Feststoff-Wasserstoff-Hybridmotor für Markteinführung?

Würde Wasserstoff im Gegensatz zu Wasser in festem Zustand weniger Platz einnehmen oder stabiler sein? Wie würde eine Rakete mit einem Block aus schmelzendem festem Wasserstoff anstelle von flüssigem Wasserstoff funktionieren? Wurde und könnte jeder andere flüssige Brennstoff als Wasserstoff auf diese Weise ausprobiert werden, und was sind die Probleme bei dieser Methode?

Das Lesen von Wikipedia würde Ihnen helfen, die Dichte und Temperatur von flüssigem und festem Wasserstoff zu ermitteln. Aber festen Wasserstoff in eine Brennkammer zu pumpen, wäre sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Aber was ist mit dem Injektor, der für kleine Tröpfchen benötigt wird?
@Uwe Ich würde einen Block einfrieren, der in den Behälter passt, oder ihn in einen Behälter pumpen, der ihn einfriert.
Sie lösen das Problem nicht, indem Sie einen Block einfrieren, damit er in den Behälter passt, oder ihn in einen Behälter pumpen, der ihn einfriert. Wasserstoff muss aus dem Tank in die Brennkammer bewegt werden.
Ich weiß nicht, @Uwe, ein metallischer Wasserstoff-Hybrid-Feststoffmotor klingt irgendwie ... lustig.
@JCRM Ich benutze das so.
@JCRM Ich habe festgestellt, dass jemand bereits an die Wand gedacht hat.
Wasserstoff existiert als Metall nur bei extrem (Millionen Atmosphären) hohem Druck. en.wikipedia.org/wiki/Metallic_hydrogen . Keine aktuelle oder nahe Zukunftstechnologie könnte es in großen Mengen herstellen oder speichern. Es ist denkbar, dass fester molekularer Wasserstoff verwendet und zu Flüssigkeit (oder zumindest Matsch) geschmolzen wird, um ihn in den Motor zu bringen. Eine traditionelle Hybridrakete, die darauf basiert, flüssigen Sauerstoff oder ähnliches durch eine geformte Masse aus festem Wasserstoff zu pumpen, wäre ein bisschen aufregend. Es ist schwer vorstellbar, wie der Wasserstoff in der Nähe des viel heißeren flüssigen Sauerstoffs und der Flamme möglicherweise fest bleiben könnte.
@SteveLinton Das gilt für heißen metallischen Wasserstoff unter hohem Druck, aber dies wäre ein gefrorener Wasserstoff. Soll ich das Metallic entfernen?
@Muze Wahrscheinlich. Es gibt eine sehr zweifelhafte Theorie, dass kalter metallischer Wasserstoff ohne Druck metastabil sein könnte, aber eher explodieren würde, wenn er drucklos gemacht würde. Fester molekularer Wasserstoff ist das, was Sie erhalten, wenn Sie normalen Wasserstoff nur ausreichend kühlen.
@JCRM das ist ein cooler Bericht! Es dauert jedoch eine Weile, bis man es herausfindet. Was ich bisher aus den Abbildungen 3c und 4c entnehmen kann, ist, dass die Nutzlast für GEO um etwa 5 % und für eine Mondmission für ein festes Tankvolumen um 20 % erhöht wird. Das sieht für mich nach einer ziemlich schlüssigen Antwort aus.

Antworten (2)

Es gibt einige interessante Fragen im Abschnitt "Wäre es stabiler". Wenn Sie tatsächlich einen festen Kern aus Wasserstoff bei 14 Kelvin hätten, wäre er tatsächlich sehr stabil, da so ziemlich jedes Oxidationsmittel, das Sie injizieren möchten, einschließlich Sauerstoff, höchstwahrscheinlich schneller auskondensieren würde, als es bei diesen sehr niedrigen Temperaturen reagieren könnte (Reaktionsraten nehmen mit ab Temperatur). Es würde auch die Atmosphäre zu einem festen Pfropfen am Düsenende einfrieren.

