chemischer Antrieb mit separatem Kraftstoff und Treibmittel?

Bei den meisten chemischen Antriebsmotoren ist das Produkt der Verbrennung von Kraftstoff und Oxidationsmittel das Treibmittel; In einigen Fällen ist das Verhältnis zwischen den beiden nicht ideal, in diesem Fall wirkt etwas unverbrannter Kraftstoff auch als Treibmittel.

OTOH, in Konzepten wie NTR oder mit RTG-betriebenen Ionenantrieben sind die beiden Konzepte – Kraftstoff und Treibmittel – völlig unterschiedlich. Der Kernbrennstoff liefert Energie; das inerte Treibmittel ist die Reaktionsmasse. Ein weiteres triviales Beispiel stammt aus der Amateur-Raketentechnik – der Druckluftrakete, bei der komprimierte Luft der Energieträger, aber durch Luftdruck ausgestoßenes Wasser der Haupttreibstoff ist.

Gibt es jedoch Konstruktionen für chemische Antriebe, die ein Treibmittel mit niedriger (bis keiner) Energiedichte und einem sehr hohen Wärmeausdehnungsverhältnis zusammen mit Kraftstoff und Oxidationsmittel verwenden, die in Kombination viel Wärmeenergie liefern, aber nicht annähernd so viel Abgasgeschwindigkeit und/oder Schub?

Wahrscheinlich nicht das, was Sie meinen, aber technisch würde sich jeder chemische Bitreibstoff qualifizieren, bei dem das Mischungsverhältnis nicht stöchiometrisch ist. Hydrolox-Motoren werden oft mit 4:1-6:1 statt mit stöchiometrischen 8:1 betrieben, sodass viel unverbrannter Wasserstoff durchgeht. yarchive.net/space/rocket/fuels/fuel_rich.html
@RussellBorogove: Ich habe das im ersten Absatz erwähnt. Es gibt dort jedoch keine Unterscheidung zwischen Kraftstoff und Treibmittel (niemand entscheidet, welches Teilchen des Wasserstoffs brennt). Ich meine aber nicht unbedingt drei separate Tanks. Das Treibmittel könnte auch in den Brennstoff oder das Oxidationsmittel gemischt werden. Ich meine nur eine größtenteils inerte Verbindung, die dem Schub zuträglich ist (und absichtlich hinzugefügt wird und nicht als Nebenprodukt auftritt, wie Stickstoff mit NO2, das als Oxidationsmittel verwendet wird).
Persönlich dachte ich an einen Amateur-Raketentriebwerk mit Acetylen und Sauerstoff (leicht erhältliche Schweißgase) als Energiequelle, plus Wasser oder andere meist inerte Treibmittel. Acetylen hat eine ausgezeichnete Energiedichte, aber es erzeugt nicht viel Abgas.
Ups, sorry, überflogen.
Was bedeutet "NTR" (nicht sicher, ob Sie danach suchen)? Beachten Sie auch, dass die Wassereinspritzung in Flugzeugtriebwerke (Jets) ein Beispiel dafür sein könnte, wonach Sie suchen, obwohl dies natürlich keine Rakete ist.
@Andy Nuclear Thermal Rocket , kurz gesagt: Inertes Treibmittel, das durch einen Kernreaktor gedrückt wird und aufgrund extremer Hitze verdampft / expandiert. ISp um 800s, anständiger Schub, nie gestartet. Und ja, das Wasser in Jets wäre ein perfektes Beispiel - außer keine Rakete :)
Habe etwas gelesen. Vergiss meinen Kommentar zur Wassereinspritzung, ich habe mich geirrt; Es scheint, dass es nur zum Kühlen des (Düsen-) Triebwerks verwendet wird, um eine höhere Startleistung zu ermöglichen. Ich vermute auch, dass das Hinzufügen von Ballastmasse bei Raketen nur bedeuten würde, dass der Raketenauspuff dieser Masse einen Teil seiner chemischen Energie abgibt, sodass es keinen Gesamtgewinn geben würde. (Vermutlich.)
@Andy: Der Motor ist durch die thermische Haltbarkeit seiner Komponenten begrenzt. Mit Treibstoffen mit sehr hoher Energiedichte und lausiger Expansionsrate würde es schmelzen. Stellen Sie sich eine Rakete mit Thermitantrieb vor. Eine Möglichkeit, damit es funktioniert: Wasser hinzufügen.
Tut mir leid, aber ich kann mir einfach kein Hochenergie-Treibmittel mit einer niedrigen Expansionsrate vorstellen ... per Definition ist Hochenergie für sich genommen gut und es sollte keine Notwendigkeit bestehen, zusätzliches Gewicht zu tragen. (Das heißt, für chemische Raketen.)
@Andy: Expansionsrate pro Masseneinheit, ja. Aber denken Sie immer an die thermische Haltbarkeitsgrenze – Sie können mit Energie nur so hoch gehen, bevor der Motor schmilzt oder explodiert. Denken Sie an die Verwendung von Acetylen anstelle von Kerosin als Kraftstoff. Ersteres wird erheblich mehr Energie produzieren - scheinbar ein besserer ISp. Aber in Wirklichkeit wird es so viel Energie produzieren, dass die Kühlsysteme damit nicht umgehen können - selbst wenn Sie das gesamte LOX durch die Kühlrohre um die Düse pumpen, wird es nicht einmal mit der Hitze des brennenden Acetylens brechen. Eine Senkung der Energiedichte wäre hier eine gute Sache.
Lassen Sie mich ein weiteres Beispiel hinzufügen: O2+2Be->2BeO. Es hat eine negative Expansionsrate mit gasförmigem Oxidationsmittel und einem Pulverprodukt. Es hat auch eine extreme spezifische Energie, ungefähr die höchste aller chemischen Reaktionen.

