Könnten Raumschiffe eine Dampfmaschine benutzen?

Die Verwendung von Dampf, um sich im Weltraum fortzubewegen, erfordert offensichtlich, dass Sie:

1) Haben Sie eine konstante Wasserversorgung

2) Energie haben, um das Wasser zu kochen

Sie können vielleicht Wasser von Kometen usw. auffangen, aber das ist immer noch ein sehr verschwenderischer Prozess, und Wasser wächst nicht einfach auf Bäumen ... im Weltraum.

Außerdem spielen Wasser und große, komplexe Systeme normalerweise nicht gut zusammen. Das letzte, was Sie wollen, sind Rohre, die in Ihrem Motor rosten, ganz zu schweigen davon, dass jedes Mal, wenn Sie das System abschalten, besagtes Wasser zu gefrieren beginnt und Rohrbrüche Ihren Aufenthalt in einem anderen Sternensystem wirklich ruinieren könnten. Hier auf der Erde haben wir den Luxus, ständig neue Rohre herstellen und reparieren/warten zu können, aber auf einem Generationenschiff wäre es viel schwieriger.

Alles in allem gäbe es viele praktische Herausforderungen bei der Implementierung eines solchen Antriebssystems.

Kommt darauf an, was man unter "Dampfmaschine" versteht. Eine Maschine vom NERVA-Typ, die einen Kernreaktor mit Wasser als Reaktionsmasse verwendet, wäre eine Dampfmaschine, oder? Ebenso, wenn Wasser mit einem konzentrierenden Solarreflektor erhitzt wurde.

Tatsächlich ändern Kometen ihre Umlaufbahnen auf diese Weise, da Wasser (oder andere flüchtige Stoffe) durch Sonnenlicht gekocht werden.

Eine Dampfmaschine im Weltraum (vorausgesetzt, Sie meinen eine Dampfrakete) ist nicht nur machbar, sondern unter Umständen sogar wünschenswert. Die Neofuel- Site macht starke Argumente dafür, dass Wasser direkt von Kometen, Asteroiden usw. verwendet wird, anstatt es in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, hauptsächlich weil die zusätzliche Masse an benötigter Ausrüstung die Vorteile eines höheren ISP überwältigt.

Alles, was Sie wirklich brauchen, ist eine Energiequelle, um das Wasser zu Dampf zu erhitzen, und schon kann es losgehen. Dies kann von Sonnenspiegeln ( einer Sonnenmotte ), dem Strahlen von Laser- oder Mikrowellenenergie auf das Schiff oder der Verwendung eines nuklearen Rektors an Bord reichen. Solange das Wasser genügend Wärmeenergie erhält, haben Sie Dampf. Das Drosseln des Motors ist so einfach wie das Einstellen der Wasserdurchflussmenge durch die Wärmequelle.

Der NEOfuel-Vorschlag für eine Dampfrakete

Vereinfachtes Schema der NTR-Dampfrakete. Die Wasserblase(n) wären im wirklichen Leben viel, viel größer

Die Kehrseite einer Dampfrakete ist ein wirklich schrecklicher ISP von 195, verglichen mit @ 450 für die idealen H2 / O2-Flüssigbrennstoffmotoren oder zwischen 800 und 1200 für Wasserstoff-NERVA-Raketentriebwerke. Sie würden enorme Wassermassen verwenden, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen, und von der Erde zu den äußeren Planeten zu gelangen, würde bestenfalls viele Jahre dauern. Die NEOfuel-Site berechnet, dass ein Wassertanker mit einer Nutzlast von 10.000 Tonnen 325.000 Tonnen Wasser als Reaktionsmasse transportieren würde.

Endgültige Konfiguration: H2O NTR-Option

10.000 Tonnen Nettonutzlast

358.000 Tonnen Wassertreibstoff

104 Tonnen Wasserblase

208 Tonnen Wasserblasenpanzerung

656 Tonnen Nuclear Thermal Rocket-Triebwerke

122 Tonnen Wasserextraktor

Im Gegensatz dazu funktioniert die Option LH2 wie folgt:

10.000 Tonnen Nutzlast

(138.000 bis 453.000 Tonnen Wasser für LH2) 15.400 Tonnen bis 50.300 Tonnen LH2-Treibmittel

154 Tonnen bis 503 Tonnen gepanzerte LH2-Panzer

472 bis 1536 Tonnen LH2 NTR-Motoren

48 - 156 Tonnen, um Wasser zu extrahieren

559 bis 10248 Tonnen für Strom für die Elektrolyse

70 bis 5027 Tonnen für Kryolizer-Hardware

372 bis 10609 Tonnen für Strom für Kryolizer

Dampf ist also ein Mittel, um kostengünstig Massennutzlasten im Sonnensystem herumzuführen, aber Sie müssen einen niedrigen ISP, große Mengen an Wasser, die als Reaktionsmasse verwendet werden, und lange Reisezeiten akzeptieren.

