальном массе ракеты. Простая формула. Но меня интересует совсем другое, вот здесь сказали что если есть какая-то пара окислителя и горючего (Кислород/Водород например) то скорость истечение газов из двигателя будет каким-то определенным и что это зависит от той энергии которая выделяется при сжигании горючего в окислителе. Также сказали (в принципе именно это меня интересовала) что здесь есть такая взаимосвязь-если эта энергия егзотермальной химической реакции будет увеличиться например 4 раза то скорость движение молекул продуктов сгорания (Воды в этом случае) и следовательно скорость истечение газов из ракетного двигателя будет увеличено 2 раза (квадратный корень из 4), понятно это но как так сказать оформлять этот взаимосвязь? Из какого закона и формулы Физики это исходит? Вот это хочу точно узнать..............

[Грехов Михаил]

Ну грубо говоря есть некая энергия, которая выделяется от сгорания топлива в окислителе. Эта энергия тратится на подогрев продуктов сгорания. Цель-получить как можно более сильно разогретые продукты сгорания. Следовательно, выгоднее иметь такое топливо, которое бы выделяло наибольшую энергию сгорания при наименьшей теплоёмкости. Кроме этого само бы при этом было бы тяжёлым в сжиженном виде (как бы бак уместит больше топлива в массовом соотношении)

Например у Водорода и Кислорода - весьма высокий энергетический выход реакции - удельная теплота сгорания 120.9·10^3 КДж/кг. Вода в парообразном состоянии (трёхатомный газ) обладает невысокой теплоёмкостью. с повышением сложности (атомарности) газов на выхлопе из сопла-теплоёмкость газов повышается. Поэтому теоретический удельный импульс при сгорании водорода равен 428 сек. При сгорании водорода со фтором - 449 сек. Это рекордсмены.

Однако, литр жидкого водорода весит всего..... 70 грамм! Чтобы иметь его в достаточных количествах требуется сделать очень большой бак относительно бака кислорода (посмотрите на центральный бак Шаттла, там его бОльшая часть)  Соответственно за высокий УИ придётся расплачиваться бОльшей массой конструкции, бак должен иметь теплоизоляцию. Кроме этого, водород легко проникает во всякие щели и неплотности и взрывоопасен. Его сложно сжижать из-за низкой температуры кипения −252,56 °C (требуется постройка отдельного завода рядом с космодромом чуть ли не на стартовой площадке) практически невозможно хранить сколь угодно долго, как керосин. Да и получают не как ископаемое топливо (как бензин, керосин) а методом электролиза воды или прогона паров воды через раскалённый кокс, из природного газа. Итого водород получается дорогим удовольствием! 

[MARS9]

Грехов Михаил

при наименьшей теплоемкости

А это почему так важно?

с повышением сложности (атомарности) газов

Это не понял что здесь имеется в виду


Вообще интересно вот если взять пару Водород-Кислород и сжигать то у молекул воды будет определенная скорость, это понятно. А какую корректив может внести изменение в массе или горючего или окислителя? Вот если например увеличить атомную массу Водорода 10 раз, то какая скорость была бы у молекул воды исходящего из ракетного двигателя? То есть хочу узнать существует ли некая формула которая может сразу дать ответ какой будет скорость истечение газов при определенном энергии (которая и выделяется при сгорании) и атомной массе топлива. Понятно что чем больше энергия и меньше масса (топлива) тем больше скорость, но как это в формуле оформлять? Вот  120.9 10^3 КДж/кг=4,63 км/с  то есть как левая сторона равен правому? 

[Грехов Михаил]

А это почему так важно?

Ну сами посудите. цель ЖРД-создавть высокую температуру и давление в камере сгорания. допустим есть 2 типа газа-один с высокой теплоёмкостью а другой с низкой. При том же самом подводе тепла второй газ легче разогреть до более высокой температуры.

Это не понял что здесь имеется в виду

Что такое температура газа? Чем на молекулярном уровне отличается газ с высокой температурой от газа с низкой температурой - Правильно! Скоростью броуновского движения молекул. + ещё тепло тратится на колебания молекулярной решётки (зависит от числа степеней свободы газа). можете вики покурить или загуглить "теплоёмкость идеального газа".

