Verwenden realistische Raketensysteme unterschiedliche Substanzen für Treibmittel und Treibstoff?

In seiner Antwort auf die jährliche Frage von Edge.org, Progress in Rocketry , freut sich George Dyson über den Erfolg von Blue Origin und SpaceX bei der Landung ihrer Raketen, nachdem sie sie an der Kármán-Linie vorbeigeschoben hatten, und sagt dann weiter voraus, dass dies dazu beitragen wird, den Weg dorthin zu ebnen Raketen mit getrennten Stoffen als Treibmittel und als Treibstoff:

Es gibt keinen Grund, warum die Quelle der Reaktionsmasse (Treibstoff) dieselbe sein muss wie die Energiequelle (Treibstoff). Das Verbrennen einer nahezu explosiven Mischung von Chemikalien macht den Prozess von Natur aus gefährlich und setzt dem spezifischen Impuls (ISP), einem Maß dafür, wie viel Beschleunigung aus einer bestimmten Menge Treibmittel/Kraftstoff abgeleitet werden kann, eine strenge Grenze.

und

All die Fortschritte in der autonomen Steuerung, der Verbrennungstechnik und der computergestützten Strömungsdynamik, die es diesen beiden Raketen ermöglichten, nach nur einer Handvoll Versuchen einen kontrollierten Abstieg zu vollziehen, sind genau das, was benötigt wird, um eine neue Generation von Trägerraketen zu entwickeln, die die chemische Verbrennung verlassen hinter sich, um auf einem gepulsten Energiestrahl aufzusteigen.

Abgesehen davon, ob und inwieweit die Ergebnisse von Blue Origin und SpaceX uns in diese Richtung bringen, werden solche Raketen überhaupt als realistische Möglichkeit in der zugänglichen Zukunft in Betracht gezogen? Abgesehen von der Kerbal-Strahlkraft , gibt es eine Möglichkeit für eine Rakete, von der Oberfläche in die Erdumlaufbahn zu steigen, ohne die Energiequelle, die sie dorthin bringt, physisch zu tragen? Oder wovon redet Dyson?

Kraftstoff und Treibmittel trennen oder die Energiequelle nicht mitführen? Bitte klären Sie.
Beides, wirklich. Zwei Charaktere.
Fügen Sie "LASER Launcher" hinzu. Die Reaktionsmasse wird erhitzt und mit einer Energiequelle durch bodengestützte LASER (oder MASER) ausgestoßen. Wird in VIELEN SciFi-Geschichten verwendet und es gibt einige reale Forschungen dazu. Es werden große LASER und enge Strahlen und eine angemessene Strahlsteuerung benötigt. Das Fehlen von Wolken hilft.
Ich denke, Dyson hatte die Idee von dem vorgeschlagenen nuklearen Orion-Raumschiff (er hat ein ziemlich gutes Buch darüber geschrieben), das von Atombomben befeuert und von dem Material angetrieben worden wäre, das durch die Detonation derselben in Plasma umgewandelt wurde. Atombomben sind derzeit keine Option, also sucht er nach einer anderen Energiequelle.
Eines der frühesten Beispiele, bei denen es einen Nicht-Kraftstoff-Treibstoff gab, ist der deutsche V2. Es wurde eine Zugabe von Wasser zum Kraftstoff verwendet, da der Kraftstoff überschüssige Wärme erzeugen würde, die von den Düsen nicht nachhaltig ist und verschwendet wird, da nicht genügend Verbrennungsprodukte vorhanden sind, um bei dieser Energie maximalen Schub zu erzeugen. Die Zugabe von Wasser reduzierte sowohl die Temperatur als auch den Schub.

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Die Kraft auf die Rakete zu beamen, insbesondere wenn eine hohe Beschleunigung erforderlich ist, ist nicht das, was ich in naher Zukunft erwarten werde. Die Trennung der Energiequelle vom Treibmittel ist jedoch die Idee hinter der nuklearen Thermalrakete . Hier kommt die Energie aus einem Reaktor, und Sie können freier bei leistungsstärkeren Treibmitteln wählen. Da ein NTR durch die Temperatur begrenzt ist, bei der der Reaktor zu schmelzen beginnt, möchten Sie ein Abgas mit niedriger Molekülmasse, am häufigsten Wasserstoff. Funktionierende Prototypen werden gebaut. Eine separate Energiequelle ist auch die Idee hinter einem Ionentriebwerk , bei dem ein hoher Wirkungsgrad durch Beschleunigung des Treibmittels (häufig Xenon) mit elektrischer Energie erreicht wird. Das ist die Technologie, die von der laufenden Dawn-Mission verwendet wird.