Ja, Sie könnten Wasser kochen, um viel Druck aufzubauen, und den Dampf als Treibmittel ablassen, und das Raumschiff würde sich bewegen. Aber es würde sich sehr langsam bewegen, und dann hättest du kein Wasser mehr.

Es ist kein sehr effektiver Antriebsmechanismus.

Die Frage besagte nicht, dass die Dampfmaschine verwendet werden muss, um das Schiff anzutreiben .

Also ja, wenn das Schiff groß genug ist und viel Strom benötigt, ist es machbar, eine Dampfmaschine oder genauer gesagt eine Dampfturbine zu verwenden. Das Wasser wird nicht durch Verbrennen von Kohle gekocht, sondern durch Kernspaltung. Es gibt moderne Schiffe und U-Boote, die dies tun. Natürlich nutzen sie ihn auch zum Antrieb, da Elektromotoren Propeller antreiben. Natürlich können Sie im Weltraum keine Propeller verwenden, aber wenn Ihr interner Strombedarf hoch genug ist, kann ein Kernreaktor auf einem solchen Raumschiff gerechtfertigt sein. Und Kernreaktoren sind eigentlich eine Art Dampfmaschine.

Es kommt darauf an, was man eine Dampfmaschine nennt. Eine Dampflokomotive kann natürlich nicht verwendet werden, da wir im Weltraum keine externe Unterstützung haben, also brauchen wir ein Strahltriebwerk. Aber kann ein Strahltriebwerk Dampf verwenden, um sich selbst anzutreiben? Ein Raketentriebwerk könnte mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff arbeiten und dabei heißes Wasser (=Dampf) erzeugen. Aber können wir es trotzdem "eine Dampfmaschine" nennen?

Ich habe das nicht nachgerechnet, aber es scheint mir, dass eine Dampfmaschine unglaublich dumm wäre, da das H und O, das Sie mischen und dann kochen würden, nur um in den Weltraum entlassen zu werden, mehr Energie benötigen würde, um einen ähnlichen oder weniger Schub zu erzeugen als nur Sauerstoff abzulassen? wie die meisten RCS-Triebwerke derzeit. Also möglich, aber nicht machbar.

Das Neal Stephenson-Buch Seveneves zeigt Charaktere, die einen Kernreaktor in die Mitte des Eiskerns eines Kometen einbetten, dann das Eis des Kometen zu Dampf schmelzen, um ihn als Schub zu verwenden, und den gesamten Kometen in ein Raumschiff und einen Raketenmotor verwandeln.

Wenn Sie also ein Stück Eis mit einem Durchmesser von 2 km als Wasserquelle verwenden möchten, ist dies sicherlich möglich.

Nein, nicht durch eine vernünftige Definition von Dampfmaschine , zumindest nicht für den Antrieb (da Sie den Luftwiderstand erwähnt haben, werde ich mich zuerst auf den Antrieb konzentrieren).

Eine Rakete funktioniert, indem sie Treibmittel nach hinten auswirft. Das sorgt für Vorwärtsdrang. Um nun mehr Vorwärtsgeschwindigkeit zu erreichen, müssen Sie entweder mehr Treibstoff auswerfen oder den Treibstoff schneller auswerfen .

In der Orbitalmechanik gibt es keinen Luftwiderstand, ja. Aber du bist immer noch der Schwerkraft unterworfen. Sie sind nicht schwerelos, Sie befinden sich im freien Fall, was bedeutet, dass Objekte und Personen im Raumschiff schwerelos erscheinen . In der Umlaufbahn zu sein bedeutet tatsächlich, so schnell seitwärts zu fallen, dass Sie den Boden verfehlen und herumschwingen.

