Was sind die Deal-Breaker bei einer Orbitalrakete mit vorgeheiztem Wasserstoffgastank?

Betrachten Sie diesen Gedankengang:

  1. Bei der Auswahl des Treibmittels für einen Reaktionsmotor ist eine niedrigere Atommasse besser, da die Ausrüstung weitgehend temperaturbegrenzt ist und leichteres Gas einen höheren spezifischen Impuls erhält
  2. Kernthermische Raketen schlagen den spezifischen Impuls für flüssigen Wasserstoff (mehr als zweimal), indem sie nur Wasserstoff verwenden, der der leichteste ist, auf den Sie jemals hoffen können
  3. Warum nicht einfach einen großen Bottich Wasserstoff verwenden?

Tatsächlich habe ich sogar von Vorschlägen gehört, die bodengestützte Laser verwenden würden, um Wasserstoff zu erhitzen, der als Reaktionsmasse der Rakete verwendet wird. Sowohl die Laserthermie als auch die Kernthermie verwenden eine einzigartige Form der Wärmezufuhr. Sie können nicht einfach den Boden von a öffnen H 2 Gasdrucktank und fliegen Sie ihn in den Orbit, weil Sie auch durch die thermische Geschwindigkeit der Moleküle begrenzt sind.

Aber das ist nicht sehr überzeugend. Warum können wir nicht einfach heizen? H 2 Gas auf die Temperatur bringen, die Sie von der nuklearen Thermalrakete bekommen hätten , dann das in einen Panzer / eine Rakete laden und in die Umlaufbahn schießen?

Sicher, Sie verlieren viel Schub, da die Erschöpfung des Tanks P und T reduziert. Und Sie haben viel strukturelle Masse von den (jetzt) ​​unter Druck stehenden Raketenverstärkern. Aber der Vorteil geht aus 18 amu der Reaktionsmasse zu 2 amu . Ich meine, es gibt gültige Fälle für Kernwärme, wo das das Gewicht eines ganzen Kernreaktors rechtfertigen würde . Schließlich ist der Hauptgrund, warum wir diese nicht verwenden , der Strahlungsphänomen.

Selbst in sehr phantasievollen Zusammenstellungen von Möchtegern-Raketentechnologien habe ich nie jemanden gesehen, der dieses Konzept berührt hat. Heißes Wasserstoffgas in einen Drucktank zu füllen, scheint einfach nicht so schwierig zu sein (okay, es gibt H-Verbitterung, aber es wird nicht lange dort bleiben). Und schließlich, wenn der Wasserstoff, den Sie in den Tank füllen, ähnliche Bedingungen hat wie der Austritt aus einer nuklearen thermischen Rakete, ist es nicht viel anders . Ich kann mir nur eine mögliche Sache vorstellen, die es töten könnte - nämlich die strukturelle Masse für die Druckbeaufschlagung. Sie könnten diese Berechnung durchführen, und ich würde darauf wetten, dass die Lebensfähigkeit erhalten bleibt.

Was hat diese Designlinie aus dem Diskurs in der klassischen Raketentechnik herausgehalten? Es ist wahrscheinlich eine lächerliche Idee, aber mit meinem Wissen kann ich es nicht ausschließen.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich die Frage ganz verstehe. Schlagen Sie vor, dass Sie am Boden Wasserstoff auf Temperaturen nahe der Fusion erhitzen? Dann das resultierende Plasma in eine Art Tank schieben, den Sie dann aus dem hinteren Ende eines Raketentriebwerks abfeuern?
@NicolBolas Keine Fusion, da die Temperatur von nuklearen Thermoraketen durch Materialien begrenzt ist. Dies liegt immer noch deutlich unter der Dissoziationstemperatur der HH-Bindung (glaube ich). Also, was auch immer diese Grenze ist, ja.
Flüssiger Wasserstoff hat bereits eine beunruhigend niedrige Dichte, was übermäßig schwere Tanks erfordert. Hochtemperatur-Wasserstoffdampf wird viel schlimmer sein. Und es würde erfordern, dass der Tank stark isoliert ist.

Antworten (3)

Ich habe es gefunden. Der Grund liegt im Gewicht des Druckbehälters. Da lag meine Intuition falsch.

Nehmen Sie einen langen zylindrischen Tank an. Das Gewicht des Tanks selbst ist wie folgt.

M t = 2 P v ρ σ

Die Masse des Gases im Tank ist die folgende wo m ist die Formelmasse.

P v = N R T = M g m R T

Kombinieren Sie diese beiden, um das Verhältnis des Gasgewichts zum Tankgewicht zu erhalten.

M g M p = m σ ρ 2 R T

Eine der besten Optionen für Strukturmaterial ist Kohlefaser. Der Festigkeits-Gewichts-Wert dafür ist:

σ ρ = 2457 k N − m k g

Wenn ich davon ausgehe, dass das Gas angehalten wird 1500 K , dann beschränkt das die Idee auf einen erbärmlichen spezifischen Impuls von 440 s . Dies ist nützlich für eine konservative Berechnung. Wenn das Massenverhältnis von Tank zu Gas für diesen Wert nicht gut ist, wird es niemals eine konkurrenzfähige Idee sein.