Ionen-Triebwerk

Aber auch bei chemischen Raketen ist dies tatsächlich möglich. In seinem Buch !Ignition erzählt John D. Clarke die Geschichte darüber, wie Quecksilber ernsthaft als Teil des Treibstoffs in Betracht gezogen wurde, um den Dichteimpuls einer Rakete zu erhöhen, wobei ISP gegen Delta-V eingetauscht wurde. Das wird erreicht, weil Sie dann mehr Treibstoff in die gleichen Tanks füllen können. Delta-v wird dann berechnet durch:

Δ v = l n ( m 0 + v ∗ ρ m 0 ) v e

wo m 0 ist die Trockenmasse der Rakete, v ist Tankvolumen, ρ Treibmitteldichte ist und v e ist die Abgasgeschwindigkeit.

Ein Sonnensegel trägt weder die Energiequelle noch Treibmittel. Beachten Sie, dass Sie auch einen Laser auf das Segel richten können, um den Schub zu erhöhen.

Das Erhitzen von Treibstoff mit einem externen Laser kann auch ein praktikables Konzept sein, da Sie dann die gleiche Effizienz wie ein NTR haben können, aber keinen schweren Reaktor herumtragen müssen. Mehrere Konzepte dazu finden Sie hier . Die Temperatur des Abgases wird dann auch nicht mehr durch den Schmelzpunkt der Brennelemente in einem Kernreaktor begrenzt.

Eine chemische Rakete ist eigentlich nur ein Sonderfall, bei dem der Treibstoff und das Treibmittel zufällig dasselbe sind. Bei einem Düsentriebwerk beispielsweise ist der mitgeführte Treibstoff die Hälfte der Energiequelle, und der Oxidator wird aus der Luft gesammelt. Die durch den Motor strömende Luft ist auch das verwendete Treibmittel.

Kevin Parkin war der leitende Forscher in Microwave Thermal Thrusters , was seine Doktorarbeit am CalTech war. Er arbeitet weiter an der Technologie. Aus einem Interview mit NextBigFuture :

Das Gyrotron soll im April 2012 an uns geliefert werden. Wir hoffen, bis 2018 eine Demonstration im Submaßstab zu haben und die suborbitale Leistungsfähigkeit innerhalb eines Jahrzehnts zu beweisen. Innerhalb von zwei Jahrzehnten sollten wir eine echte Orbitalkapazität von einer Stufe zum Orbit haben. Wenn wir eine höhere Finanzierung hätten, könnten wir diese Zeitrahmen natürlich erheblich verkürzen.

Die Gyrotrons erzeugen die Mikrowellen, die auf einen Wärmetauscher an der Rakete treffen, der flüssigen Wasserstoff erhitzt, der die Rakete antreibt. Es ist schon eine Weile her, dass ich mir seine Arbeit angesehen habe, aber wenn ich mich richtig erinnere, ist der Wärmetauscher das größte Problem. Es muss sehr hohen Temperaturen standhalten und Wärme effizient an das Treibmittel weitergeben.

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Parkin war zeitweise stellvertretender Direktor des Ames Research Center, daher ist er in der Branche hoch angesehen. Im Jahr 2012 wurde das Millimeterwellen-Thermalstartsystem- Programm bei Ames gemeinsam von der NASA und DARPA auf der Grundlage von Parkins Arbeit ins Leben gerufen.

