Könnte die Reibungswärme beim Aerobraking für den Antrieb genutzt werden?

Aerobraking wurde immer als eine Möglichkeit angesehen, ein Raumfahrzeug vor der Landung oder dem Einsetzen in die Umlaufbahn wirtschaftlich abzubremsen. Ich frage hier, ob es stattdessen verwendet werden könnte, um ein Raumschiff zu beschleunigen.

Wenn ein Raumschiff, das nach maximaler Geschwindigkeit sucht, in der Nähe eines massiven Planeten wie Jupiter vorbeifliegt, hat es zwei Vorteile und ein Problem. Die Vorteile sind die Gravitationsunterstützung und der Oberth-Effekt des Zündens seiner Triebwerke bei Periapsis. Der Nachteil ist der Widerstand der Atmosphäre, wenn man zu nahe kommt.

Könnte die Reibungswärme beim Aerobraking in einer Atmosphäre verwendet werden, um ein Antriebssystem jeglicher Art zu zünden, das externe Wärme in einen schnellen Massenausstoß umwandelt? Raketentriebwerke verwenden Oxidationsmittel, um chemisch Wärme zu erzeugen, die Wasserstoff mit hoher Geschwindigkeit ausstößt. Könnte der Sauerstoff, der den größten Teil der Brennstoffmasse ausmacht, durch die Reibungswärme ersetzt werden, die beim Durchgang durch eine Planetenatmosphäre entsteht? Irgendwie wird die Wärme vom Schild auf eine Art Wasserstoffbeschleunigungsmechanismus übertragen. Es würde den Vorteil mit sich bringen, dass der Oberth-Effekt dann am größten ist. Und wäre es nützlich, um eine Art thermischen Spaltungs-Kurzzeit-Booster zu zünden?

Der Chelyabinsk-Meteor erzeugte eine Explosion von etwa 500 Kilotonnen TNT, als er in die Erdatmosphäre eindrang. Könnte diese Art von Effekt genutzt und genutzt werden, um ein Raumschiff durch eine Atmosphäre erheblich zu beschleunigen?

Could the oxygen, which represents the large majority of fuel mass, be replaced by the friction heat from passing through a planetary atmosphere?Schlagen Sie wirklich vor, das Oxidationsmittel durch thermische Energie zu ersetzen?
@ Federico Nun, ich frage, schlage nicht ernsthaft vor. Aber ja. Eine Atmosphäre als Reibungsstreichholz zu verwenden, um den ausgestoßenen Wasserstoff zu erhitzen, um das Raumfahrzeug anzutreiben.
Mein Problem mit Ihrer Frage ist Ihre Verwendung von "Brennkammer": Wenn Sie das Oxidationsmittel entfernen, findet keine Verbrennung statt, unabhängig von der Wärmemenge, die Sie in das System pumpen.
@Federico: In NTR-Motoren gibt es auch keine Verbrennung, nur das Treibmittel, das von einem Kernreaktor überhitzt wird.

Antworten (2)

Geht das - ich denke ja. Macht es Sinn - ich denke nein.

Das Konzept einer nicht-chemischen Thermalrakete ist nicht neu. Andere Arten solcher Raketen wären eine nukleare Thermalrakete oder ein Resistojet. Beide funktionieren im Prinzip, indem sie eine Flüssigkeit erhitzen und dann ausstoßen, genau wie das von Ihnen vorgeschlagene Konzept. Die Flüssigkeit kann alles sein, aber Wasserstoff ist in Bezug auf ISP am besten.

Wie würde also ein Anwendungsfall Ihrer Rakete aussehen? Offensichtlich würden Sie nicht versuchen, es zu verwenden, um der Erdumlaufbahn zu entkommen, da die Energie, die sich beim Wiedereintritt auflöst, nur die Bewegungsenergie ist, die Sie ursprünglich in Ihr Raumschiff gesteckt haben. Darüber hinaus wird die meiste Energie nicht auf das Raumfahrzeug übertragen, sondern bleibt in der Atmosphäre (wenn ich mich richtig erinnere, gingen etwa 0,2% in das Raumfahrzeug).

Aber wie Sie sagten, vielleicht möchten Sie diese Energie nutzen, um ein Manöver im Jupiter-System zu fliegen. Wenn Sie in das System eintreten, haben Sie Fluchtgeschwindigkeit, also möchten Sie etwas von dieser Energie abgeben. In diesem Fall können Sie durch Aerobremsen in Jupiter (aus anderen Gründen möglicherweise nicht intelligent) auf etwas Wärme stoßen, und diese Wärme kann theoretisch als Energie für spätere Kursänderungen verwendet werden. Sie könnten zum Beispiel viel Wasserstoff unter Druck setzen, ihn dann zum Kühlen eines Hitzeschilds verwenden und dann den Wasserstoff für den Schub freisetzen.