M g M p = ( 1 amu ) ( 2457 k N − m k g ) 2 R ( 1500 K ) = 0,2

Der Tank würde fünfmal so viel wiegen wie das darin gespeicherte Treibmittel. Dies ist mit den optimistischsten Annahmen. Dies schließt die Idee aus. Wir kommen zu dem Schluss, dass diese Idee im Grunde unmöglich ist, weil es unmöglich ist, ein Material leicht und stark genug zu machen, um es durchzuziehen.

Ich würde 440 nicht als erbärmlichen ISP bezeichnen, aber...
Möglicherweise stellen Sie fest, dass Ihre Kohlefaser auch bei 1500 Grad K nicht funktioniert.

Tatsächlich sind für Gase höhere Ordnungszahlen tatsächlich besser als niedrigere Ordnungszahlen. Dies ist der Hauptgrund, warum Xenon das Gas der Wahl für Ionenantriebe ist, es ist das massereichste elementare nicht radioaktive Gas, das es gibt. Der Grund für diese Logik fällt unter das Gesetz des idealen Gases, P v = n R T . Im Wesentlichen steigt mit steigender Temperatur auch der Druck. Mit steigender Ordnungszahl sinkt jedoch der Druck. Da der wichtigste Teil eines Raumfahrzeugs der Impuls ist und Impuls gleich Masse mal Geschwindigkeit ist, möchten Sie im Grunde die meiste Masse für Ihr Volumen. Flüssiger Wasserstoff kann jedoch viel dichter gespeichert werden.

Okay, für Ihre spezifische Idee, bei welchem ​​Druck müsste der Wasserstoff gespeichert werden, damit er funktioniert? Nun, die vorgeschlagene Temperatur für NTR-Raketen liegt bei etwa 3000 K. Nehmen wir an, Sie möchten auch eine ähnliche Dichte wie flüssiger Wasserstoff. Diese Dichte beträgt laut Google 70,85 kg/m³. Okay, also nehmen wir diese Zahlen und setzen sie in das ideale Gasgesetz ein, wobei wir von einem Volumen von 1 m³ ausgehen. Das ergibt insgesamt 35425 Mol Wasserstoff. Mit diesem Rechner würde das einen Druck von 9514 Atmosphären liefern, der bei 3000 K gehalten werden müsste. Ich kenne keine Substanz, die einen solchen Druck aushalten kann, der nicht eine Tonne wiegen würde.

Nehmen wir nur zum Spaß ein superdichtes Gas an, sagen wir, Schwefelhexafluorid . Ich werde die Tatsache ignorieren, dass dies aufgrund seines extrem hohen Treibhausgaspotenzials mit ziemlicher Sicherheit verboten werden würde. Seine Atommassenzahl ist 146, somit wäre die Anzahl der Mol pro 1 m³, wenn man die gleiche Masse wie Wasserstoff annimmt, 485,3. Wenn man es in denselben Rechner eingibt, beträgt der Druck 130 Atmosphären, was machbar ist, aber wahrscheinlich nicht bei so hohen Temperaturen.

Unter dem Strich ist die Speicherung von Substanzen mit hoher Temperatur und hohem Druck mit der heutigen Technologie so gut wie unmöglich. Vielleicht wird irgendwann in der Zukunft jemand einen besseren Weg finden, dies zu erreichen, aber im Moment würde ich mich nicht darauf verlassen.

Die Tanks müssten eine sehr geringe Nettodichte haben. Die Dichte von flüssigem Wasserstoff ist eindeutig nicht praktikabel, wie Sie gezeigt haben. Die geringe Dichte würde den Luftwiderstand erhöhen, aber das könnte durch Skalierung überwunden werden. Das könnte einen praktischen Einsatz noch ausschließen, obwohl es für Megaraketen möglich bleiben würde (ich habe noch nichts berechnet). Aber ich sehe schwerere Gase nicht als besser an, da die relevante Gleichung lautet 1 / 2 m v 2 = 2 / 3 k T , und v ist das Einzige, was für die Kinematik von Bedeutung ist.
Das ideale Gasgesetz ist bei einem Druck von 9514 Atmosphären nicht anwendbar.
Schwere Gase wie Xenon werden nur für nicht thermalisierte Motoren bevorzugt oder für solche, bei denen die Temperatur nicht wirklich begrenzt ist.

Diese Idee ging mir tatsächlich durch den Kopf, bis ich mir die Mühe machte, die Berechnungen durchzuführen. Materialien neigen dazu, bei höheren Temperaturen an Festigkeit zu verlieren, bis zu dem Punkt, an dem nur wenige Materialien über einigen hundert C auch nur entfernt nützlich sind. Daher würde jede Energie, die aus dem heißeren H2 gewonnen wird, durch die viel dickeren Wände und damit das Gewicht der Kraftstofftankwände verloren gehen . Das Konzept ist bei etwas, das der Raumtemperatur ähnelt, einigermaßen realisierbar, da dann die Energiedichte von H2 höher wäre, aber es gäbe Materialien, die die wahnsinnigen Drücke von über 1000 atm (immer noch viel dicker und schwerer als gewöhnlich) bewältigen können, die erforderlich sind, um eine anständige volumetrische Dichte zu erreichen. Das Konzept wäre realisierbar, wenn man eine massive Rakete baut, die das Quadratwürfelgesetz besser ausnutzt.

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