Um Ihre Umlaufbahn zu ändern, müssen Sie Ihre Geschwindigkeit ändern. Dies wird Delta-v genannt (was wörtlich "Änderung der Geschwindigkeit" bedeutet).

Sie müssen die Geschwindigkeiten ziemlich drastisch ändern. Um vom Boden in eine erdnahe Umlaufbahn (LEO) zu gelangen, benötigen Sie allein ~ 9400 m / s Delta-V.

Also, zurück zu dem, was ich vorher gesagt habe, Sie können entweder mehr Treibstoff auswerfen oder es schneller auswerfen. In Ihrem Raumschiff ist der Treibstoffvorrat begrenzt. Daher ist die Maximierung der Geschwindigkeit, mit der Sie das Treibmittel auswerfen, der Schlüsselfaktor. Dies wird als Abgasgeschwindigkeit bezeichnet .

Sie können Wasser jedoch nicht auf beliebige Temperaturen kochen, sodass die Abgasgeschwindigkeit (die durch Expandieren des Abgases in einer De-Laval-Düse erreicht wird) immer noch begrenzt ist. Und selbst wenn Sie es auf beliebige Temperaturen kochen könnten, brauchen Sie immer noch Brennstoff, um es überhaupt zu kochen, was auch begrenzt ist.

Es stellt sich heraus, dass Sie eine Dampfrakete bauen können . aber es ist schrecklich ineffizient. Laut dieser Wikipedia-Site können Sie mit einer Dampfrakete einen Isp von 195 s erreichen - weit unter der modernen Hydrolox-Rakete, die einen Isp von mehr als 450 s erreicht (Isp und Abgasgeschwindigkeit sind eng miteinander verbunden, ve = Isp * g0).

Ihre Effizienz ist also schrecklich. Das bedeutet, dass Sie nur durch Erhöhen der Treibmittelmasse irgendwohin gelangen können. Das Konzept des "Massenanteils" ist für moderne Raketen eigentlich ziemlich wichtig. Um Ihnen ein Beispiel zu geben: Der externe STS-Tank bestand zu 96 % aus Kraftstoff und nur zu 4 % aus Struktur. Eine Getränkedose hat 94 % Soda und 6 % Struktur (nach Gewicht). Der ET enthielt also mehr Prozent Kraftstoff als eine Getränkedose. Moderne Raketen wie die Ariane V oder die kommende Ariane 6 haben sogar noch mehr Treibstoff.

Sie können leicht erkennen, dass es nicht wirklich möglich ist, den Kraftstoffanteil auf wundersame Weise erheblich zu verbessern (oder wir hätten es bereits getan, während wir immer noch effizientere Treibmittel verwenden).

Damit bleibt Ihnen die Verwendung von Dampfmaschinen für elektrische Systeme. Sie könnten - theoretisch - einen Kernreaktor verwenden, der Wasser kocht und dann Propeller dreht.

Aber das ist nicht so aufregend und steampunky wie es als Antrieb zu verwenden.

$F=ma$

Newtons erstes Gesetz (korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege). Zweiter Hauptsatz, für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Grundsätzlich müssen Sie, um sich vorwärts zu bewegen, viel von etwas bei niedriger Geschwindigkeit oder sehr wenig von etwas bei hoher Geschwindigkeit hinter sich herschieben.

Wenn wir gehen, wenden wir eine kleine Kraft, Beschleunigung, entgegengesetzt zu der Stelle an, an der wir gehen. Es fällt einfach nicht auf, weil die Erde sehr groß ist und wir sehr sehr klein sind.

Lass es uns herausfinden!

Im Weltraum nutzen Sie die Impulserhaltung, um sich anzutreiben. Im Grunde wirft man sehr schnell Masse nach hinten, um sich nach vorne zu pushen.

Die effizientesten Systeme verwenden sehr kleine Partikel mit sehr sehr hohen Geschwindigkeiten. Die einfacheren Systeme verwenden die Verbrennung, um heißes Gas zu erzeugen, das Druck erzeugt, der die Abgasgeschwindigkeit erzeugt.

Der Schub eines solchen Motors ist die Abgasgeschwindigkeit multipliziert mit der Abgasrate (wie viel Masse Sie senden * wie schnell Sie sie senden).