Насчёт увеличения атомной массы водорода-это вы пошутили так? Это же Бор получится.... его нельзя использовать для топлива.

Формула может и есть только сложнее - сначала написать химическое уравнение, в котором будет известен состав газа, определить его теплоёмкость, рассчитать, до какой температуры можно разогреть газ с учётом энергетического выхода реакции. Затем выбрать какое-то давление в камере сгорания. Затем спроектировать сопло с определённым коэффициентом расширения газа и условиями работы (например первую ступень РН и вторую рассчитывают на разные давления на срезе сопла) ну можно упростить что типа вакуум, но в реальности на какой-то цифре останавливаются. После этого можно уже думать насчёт скорости среза из сопла. Кстати некоторые вещества в продуктах сгорания могут в процессе расширения (и падения температуры) становиться жидкостями (аэрозолями - например оксиды азота), а то и твёрдыми частицами (например оксиды алюминия в твёрдотопливных двигателях). Тоже надо учитывать.

Табличку можете поглядеть здесь:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C   

[Varjag]

Самый лучший двигатель получится если в сопло подавать протоны и электроны.
Объем смеси увеличтся в 10^5 раз, да к тому же подать кислород в cледующей камере.

[Varjag]

Есть у кого какие соображения ,как получить максимальное количество электронов  и протонов ,чтобы синтезировать водород?

[vsevolodson]

Самый лучший двигатель получится если в сопло подавать протоны и электроны.
Объем смеси увеличтся в 10^5 раз, да к тому же подать кислород в cледующей камере.

кислород сожрёт уи

Есть у кого какие соображения ,как получить максимальное количество электронов  и протонов ,чтобы синтезировать водород?

He3 + He3 -> He4 + 2p

[星空]

Самый лучший двигатель получится если в сопло подавать протоны и электроны.
Объем смеси увеличтся в 10^5 раз, да к тому же подать кислород в cледующей камере.

кислород сожрёт уи

Есть у кого какие соображения ,как получить максимальное количество электронов  и протонов ,чтобы синтезировать водород?

He3 + He3 -> He4 + 2p

ну вот как предсказывал опыт веков что к термояду мы придем так что предлагаю снять вето с него.
ведь хоть автор топика сказал что не умеем но я считаю что если будет надо, 100млрд и ну не завтро но год-три и дело в шляпе.
и вапрос не много не понимаю пачему если забыть об энергозатратах нельзя сделать ускоритель плазмы до 15-30к в сек нормального количества рабочего тела, под этим я имею в виду  сотни грамм или даже килограммы а это уже неплохая тяга .

[MARS9]

Грехов Михаил

Насчет увеличения атомной массы водорода-это вы пошутили так? Это же Бор получится.... его нельзя использовать для топлива

Нет, я имел в виду не атомный номер а атомную массу в частности вот я подумал а что если вместо "обычного" Водорода использовать его тяжелый изотоп-Дейтерий? Химическая реакция и энергия выделенная в этом процессе будет та же самая. Но скорость истечение газов из ракетного двигателя будет чуть меньше, верно? Ведь в формуле Воды H2O значительная часть приходит на Кислород (2-за Водород, 16-за Кислород, в итоге 88 % это Кислород), так что будет использован Протий или Дейтерий наверно не будет играть заметной роли но все-таки: тепло выделяемая в ходе реакции будет разогнать тяжелую воду масса которого (я имею в виду одну его молекулу) на 11 % больше чем у обычной воды. Если использовать ту формулу которого мне здесь дали sqrt(T/M) то по-моему получиться что скорость истечение будет на 5 % меньше (5 % это квадратный корень от 1,11-тяжелая вода ведь на 11 % тяжелее чем обычная), хотя общая тяга двигателя думаю что будем та же самая потому что на этом сайте я прочитал вот что:
"Сила тяги двигателя связана со скоростью истечения газов формулой:
    F = u * mc, (4)
    где F - сила тяги (Н), u - скорость истечения газов (м/с), mc - масса, расходуемая в единицу времени (секундный расход массы) (кг/с)."
http://galspace.spb.ru/start-1.htm
В этом формуле видно что u у нас как раз на 5 % меньше но ведь масса (тяжелого водяного пара исходящего из двигателя) как раз на 5 % больше! А их результат вычисления (u умножим на mc) будет постоянная величина, верно?