Antworten (2)

Die V2-Rakete verwendete 75 % Ethanol / 25 % Wasser als Treibstoff. Reineres Ethanol war verfügbar, führte aber zu zu hohen Verbrennungstemperaturen; Das Verdünnen des Treibstoffs begrenzte die Temperatur, damit der Motor die Verbrennung überleben konnte, veränderte aber auch die Schubeigenschaften der Rakete.

Aerojet hat die Schubverstärkung eines (simulierten) NTR demonstriert, indem flüssiger Sauerstoff in den heißen H2-Strom in der Expansionsdüse eingespritzt wurde. ISP sinkt, aber Schub/Gewicht steigt; Das Variieren des LOX-Massenverhältnisses ermöglicht das Drosseln des ISP gegenüber dem Schub, bis das LOX aufgebraucht ist.

John D. Clarks Buch Ignition! (PDF hier verfügbar ) hat mindestens zwei Beispiele, obwohl in jedem Fall die Brennstoff/Oxidationsmittel-Kombination für sich genommen eine Menge Schub liefert.

  1. Auf den Seiten 177-179 des Buches (Seiten 193-195 des PDF) beschreibt er einige Arbeiten, um einer Rakete (auf Kosten eines bestimmten Impulses) beträchtlichen Schwung zu verleihen, indem flüssiges Quecksilber (!) In die Brennkammer (anscheinend , dies entstand aus einer Idee, Dimethylquecksilber (!!!!!) als Brennstoff zu verwenden, die aus mehreren Gründen abgelehnt wurde, nicht zuletzt, weil sich niemand finden konnte, der bereit war, sie mit ausreichenden Mengen des giftigen Todessaftes zu versorgen). Dies senkte den spezifischen Impuls weit nach unten, sorgte jedoch für einen erheblichen Leistungsschub. (Anscheinend hat der Autor die Berechnungen für die Quecksilberinjektionsrakete durchgeführt und den Vorschlag dafür eingereicht, in der Erwartung, dass ihre Vorgesetzten ihn als verrückt ablehnen würden; er wurde akzeptiert, jedoch "und NARTS saß entsetzt mit der Aufgabe fest, einen quecksilberspeienden Motor mitten in Morris County, New Jersey, zu zünden." Glücklicherweise wurde es einem Labor irgendwo in der Mitte des Wüsten-Südwestens zugewiesen, bevor sie das verdammte Ding tatsächlich abfeuern konnten. Was tatsächlich den erwarteten Leistungsschub lieferte.) Wie man mit einer solchen Rakete irgendetwas starten würde, ohne alle im statistischen Mikropolbereich zu vergiften, bleibt unausgesprochen.
  2. Auf den Seiten 188-189 des Buches (204-205 des PDF) beschreibt er eine Rocketdyne-Hydrogen-Lithium-Fluor-Rakete, die, wenn sie mit einem stöchiometrischen Lithium-Fluor-Verhältnis läuft, "und Wasserstoff einspritzt, um 30 Prozent des Massenstrom" (was vermutlich darauf hindeutet, dass der Wasserstoff hauptsächlich als Treibmittel und nicht als Reaktant gedacht war), schaffte es, einen spezifischen Impuls von 542 Sekunden zu erreichen, den höchsten spezifischen Impuls, der jemals von einer chemischen Rakete erreicht wurde ( ein Rekord, der immer noch besteht ), vermutlich wegen all diesen sehr leichten (und sich daher sehr schnell bewegenden) Wasserstoff als Treibmittel zu haben, zusätzlich zu einer sehr energischen Reaktion von Anfang an.
Es gibt einige wirklich beängstigende Dinge in Ignition! Es ist, ehrlich gesagt, ein viel beängstigenderes Buch als das Anarchist Cookbook. Die Abschnitte über auf Fluor basierende Tritreibstoffe ließen mich in meinen Stiefeln zittern. Die Toxizität einiger ihrer Hypergolika war umwerfend, aber ich gebe zu, dass ich den Teil über die Verwendung verpasst habe Dimethylquecksilber als Brennstoff. Das Zeug ist wie gereinigte Essenz von Satans Jockstrap-Gestank! Mit einem LD50-Wert von 50 Mikrogramm ist es etwas ungesund, dies in mehreren Tonnen zu verwenden, die zum Betanken einer Rakete benötigt werden.
chemischer Antrieb mit separatem Kraftstoff und Treibmittel?
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