Wie viel Masse kann über die Größe des Auspuffs variabel sein, wie viele Motoren Sie haben ... konzentrieren wir uns also auf die Auspuffgeschwindigkeit:

Es ist bekannt, dass Dampfkessel von Lokomotiven bis zu 1.500 psi (10,34 MPa) oder etwa 100 atm halten können.

Leider habe ich keine Ahnung, wohin ich von hier aus gehen soll. Mein Verständnis von diesem Thema ist zu begrenzt, um die Berechnungen durchzuführen.

Ich fürchte, das wäre jedoch enttäuschend, da Methalox-Raketentriebwerke Abgasgeschwindigkeiten von 5000 m / s und mehr haben.

Ich vermute, dass hinter der Frage eine Steampunk-Motivation steckt.

In diesem Fall ist es hilfreich zu erkennen, dass das, was im 19. Jahrhundert als "Dampfkraft" bezeichnet wurde, eigentlich ein Codewort für Kohle war, die über eine Dampfturbine angetrieben wurde.

Während die erdgebundene Praxis mit Dampfmaschinen darin bestand, den Dampf abzulassen und unterwegs Wasser zu tanken, könnten Sie einige interne Funktionen eines Raumschiffs haben, das mit Kohle angetrieben wird und den Dampf nicht ablässt, sondern zu einem freigelegten Kühlbereich schickt der Kälte des Weltraums ausgesetzt und dann recycelt.

Dies wäre für Antriebszwecke nutzlos und würde viel Gewicht pro Energiedichte erfordern, und Sie würden wahrscheinlich die Partikelabgase der Kohleverbrennung in den leeren Raum ablassen wollen, aber es könnte Lebenserhaltungssysteme an Bord und die erzeugte Wärme betreiben durch den Motor könnte das Schiff auch erhitzen.

Für den Antrieb in die Umlaufbahn möchten Sie aus einer Steampunk-Perspektive des 19. Jahrhunderts vielleicht das Raumschiff mit kohlebetriebenen internen Systemen von einer riesigen Kanone a la Jules Verne oder einer Art riesigem Katapult oder einer Wasserstoffgasexplosion in einem starten lange Glasröhre, möglicherweise aus großer Höhe, die mit einem Ballon oder einem Luftschiff erreicht wird.

Um seine Insassen zur Erde zurückzubringen, könnte das Schiff wie eine einstufige Rakete in zwei Teile zerbrechen, die auseinander springen würden, vielleicht mit einer stark gewickelten Metallfeder, die freigegeben werden könnte, wenn es Zeit für den Wiedereintritt wäre. Weder die Startmethode noch die Rückholmethode würden so viel Schub liefern, daher müssten Sie Weltraumreisen auf eine erdnahe Umlaufbahn beschränken (und wenn die Landekapsel bei Aktivierung in die falsche Richtung gerichtet wäre, würden alle sterben, während wenn jemand nicht wäre in der Landekapsel, wenn sie aktiviert wurde, würde diese Person sterben, in jedem Fall im Weltraum, nachdem die lebenserhaltenden Vorräte schließlich aufgebraucht waren). Nach der Rückkehrfederoperation könnte ein Fallschirm im Apollo-Stil (oder noch besser ein Fallschirm, der einem riesigen viktorianischen Regenschirm nachempfunden ist) verwendet werden, um die Leute in der Landekapsel zu schützen.

Während Sie es nicht zum Mond schaffen konnten, geschweige denn irgendwo anders, könnten Sie eine supergroße Sicht auf die Welt (für Zwecke von Spionage bis Wettervorhersage) erhalten, ohne einen funktionierenden Flugzeugflügel haben zu müssen (etwas, das nicht entwickelt ist bis ins frühe 20. Jahrhundert von den Gebrüdern Wright), und Sie könnten auch aufsteigen und dann anderswo auf der Erde landen, um die Welt in wenigen Stunden zu umrunden, anstatt in Vernes 80 Tagen mit dem Ballon. Sie könnten den Aussichtspunkt des Weltraums auch für ein frühes Weltraumteleskop für Präzisionsastronomie nutzen, die damals von der Erde aus unmöglich war.

Solange Sie in dem starken, luftdichten Schiff blieben (vielleicht mit Blei ausgekleidet, um zu verhindern, dass kosmische Strahlen zu viel Schaden anrichten), wären Raumanzüge nicht erforderlich. Sie könnten in Mantel und Krawatte reisen.

