Вопрос про самый лучший двигатель

[MARS9]

armadillo

ядерный был в железе. рабочее тело водород скорость истечения 9км/с.

Так много? Значит у ядерного двигателя удельный импульс 2 раза больше чем у химического? И это только благодаря огромной количество тепла которого выделяет ядерный реактор или тут другая причина?




У меня есть один вопрос который уже давно интересует и здесь задам его:у химических двигателей, точнее у SSME (Space Shuttle main engines) скорость истечение газов "равна 4,52 км/с" (http://skeptik.net/conspir/moonhoax.htm). Если я правильно помню этот скорость прямо пропорционально зависит от той энергии которая выделяется при сгорании Водорода в Кислороде, верно? Вот если бы эта энергия была 3 раза больше то и этот скорость (точнее не эта а теоретическая скорость которая как на том сайте говориться равен-4,63 км/с) была бы 3 раза больше?

[Крупин]

     Неверно. Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Чтобы увеличить скорость втрое нужна девятикратная энергия.

[Грехов Михаил]

поэтому корень из 3-х (примерно 1.7 раза) но ещё круче получается удельный импульс при использовании вместо кислорода окислителей получше.... например Фтора.  Однако по соображениям экономики и экологии (кому охото потом иметь дождь из плавиковой кислоты) его не применяют.

[armadillo]

скорость истечения  твердофазного ядерного двигателя ограничена способностью конструкции выдерживать температуру. сейчас это 3к+ кельвин (3100-3200), отсюда вычисляем скорость молекул водорода.

у газофазного может быть намного выше но это штука зело мудреная и малопредсказуемая.

[MARS9]

Крупин

Неверно. Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Чтобы увеличить скорость втрое нужна девятикратная энергия.

Плохо, лучше бы наоборот, выделился бы 2 раза больше энергии а ракета двигалась 4 раз быстрее........



armadillo

скорость истечения  твердофазного ядерного двигателя ограничена способностью конструкции выдерживать температуру. сейчас это 3к+ кельвин (3100-3200)

Это наверно предел.....

отсюда вычисляем скорость молекул водорода.

Очень хотелось бы знать как именно 

Грехов Михаил

поэтому корень из 3-х (примерно 1.7 раза) но еще круче получается удельный импульс при использовании вместо кислорода окислителей получше.... например Фтора

Лучше Фтора наверно нечего нету, верно? Он же самый энергичный металлоид....

[Крупин]

     Фтор - самый энергичный неметалл (окислитель). А наилучшим горючим для фтора (восстановителем) с точки зрения максимальной скорости является литий. Т.е. теоретически наилучший химический двигатель литий+фтор. Но как его реализовать? Следует ещё иметь в виду, что при охлаждении струи образуется твёрдый (а значит абразивный) продукт.

[bob]

Можно сделать "реактор" в стиле "ядерной лампы" с обтеканием зоны горения рабочим телом. Сложно и много лишнего. Но из термохимических двигателей ничего лучше кислородно-водородного по энергетике и экологии - не бывает.

[armadillo]

реактор с такой лампой называется газофазным.

[bob]

реактор с такой лампой называется газофазным.

Не. Газофазный двигатель - это двигатель, где нагреватель и рабочее тело перемешаны в газовой фазе. "Ядерная лампа" - это просто схема обтекания обычного реактора рабочим телом. Так как выходом для пары, предложенной Крупиным, является твёрдый остаток, - единственным "спасением" его схемы двигателя является создание "термохимического реактора". (Применение к термохимическому РД схемы, характерной только для ядерных двигателей.) Всё к.п.д. предложенной реакции нивелируется невозможностью выбросить продукты горения с необходимой скоростью. Они остаются на борту. Вылетает только хладагент. Для ядерного двигателя это нормально. Для термохимического - это очень плохо, это хоронит всю схему.

[Птыц]

armadillo

ядерный был в железе. рабочее тело водород скорость истечения 9км/с.

Так много? Значит у ядерного двигателя удельный импульс 2 раза больше чем у химического? И это только благодаря огромной количество тепла которого выделяет ядерный реактор или тут другая причина?

Ядерный реактор имеет меньшую мощность, чем химический сравнимой массы. К сожалению.

Тут смысл в другом. Рассмотрим сопло Лаваля. Удельный импульс обратно пропорционален квадрату из молекулярной массы рабочего вещества и зависит от показателя адиабаты. Подробнее, смотрите по ссылке Вики.

ЖРД на на водороде и кислороде выбрасывает воду с молекулярной массой 18 г/моль. Показатель адиабаты около 8/6. ЯРД выбрасывает водород с молекулярной массой 2 г/моль. Показатель адиабаты около 7/5. С небольшим приближением можно считать, что скорость истечения водорода в 3.3 раза больше скорости истечения воды при одинаковой температуре.

На самом деле в ЖРД на водороде и кислороде используется избыток водорода, что, при снижении тяги, позволяет повысить удельный импульс. А кроме того уменьшить температуру в камере сгорания и повысить надежность двигателя.

В ЯРД используются температуры не позволяющие плавиться/возгоняться урановым стержням.

В результате удельный импульс твердофазных ЯРД должен быть около 8-9 км/с.

[juseppe]

ядерный был в железе. рабочее тело водород скорость истечения 9км/с.

Так много? Значит у ядерного двигателя удельный импульс 2 раза больше чем у химического? И это только благодаря огромной количество тепла которого выделяет ядерный реактор или тут другая причина?

Нет. Главная причина - малая молекулярная масса водорода. У лучших практических химических двигателей молекулярная масса (относительная) рабочего тела - 18. А у водорода - 2. В 9 раз меньше масса - в 3 раза бОльшая возможна скорость. По этой же причине у гелиотермических двигателей (у которых рабочее тело нагревается солнечным теплом, сконцентрированным параболическим зеркалом) возможна скорость истечения до 15 км/с.