Затем спроектировать сопло с определѐнным коэффициентом расширения газа и условиями работы (например первую ступень РН и вторую рассчитывают на разные давления на срезе сопла) ну можно упростить что типа вакуум, но в реальности на какой-то цифре останавливаются. После этого можно уже думать насчѐт скорости среза из сопла. Кстати некоторые вещества в продуктах сгорания могут в процессе расширения (и падения температуры) становиться жидкостями (аэрозолями - например оксиды азота), а то
и твѐрдыми частицами (например оксиды алюминия в твѐрдотопливных двигателях). Тоже надо учитывать.

Ну это уже другое дело, мне здесь интересно только то как энергия химической экзотермической реакции связано со скоростью выхлопных газов идущий из ракетного двигателя чистая теория и только всего.................

Компоненты топлива — горючее (1) и окислитель (2) поступают из баков на центробежные насосы (3, 4), приводимые в движение газовой турбиной (5). Под высоким давлением компоненты топлива поступают на форсуночную головку (12) — узел, в котором размещены форсунки, через которые компоненты нагнетаются в камеру сгорания (13), перемешиваются и сгорают

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C
Здесь хочу узнать как и почему они нагреваются, это головка что, горячая?

Еще вот что: когда горючее (Водород) или окислитель (Кислород) используется в ракетах они же в баках хранятся в жидком состоянии и если не ошибаюсь такими и текут в трубопроводах. Интересно, где же они превращаются из жидкостей в газах? Это происходит в камере сгорания или до этого, например в тех местах когда трубопроводы Водорода идут вокруг сопла ракетного двигателя? 

[Грехов Михаил]

В ЖРД компоненты топлива подаются в камеру сгорания в жидком виде. Хранятся в баках. Несмотря на то, что окислитель течёт и омывает сопло для его охлаждения сам он при этом нагревается слабо. так как он обеспечивает лучший теплосъём с поверхности (жидкость всё-таки) чем сопло нагревается газами.

Испарение, нагрев, зажигание и горение топлива происходит в камере сгорания. В ней в центре бушуют огромная температура и давление. Камера сгорания является настолько теплонапряжённой частью ракетного двигателя, что её ресурс невелик. 10-20 минут непрерывной работы выдержать двигателю очень трудно.

Насчёт дейтерия и даже трития вы особо в весе не выйграете... а вот по стоимости такого топлива для ракеты проиграете в несколько раз! 

[olenellus]

при реактивном движении выполняется закон сохранения импульса (а не кинетической энергии)

Я не знаю, что такое закон сохранения кинетической энергии, но при реактивном движении, как и при движении любой системы с однородностью по пространству и по времени, выполняются законы сохранения как для импульса, так и для энергии.

[juseppe]

при реактивном движении выполняется закон сохранения импульса (а не кинетической энергии)

Я не знаю, что такое закон сохранения кинетической энергии, но при реактивном движении, как и при движении любой системы с однородностью по пространству и по времени, выполняются законы сохранения как для импульса, так и для энергии.

Но скорости и ускорения считаются через импульс, а не энергию. Потому что энергия очень уж хитро преобразовывается, и векторно не считается.

[Skipper_NORTON]

Если человечество поставит задачу.  Разогнать как угодно (используя гравитацию Юпитера и т.п.) - КА, который улетал бы в конечном итоге из солнечной системы со скоростью 100 км/сек, то  используя все ресурсы, сможет построить такой корабль?

[FRIM@N]

Смотря какой корабль. Если очень уперется то весом так в 1кг полезной нагрузки наверное можно, а на все что больше затраты будут расти в геометрической прогресии упираясь не только в финансирование но и технические проблемы. Даже для этого микро корабля придется строить в космосе огромную солнечную станцию которая будет питать лазером двигатели разгонного блока.

[olenellus]

Если верить Дайсону и ко, то можно и больше.