Das wäre ein sehr schlechtes Design. Sie müssten irgendwo eine große Menge an unter Druck stehendem Wasserstoff lagern, weil Sie Ihr Triebwerk nicht sofort zünden möchten, während Sie sich noch in Jupiter befinden. Sie möchten Antriebsstunden oder Tage oder Jahre später haben. Dies macht Ihre Panzer massiv schwer. Und das ist nur das geringste Ihrer Probleme.

Um einen anständigen ISP zu erhalten, müssten Sie Ihren Wasserstoff auf Tausende von Kelvin erhitzen. Daher wäre es kein effektives Kühlmittel. Eigentlich müssten Sie Ihren Vorratstank irgendwie aktiv kühlen, denn es gibt kein Material auf der Welt, das den Temperaturen standhalten könnte, die ein Gas benötigt, um ein effektiver Raketentreibstoff zu sein.

Und selbst das ignoriert den größten Fehler in diesem Konzept, dass Energie nicht einmal das größte Problem beim Antrieb von Raumfahrzeugen ist, sondern die Dynamik. Es gibt viele Energiequellen, sogar im Weltraum. Es gibt thermoelektrische Radioisotopengeneratoren, Sonnenkollektoren, chemische Reaktionen und sogar Kernreaktoren. Der schwierige Teil besteht darin, diese Energie zu nutzen, um eine Flüssigkeit mit der größtmöglichen Geschwindigkeit (sprich: ISP) nach hinten auszustoßen, sodass Ihr Raumschiff gemäß der Impulsbilanz den größten Vorwärtsimpuls erhält. In dieser Hinsicht gibt es nichts Besseres als Ionentriebwerke, und Ihr Konzept würde schlechter abschneiden als das einfachste Triebwerk, der Resistojet. Dies ist ein Triebwerk, das nichts anderes tut, als etwas (eigentlich alles - Wasserstoff, Wasser, Kot, was auch immer) elektrisch zu erhitzen, um es durch eine Düse auszustoßen. Also genau wie deine Idee,

Selbst wenn es möglich wäre, etwas Energie aus dem aerodynamischen Bremsen zurückzugewinnen, glaube ich nicht, dass dies ein brauchbarer Teil eines Antriebssystems sein kann.

Um ein Detail in Ihrer Antwort hervorzuheben: "Sie möchten Ihr Triebwerk nicht sofort abfeuern, während Sie sich noch in Jupiter befinden." Warum nicht? Dort ist der Oberth-Bonus am größten.
@LocalFluff Der Sinn des Aerobremsens besteht darin, Geschwindigkeit zu verlieren, nicht zu gewinnen. Die Energie auf dem Hitzeschild ist nur ein Teil Ihrer eigenen Bewegungsenergie. Was Sie vorschlagen, wäre, als würden Sie in Ihr eigenes Segel blasen.
Aber es geht auch darum, die chemische (oder vielleicht spaltungsnukleare) Energie der Masse auszunutzen (zu zünden), die die atmosphärische Reibungserwärmung erfährt. Der Chelyabinsk Meteor von etwa 13 Tonnen verursachte eine Explosion von 500 Kilotonnen TNT. Wenn ein zufälliger Meteoroid seine zufällige Trümmerhaufenmasse durch Reibung in einer Atmosphäre in das 10.000-fache seiner Masse an hochexplosiven Stoffen umwandeln kann, warum könnte ein Raumschiff dann nicht von einem ähnlichen Prozess profitieren?
@LocalFluff Again: Die Energie, die Sie verwenden können, ist genau das, was Sie hineinstecken. Eigentlich weniger. 99,8 % weniger. Welchen möglichen Nutzen würden Sie daraus ziehen?
Umwandlung der in der Masse gespeicherten chemischen Energie in Vortrieb, da diese Masse durch Reibung erhitzt wird. Wie beim Erhitzen von Wasserstoff ohne Sauerstoffbedarf. Das ist meine Grundidee.
@LocalFluff Sie müssen diese Energie überhaupt irgendwie in das Raumschiff stecken. Warum nicht die Quelle, die Sie dafür verwendet haben, als Treibmittel verwenden, wenn man bedenkt, dass Ihr Ansatz bestenfalls 0,2% der Effizienz hat?

Das grundlegende Problem liegt im Energieerhaltungssatz. Die gesamte Energie, die Sie auf diese Weise für den Antrieb aufwenden könnten, stammt aus einer einzigen Quelle: der kinetischen Energie Ihres Schiffes, das gegen die Atmosphäre bremst. Sie werden nicht mehr Energie extrahieren, als Sie verlieren, da Sie sie nicht mit angemessener Effizienz sammeln können, während sie erzeugt wird.

