Verbesserungen bei chemischen Brennstoffen

Das Überschreiten des spezifischen Impulses (dh der Masseneffizienz) eines elektrischen oder nuklearen Antriebs ist bei einem chemischen Antrieb unwahrscheinlich.

Praktische chemische Raketen erreichen eine Höchstleistung von etwa 460 Sekunden Isp , mit exotischen, aber unpraktischen Treibmitteln, die bis in die 500er reichen .

Kernthermische Raketen (die die Hitze einer kontrollierten Spaltungsreaktion nutzen, um Wasserstoff oder andere Treibstoffe zu beschleunigen) sollten mehr als 800 Sekunden Isp liefern. Solche Triebwerke wurden entwickelt ( NERVA , RD-0410 ), aber nie geflogen.

Elektrische Triebwerke ( Hall-Effekt , Ionen , VASIMR usw.) erzeugen Isp im Bereich von 2000 bis 5000 Sekunden.

Beim Wettbewerb um Schub statt um spezifischen Impuls sind die Rangordnungen natürlich umgekehrt; Elektrische Triebwerke haben extrem niedrige Schub-Masse-Verhältnisse und chemische Treibmittel sehr hohe Verhältnisse, wobei NTR dazwischen liegt.

Ehrlich gesagt ist die Effizienz von chemischen Raketen, die wir heute verwenden, für praktische Treibstoffkombinationen fast ausgereizt. Außerdem werden chemische Raketentriebwerke höchstwahrscheinlich nie die Effizienzwerte von elektrischen und nuklearen Antriebssystemen erreichen (die Umwandlung der Antriebsenergie ist grundlegend anders). Wenn Sie jedoch eine beträchtliche Menge an Schub benötigen, dominiert das Verhältnis von Schub zu Gewicht chemischer Antriebssysteme das Spielfeld.

Der Verbrennungsprozess, der heute in allen Raketen/Gasturbinen verwendet wird, wird Deflagration genannt, was eine relativ langsame Freisetzung von Wärme und ein Verbrennungsprozess mit konstantem Druck ist. Das einzige, was getan werden kann, um die zu erhöhen$I_{sp}$für chemische Antriebssysteme (und wird derzeit untersucht) wird der Kraftstoff zur Detonation gebracht, was ein Verbrennungsprozess mit Druckverstärkung ist. Detonationsbasierte Antriebssysteme gibt es in zwei Varianten (zumindest auf Forschungs- und Versuchsebene). Die erste heißt Pulsed Detonation Engine (PDE), die seit Anfang der 90er Jahre viel Aufmerksamkeit erfährt. Das zweite ist das rotierende Detonationstriebwerk (RDE), das in der aktuellen Luft- und Raumfahrtforschung stark aktiv ist.

Hier ist ein Diagramm aus einer analytischen Studie (Morris, CI, „Numerical Modeling of Single-Pulse Gasdynamics and Performance of Pulse Detonation Rocket Engines“, Journal of Propulsion and Power, Bd. 21, Nr. 3, 2005, S. 527- 538.), in dem die idealisierte Leistung eines Einzelzyklus-Pulsdetonationsraketentriebwerks im Vergleich zum herkömmlichen Steady-State-Raketentriebwerk (SSRE) für Knallgasbrennstoff beschrieben wird. Beachten Sie, dass das Abblasdruckverhältnis nicht unendlich (dh ein Vakuum) geht, so dass ein Vergleich mit der Leistung des Vakuumniveaus nicht berichtet wird, jedoch ist das idealisierte PDRE über den gesamten Betriebsbereich des Abblasdruckverhältnisses effizienter als das herkömmliche Raketentriebwerk. Zugegeben, dies ist alles eine idealisierte Leistung, und die Nutzung der Energie der Detonationswelle für Schubanwendungen ist im Allgemeinen sehr herausfordernd. Hier sind einigeVersuche im Laborsetting auf akademischem Niveau. Diese Tests auf akademischer Ebene werden von Doktoranden durchgeführt, es gibt jedoch anspruchsvollere Operationen, die in Einrichtungen wie dem Air Force Research Laboratory nicht Open Source sind.

Das RDE ist ein ausgeklügelteres Konzept für einen auf Klopfen basierenden Motor. Es ist praktischer in der Anwendung als das PDE, aufgrund seines Nicht-Puls-Betriebs. Hier ist ein Schema der Funktionsweise des RDE.

Die RDE wird an vielen Universitäten und Industrieunternehmen aktiv erforscht (Aerojet/Rocketdyne und die Aerospace Corporation, um nur einige zu nennen). Das vorrangige Ziel (wirtschaftlich überzeugend für die Förderung) ist derzeit die Integration der PDE/RDE in Gasturbinentriebwerke der nächsten Generation. Die Raketenanwendung bleibt jedoch angesichts der ausgereiften Technologie weit offen. Hier sind einige Videos von RDE-Tests an verschiedenen Universitäten:

1.) Universität von Texas in Arlington
2.) Purdue University
3.) Universität von Cincinnati