(Вообще, у химических двигателей скорость истечения 4500 м/с достигается путём хитрого "финта ушами": в камеру сгорания подаётся раза в полтора-два больше водорода, чем надо для полного реагирования с кислородом. И хотя температура реакции падает, но средняя молекулярная масса продуктов падает ещё быстрее. С ростом подачи водорода скорость истечения сначала немного растёт, и лишь потом начинает падать. Расчётно-опытным путём конструкторы-двигателисты нашли оптимальную для УИ пропорцию...)

УПД: Пока набирал, Птыц опередил... 

[Птыц]

     Фтор - самый энергичный неметалл (окислитель). А наилучшим горючим для фтора (восстановителем) с точки зрения максимальной скорости является литий. Т.е. теоретически наилучший химический двигатель литий+фтор. Но как его реализовать? Следует ещё иметь в виду, что при охлаждении струи образуется твёрдый (а значит абразивный) продукт.

Обычно предполагается, что к паре литий+фтор добавляется водород. Это позволяет снизить температуру до приемлемых величин и увеличить удельный импульс за счет добавления водорода.

Аналогичный вариант – бериллий+кислород с добавлением водорода.

Проблема – безумная дороговизна и токсичность (а, следовательно, дороговизна в квадрате).

Для первого варианта абразивное действие не столь существенно, так как температура кипения фторида лития 1700°C. Хотя температура кипения окиси бериллия около 4100°C.

[Птыц]

УПД: Пока набирал, Птыц опередил... 

Ничего, в следующий раз вы обгоните.

[Крупин]

реактор с такой лампой называется газофазным.

Не. Газофазный двигатель - это двигатель, где нагреватель и рабочее тело перемешаны в газовой фазе. "Ядерная лампа" - это просто схема обтекания обычного реактора рабочим телом. Так как выходом для пары, предложенной Крупиным, является твёрдый остаток, - единственным "спасением" его схемы двигателя является создание "термохимического реактора". (Применение к термохимическому РД схемы, характерной только для ядерных двигателей.) Всё к.п.д. предложенной реакции нивелируется невозможностью выбросить продукты горения с необходимой скоростью. Они остаются на борту. Вылетает только хладагент. Для ядерного двигателя это нормально. Для термохимического - это очень плохо, это хоронит всю схему.

      Я набсолютно ничего не изобретал, а прочитал во вполне доброкачественной книге про ракетные топлива.

[Птыц]

      Я набсолютно ничего не изобретал, а прочитал во вполне доброкачественной книге про ракетные топлива.

Вы абсолютно правы. LiF в камере сгорания – газ и вылетит оттуда газом. Единственная, но минимальная сложность – Li нужно подавать в расплавленном (180°C) состоянии.
Проблема в производстве, хранении и использовании крайне токсичного корродирующего агента – F₂.

[Крупин]

      А не лучше ли вместо просто лития использовать гидриды лития? В них на один атом лития приходится до четырёх водородных атомов (сохранить жидкий водород - большая проблема).

[armadillo]

сколько сотен тонн лития на человека вам потребуется?
с земли лучше использовать водород.
в  дальних полетах - но что валяется под рукой (тот же апофиз)

[vsevolodson]

      А не лучше ли вместо просто лития использовать гидриды лития? В них на один атом лития приходится до четырёх водородных атомов (сохранить жидкий водород - большая проблема).

гидрид лития лучше в качестве термояда тогда уж
в теме "звездолёт на сегодняшних физ. принципах" я предлагал схему такого двигателя, который был импульсным с 2мя ступенями сжигания

[juseppe]

А не лучше ли вместо просто лития использовать гидриды лития? В них на один атом лития приходится до четырёх водородных атомов

1:1. До 4-х - это в алюмогидриде LiAlH₄. Гидрид лития удобен тем, что он - единственный плавящийся гидрид, можно подавать насосами. (Хоть 765 К - и не сахар...)
А фтор - не такая уж и проблема: пятифтористый хлор - легко сжижаем; нержавеющие стали, никель и, ЕМНИП, алюминий в норме не ест... Наличие примеси хлора, ИМХО, на УИ не очень повлияет - а ведь в ClF₅ можно и ещё фтора растворить... Короче. когда УИ 540 станет "кровь из носу" нужным - сумеют использовать.

[Крупин]

      Да, конечно, гидрид лития единственный LiH. И я это прекрасно знал до прочтения статьи http://elementy.ru/news/431203, которая сбила меня с толку из-за невнимательности. В отрывке из неё сказано:

Авторы статьи, используя компьютерное моделирование, показали, что гидриды лития могут помочь решить проблему «металлизации» водорода. Читателя может смутить множественное число в словосочетании «гидриды лития», так как известно, что литий и водород одновалентны, а значит, и гидрид лития может быть только один — LiH. На самом деле никаких противоречий нет. Численные расчеты, выполненные учеными, свидетельствуют о существовании еще семи гидридов лития с общей формулой LiHn (n = от 2 до 8 ) с металлическим характером их проводимости. В нормальных условиях эти соединения «жить» не могут, однако сверхсильное сжатие делает литиевые гидриды метастабильными, а некоторые из них — даже стабильными веществами. Как утверждают исследователи, чтобы гидриды лития стали устойчивыми или почти устойчивыми металлами, к ним нужно применить давление приблизительно 100 ГПа. Эта величина, во-первых, в 4 раза меньше, чем та, что требуется для чистого водорода, а во-вторых, что самое главное, находится в диапазоне давлений, спокойно получаемых статическим путем.

     Я не обратил внимание, что другие гидриды - лишь предполагаемые, теоретически могущие существовать при высоких давлениях.