Das sieht zunächst unpraktisch aus. Ich würde sagen, das größte Problem war nicht der Austauscher, sondern das Fokussieren von Mikrowellen auf ein so weit entferntes kleines Ziel (übrigens, daher die Notwendigkeit eines großen Austauschers). Wenn Sie jedoch sehen, dass er über Starts spricht, sehen Sie, dass Potenzial dazu besteht Erhöhen Sie den spezifischen Impuls (obwohl dies für kleine Raketen sein müsste, die häufig gestartet werden, da die Leistung enorm ist.) Es könnte Anwendungen bei der Stationshaltung für Satelliten im erdnahen Orbit haben, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Aber ich würde gerne eine praktische Mikrowellenwaffe sehen, bevor ich davon als Energiequelle für Raumfahrzeuge überzeugt bin.
@steveverrill - das ist eine Mikrowellenwaffe. Die NASA ist nur eine Leitung, und dieses Zeug wird einfach zivil finanziert, hat aber einen doppelten Verwendungszweck.
@DeerHunter haha, das erklärt, warum die NASA es finanziert, O_O. Im Ernst, 800 W aus nächster Nähe reichen aus, um einen Mann zu verletzen, wenn Sie alles aufs Ziel bringen. Zeigen Sie mir eine Waffe mit 1 kW Leistung (ich gebe Ihnen einen Zuschlag von 80 % Effizienz), die einen 2 m großen Mann in 1 km Entfernung leicht stören kann, indem sie ihn auf 60 ° C erhitzt, und dann reden wir darüber, ein 20 m langes Raumschiff in 20 km Entfernung anzutreiben durch Erhitzen auf 2000 °C.
@steveverrill - du weißt, dass es Radargeräte gibt , oder? Und das ist noch nicht einmal der stärkste.
@DeerHunter Sicher, Sie können mich mit Ihrem Radar erkennen, aber können Sie mich damit in 1 km Entfernung verbrennen? Ist Ihr Strahl fokussiert genug? Es ist eher eine Herausforderung, dies mit 1 kW als mit 1 MW zu tun. Aber ich wette, selbst mit 1 MW haben Sie Schwierigkeiten, etwas zu bauen, das mich in 1 km Entfernung verbrennen kann. Wie viel der Stromversorgung des Landes werden wir bei diesen Wirkungsgraden benötigen, um unseren kleinen Kommunikationssatelliten in die Luft zu bringen?

Kurze Antwort: Ja, es gibt eine existierende Rakete mit separatem Treibstoff und Reaktionsmasse. Wie bereits erwähnt, verwendet die NASA-Raumsonde DAWN Sonnenphotonen als Treibstoff und Xenongas als Reaktionsmasse.

Lange Antwort: Fast alle Raketentriebwerke haben getrennte Treibstoff- und Reaktionsmassen. Chemische Raketen, wie sie von NASA, SpaceX und Roscosmos verwendet werden, sind die seltene Ausnahme.

Der Raketenantrieb verwendet Newtons drittes Gesetz , das Gesetz von Aktion und Reaktion. Die Reaktionsmasse wird mit hoher Geschwindigkeit aus der Raketendüse geschleudert. Dies ist die Aktion. Die Reaktion davon treibt das Raumfahrzeug vorwärts.

Es braucht Energie, um die Reaktionsmasse mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse zu schleudern. Dieses wird aus dem Treibstoff der Rakete gewonnen.

  • CHEMIEMOTOR: Brennstoff: chemischer Brennstoff und Oxidationsmittel, rmass: Nebenprodukte chemischer Reaktionen
  • SOLID CORE NUCLEAR THERMAL ROCKET (NERVA): Brennstoff: Uran 235 im Reaktor, rmass: flüssiger Wasserstoff
  • SOLARELEKTRISCHER IONENANTRIEB : Brennstoff: Sonnenenergie, rmass: typischerweise Xenongas
  • KERNELEKTRISCHER IONENANTRIEB : Brennstoff: Uran 235 im Reaktor, rmass: typischerweise Xenongas
  • MAGNETISCH EINGESCHLOSSENE FUSION: Brennstoff: typischerweise Deuterium und Tritium, rmass: manchmal die Nebenprodukte der Reaktion, manchmal eingespritzter flüssiger Wasserstoff
  • ORION NUCLEAR PULSE: Brennstoff: waffenfähiges Plutonium in jeder Pulseinheit, rmass: Wolframschicht, die verdampft und von der nuklearen Hohlladung auf die Schubplatte gerichtet wird
  • GASKERN- ANTIMATTERIE: Brennstoff: Antiprotonen, Rückmasse: typischerweise Wasser
  • LASERSTART: Brennstoff: was auch immer am anderen Ende des Stromnetzes ist (Kohlekraftwerk, Reaktor, Wasserkraftwerk, Windpark usw.), rmass: atmosphärisches Gas oder eine Platte aus festem Treibstoff, die an der Rückseite der Rakete befestigt ist
Verwenden realistische Raketensysteme unterschiedliche Substanzen für Treibmittel und Treibstoff?
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