Sie können eine Dampfmaschine verwenden, die von einer Wärmequelle mit sehr hoher Energiedichte erhitzt wird, um Dampf zu erzeugen, um Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben (solche Systeme sind hier auf der Erde als "Kernkraftwerke" bekannt). Führen Sie Ihren Dampf zurück in das System, sonst müssen Sie nach Kometeneis suchen, um Ihre Tanks wieder aufzufüllen. Verwenden Sie diese Elektrizität, um einen reinen Laser- / Mikrowellenantrieb anzutreiben, der kein zusätzliches Treibmittel benötigt (na ja, fast, Sie werden Masse verlieren, die von Photonen getragen wird, die das Geschäftsende Ihrer Rakete verlassen). Ihr Treibmittel ist das Licht, das sehr leicht ist, aber mit der maximal möglichen Geschwindigkeit davonfliegt, kann in dieser Realität nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit werden. Da Dampfmaschinen ziemlich ineffizient sind, Ein erheblicher Teil der Energie entweicht als Wärme und erwärmt das Schiff und wird schließlich davon abgestrahlt, was für oder gegen Ihren gewünschten Beschleunigungsvektor wirken kann (abhängig davon, welche Seite Ihres Schiffes sich stärker erwärmt). Möglicherweise müssen Sie eine große Reihe von Heizkörpern bauen, um diese Abwärme loszuwerden. Halten Sie sie aus Effizienzgründen auf derselben Seite Ihres Schiffes wie die Lasermaschine, damit die Infrarotphotonen aus der Abwärme auch Ihr Schiff beschleunigen. Beachten Sie, dass Sie mit dieser Einrichtung möglicherweise ein Generationsschiff benötigen, um von der Erdumlaufbahn in die Mondumlaufbahn zu gelangen. Halten Sie sie aus Effizienzgründen auf der gleichen Seite Ihres Schiffes wie die Lasermaschine, damit die Infrarotphotonen aus der Abwärme auch Ihr Schiff beschleunigen. Beachten Sie, dass Sie mit dieser Einrichtung möglicherweise ein Generationsschiff benötigen, um von der Erdumlaufbahn in die Mondumlaufbahn zu gelangen. Halten Sie sie aus Effizienzgründen auf der gleichen Seite Ihres Schiffes wie die Lasermaschine, damit die Infrarotphotonen aus der Abwärme auch Ihr Schiff beschleunigen. Beachten Sie, dass Sie mit dieser Einrichtung möglicherweise ein Generationsschiff benötigen, um von der Erdumlaufbahn in die Mondumlaufbahn zu gelangen.

ja du könntest

Aber das wäre nicht der beste Weg, die Frage ist, wie erhitzen Sie Ihre Flüssigkeit und wie genau möchten Sie prüfen, ob Sie Sonnenkollektoren verwenden und dann den Strom zum Erhitzen Ihrer Flüssigkeit verwenden würden, könnten Sie treiben Sie sich vorwärts, es funktioniert jedoch nicht auf einem "Generationsschiff", da Sie es nicht mechanisch "Propeller oder ähnliches" verwenden können und Ihre einzige Möglichkeit, die Energie zu nutzen, darin besteht, die Flüssigkeit in Gasform herauszuschleudern, Hexe würde nicht so lange dauern.

Es wäre auch ein unnötiger Zwischenschritt, da Sie den Strom direkt für Photonenmotoren oder noch einfachere Lichtmotoren verwenden könnten, die sehr langsam antreiben, aber in einer Umgebung, in der Sie im Grunde unendliche Energie haben und nichts Sie verlangsamen kann, können diese Motoren archivieren viel größere Geschwindigkeiten als Raketen oder ähnliches.

Ja, Sie können Dampf effektiv nutzen, denn jeder Dampf, der austritt, gefriert sofort. Dieses gefrorene Wasser kann in einer Vorrichtung wie einem soliden Fallschirm am Rücken gesammelt und dann immer wieder recycelt werden. Die Kernspaltung kann zum Erhitzen des Wassers genutzt werden, und da der Weltraum bereits superkalt ist, kann die notwendige Kühlwirkung für das Nukleargerät reguliert werden. Solarenergie kann für andere Dinge gespeichert werden. Auf diese Weise haben Sie einen billigen und endlosen Vorrat an Kraftstoff, mit dem Sie sich in jede Richtung bewegen können.