Die gesamte Energie, die zum Einfrieren des Oxidationsmittels und der Atmosphäre erforderlich ist, würde beginnen, den Wasserstoff zu schmelzen

Von diesem Punkt an würden möglicherweise eine Reihe aufregender Dinge passieren:

Der Wasserstoff kann an der Gefrieratmosphäre an der Basis der Rakete vorbei austreten und um das Pad herum explodieren/entzünden

Der Druck kann bis zu dem Punkt ansteigen, an dem die Rakete allein aufgrund des Wasserstoffdampfdrucks platzt

Der Druck kann bis zu dem Punkt ansteigen, an dem der gefrorene Stecker herausbläst und schmelzender Wasserstoff als Flüssigkeit ausströmt und beginnt, sich in Pfützen um das Pad herum einzubrennen.

Die Temperatur/der Druck kann den Punkt erreichen, an dem das eingespritzte Oxidationsmittel aufhört zu gefrieren und mit dem Wasserstoff zu brennen beginnt und die Rakete tatsächlich anfängt, Schub zu erzeugen, wodurch hoffentlich der atmosphärische Stopfen (oder vielleicht eine angebrachte Verschlusskappe) herausgeblasen wird.

Das Obige passiert, aber der Stopfen hält lange genug, dass der Druckanstieg die zuvor gefrorene Atmosphäre und / oder das Oxidationsmittel schmilzt, um ein BLEVE innerhalb der Rakete zu bilden.

Zusätzlich zu den oben genannten Komplikationen besteht der Hauptvorteil einer Hybridrakete darin, dass eine der beiden zum Antrieb der Rakete verwendeten Verbindungen bei Raumtemperatur stabil ist und dennoch im Gegensatz zu einer Feststoffrakete ein gewisses Maß an Drosselklappensteuerung ermöglicht. Für dieses Wasserstoffsystem, selbst wenn Sie die technischen Probleme lösen, um es zu starten, wird der Wasserstoff, sobald Sie den Oxidationsmittelfluss stoppen, weiter schmelzen und entweder in der Atmosphäre brennen oder einfach nur Schub als kalter Gasstrahl im Weltraum erzeugen, sodass diese Rakete keinen echten hat Shutdown-Methode.

Es gibt auch einige Komplikationen in Bezug auf die geringe strukturelle Festigkeit von Materialien wie Stahl bei <20 Kelvin und die anscheinend geringe strukturelle Festigkeit von gefrorenem Wasserstoff, es sei denn, er liegt weit unter dem Schmelzpunkt, der es ihm möglicherweise ermöglicht, in fester Form aus der Düse zu fließen unter Schwerkraft- und/oder Schubbelastungen.

Die Dichte von festem Wasserstoff ist etwas höher als die von flüssigem (0,086 g/cm3 gegenüber 0,07), aber die bessere Lösung, um dies zu nutzen, könnte darin bestehen, eine Aufschlämmung zu bilden , wie von JCRM in den Kommentaren erwähnt, und sie konventioneller zu verwenden.

Die Dichte von festem Wasserstoff ist nur geringfügig höher als die von flüssigem. Es wäre jedoch viel zusätzliche Masse erforderlich, um einen Behälter für den festen Wasserstoff zu bauen, der sowohl für die Speicherung von festem Wasserstoff als auch für Hybridbrennkammern mit sehr hoher Temperatur und hohem Druck geeignet ist. Zur Kühlung der Düse würde flüssiger Wasserstoff benötigt.

Der Wärmefluss zum gespeicherten festen Wasserstoff soll so gering sein, dass Verluste an Wasserstoff durch Verflüssigung und Verdampfung gering sind. Wenn der größte Teil des festen Wasserstoffs während der Lagerung verflüssigt wird, wäre ein Betrieb der Hybridrakete unmöglich.

Insgesamt ist also durch den Einsatz einer Feststoff-Hybridrakete anstelle einer konventionellen Flüssigwasserstoffrakete keine strukturelle Gewichtsreduzierung möglich.

Die Steuerung des Verhältnisses von Sauerstoff und Wasserstoff wäre während der Brenndauer schwierig. Zum Schutz der Brennkammer und der Düse vor Sauerstoff kann ein brennstoffreiches Gemisch erforderlich sein, aber zu viel Wasserstoff im Gemisch wäre ineffizient.

Feststoff-Wasserstoff-Hybridmotor für Markteinführung?
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