Sie können sich mit einem Oxidationsmittel helfen oder einen bestimmten Prozentsatz der Abstiegsenergie für einen weiteren Aufstieg aufsparen, wenn Sie in die Jupiterbahn eintreten und sie später verlassen möchten, aber in der aktuellen Form, die Sie präsentieren, ist es ein aerodynamisches Perpetuum Mobile . (Stellen Sie sich vor, anstatt sich aus der Atmosphäre zu treiben, betreten Sie eine Umlaufbahn durch die Atmosphäre und erzeugen irgendwie die ganze Hitze, ohne jemals langsamer zu werden, sondern nur die Geschwindigkeit beizubehalten).

Es könnte aber einen Weg geben. Nicht jetzt und nicht bald, möglicherweise in ein paar Jahrhunderten. Sie können aus reinem Wasserstoff mehr Energie gewinnen, als Sie verbrauchen, aber Sie müssen viel ausgeben , und es gibt keine Feststoffe, die diese Größenordnung von Temperaturen überleben können.

Erstellen Sie einen magnetischen "Lufteinlass" - aus einem starken Magnetfeld. Komprimieren Sie den einströmenden Wasserstoff zu überhitztem Plasma. Machen Sie es so heiß, dass es eine Kernfusion erfährt, sich in Helium verwandelt und dabei viel Energie verbraucht. Kurz gesagt, ein Bussard-Ramjet , der für Gasriesen statt für interplanetare Medien bestimmt ist. Das würde funktionieren, aber die technische Aufgabe hinter der Formung eines solchen Magnetfelds lässt mich schwirren.

Würde nicht selbst ein Airburst von 13 Tonnen Wasserstoff als wären es 500.000 Tonnen TNT einem Raumschiff weiterhelfen können? Das ist mehr Masse, als das größte Containerschiff transportiert, chemisch gespeichert in einem bescheidenen 17 Meter großen Meteoroiden, der plötzlich durch atmosphärische Reibung gezündet wird.
@LocalFluff: Woher kommt die Energie dieses Luftstoßes? Verfolgen Sie es bis zur Quelle: Was gab ihm diese explosive Kraft? Was ist mit dem Wasserstoff passiert, dass er sich von einem gewöhnlichen Gas in einen solchen Superexplosivstoff verwandelt hat?
Die Energie kommt aus der Masse, wie jeder Raketentreibstoff. Aber ohne die Notwendigkeit von Sauerstoff und anderen Verbrennungsprozessen. Woher hat der Tscheljabinsker Meteor seine 500 Kilotonnen?
Ich kann mir kaum ein Szenario vorstellen, in dem Sie einen Fusionsmotor haben, ihn aber durch einen Gasriesen fliegen wollen, um komprimierten Wasserstoff zu erhalten, selbst wenn es technisch möglich wäre.
"Woher hat der Tscheljabinsker Meteor seine 500 Kilotonnen?" Dieselben Quellen, aus denen jedes Himmelsobjekt seine Energie bezieht. Gleiche Frage wie "woher bekommt der Mond seine Energie". Es war dort, als das Sonnensystem entstand.
@Rikki-Tikki-Tavi Woher kommt die Energie der Sonne? Von seiner Masse unter extremem Druck. (Und ich habe hier die Tonnen und Kilotonnen falsch eingegeben. Tscheljabinsk hatte eine Masse von 13 Kilotonnen und machte eine 500-Kilotonnen-TNT-Explosion. Aber vielleicht könnte ein optimiertes Raumschiff eine bessere Leistung erbringen als jeder zufällige Trümmerhaufen.)
@LocalFluff: Die einzige Möglichkeit, Energie aus Masse zu gewinnen, ist die Kernfusion und der Zerfall, und das ist bei Meteoren nicht der Fall. In ihrem Fall ist die gesamte Energie zunächst die potentielle Energie des Eintritts in die Schwerkraft der Erde, die dann in kinetische Energie umgewandelt wird. 1 / 2 m v 2 - Die Masse ändert sich nicht, also kommt die Energie von der schnell abnehmenden Geschwindigkeit. Die 500 kT von Tscheljabinsk waren die ganze Energie der Luftbremsung des Boliden, der an Geschwindigkeit verlor. Wenn Sie all diese Energie gesammelt hätten, könnten Sie sie bestenfalls auf genau die Geschwindigkeit beschleunigen, mit der sie hereingekommen ist.
@Rikki-Tikki-Tavi: Viele kalte Asteroiden, die sich zu unserem Mond zusammenballen, und die Mond-Maria sind im Wesentlichen erstarrte Lavabecken, das Zentrum des Mondes ist noch flüssig. Was machte die kalten Asteroiden so heiß?
... und lassen Sie mich am Ende eine Auto-Analogie verwenden: Kann man irgendwie die Energie aus den Autobremsen nehmen, damit das Auto schneller fährt, anstatt langsamer zu werden, wenn man bremst?
Könnte die Reibungswärme beim Aerobraking für den Antrieb genutzt werden?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v