Новое топливо для космоса

Теги:космос
 
1 2 3 4 5 6 7

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★
Wyvern-2
вы, что же хотите ядерные реакции, имеющие на порядки большую энергию, чем химические, заменить...даже не химической(sik!) реакцией, а просто термоаккумулятором????
 


Ну в принципе можно. У ядерных реакций хоть энергия и на порядки больше, но выделяется она в реакторе относительно медленно. Если небольшую энергию теплоаккумулятора можно быстро использовать и его выкинуть - то почему бы и нет? Будет ли толк от графитового накопителя - пока сильно неочевидно.

RSR13
А в камере она не предполагается равной Т графита , а посчитана пропорционально теплоемкостям водорода и графита , их количеству в смеси и выделению скрытой теплоты плавления графита.
 


А как именно посчитана? Можно вашу формулку?

Температура плазмы в плазмотроне высокого давления 50000 К , а кожух плазмотрона медный.
 


Пример эффектный, но... обычно всё сложней получается. Важны и температура, и температуропроводность, и тепловая инерция, и много чего еще. Вопрос, в какую массу выльется теплозащита.
 
+
-
edit
 

avmich

координатор

Состав истекающих газов тоже хотелось бы знать.
 

RSR13

втянувшийся
avmich>Непонятно, как влияет 70% графита на УИ. Практически, получается, что на ракету ставится большой запас тепла, этим теплом греется водород. Та же идея, что с ЯРДом, только в ЯРДе нагрев за счёт распада, а здесь - за счёт запасённого тепла. Надо сравнивать плотности энергии... с учётом существенных вспомогательных масс.
avmich>Так что с температурой на срезе сопла?[»]

Совершенно верно :) Получается паровоз ! Только без атомного реактора :)
А графит не обязательно дорогой брать , можно его из углеводородов обугливать , затем дугой испарять и под давлением осаживать на порошок такого же графита или углерода. Смесь фаз - переохлажденный пар растворенный в жидком углероде и частично твердая фаза , по теплоемкости даже лучше высокосортного плавленного графита , из за высочайшей теплоты испарения.

Осаживая такой пар при 120 Атм. на порошок в углеволоконной оболочке , можно добиться расплавления всего порошка и части оболочки до заданной толщины , затем надо отсоединить источник пара и пока углеволоконный корпус не расплавился - взлетать. Из за очень низкой теплопроводности угольного волокна и высокой теплоты парообразования , удерживать расплав можно несколько минут.

Считая температуру на срезе сопла равной комнатной , получим при давлении в КС 120 атм. давление на срезе сопла 60 па. Т.е. вышеуказанный импульс возможен лишь в ваккууме при полном расширении.
В реале , на земле получится что-то около 6 км/с. Но если увеличить долю пара растворенного в перегретом углероде , то энергозапас можно поднять. При этом уменьшится плотность топлива .


Энергозапас минимальный , по экспериментальным (!) данным , сразу за точкой плавления 20,5 Мдж/кг графита. Если нагреть до 4200-4500 частично растворив пар углерода , то энергозапас получится на уровне 25-27 Мдж/кг. Естественно водород уменьшает общий энергозапас , но зато снижает молекулярный вес продуктов . См. предыдущий расчет , там как раз это и отражено.



 

RSR13

втянувшийся
avmich>Состав истекающих газов тоже хотелось бы знать.[»]

Графит в виде сублимированных частичек + водород в виде молекул , очень мало диссоциированных , метана естественно не получится :)
 
+
-
edit
 

avmich

координатор

RSR13, можно узнать, какая температура на срезе сопла реально получается? И сколько графита тратится на единицу массы водорода?

Вы не на те вопросы отвечаете.
 

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★
RSR13
Краткий расчет приведен в моем посте чуть выше .
 


Простите, не обнаружил. Нашёл только "пропорцию для определения температуры смешения компонентов". Но! Это соотношение для устаканившегося, стационарного, равновесного состояния. А кто вам пообещал, что процесс теплораспределения будет равновесным? Могу вам гарантировать, что он таким не будет. Значит, нужна гораздо более сложная, динамическая формулка.
 
RU вантох #28.10.2004 20:26
+
-
edit
 

вантох

опытный

RSR13
"Графит в виде сублимированных частичек + водород в виде молекул"

При 4000К это будет уже атомарный водород, и в сопле ведь быстро остывает, будут все мыслимые продукты на выхлопе. А при старте с Земли выхлоп горячего водорода с графитом в кислородную атмосферу кээк!!!
Надо кислородом из бака продукты дожигать, нечего их зря выбрасывать.
Это просто в нынешних условиях такие методы не применяются, но вообще они есть.  
RU Георг #28.10.2004 23:21
+
-
edit
 

Георг

новичок
А почему нельзя использовать хим. ракету с внешним подогревом истекающего вещства от некого наземного источника энергии?

Ядерный реактор поставить на Земле, а от него на борт ракеты, а лучше прямо в двигатель передавать энергию в виде СВЧ излучения или лазерного луча?

И летите тогда на чём хотите. Температуру можно будет поднять до таких значений, что все продукты сгорания распадутся на атомы.
 
RU Dem_anywhere #28.10.2004 23:40
+
-
edit
 

Dem_anywhere

аксакал

Fakir>Ну в принципе можно. У ядерных реакций хоть энергия и на порядки больше, но выделяется она в реакторе относительно медленно.
Выделяется она с произвольной скоростью :) А вот её перенос из реактора в рабочее тело - это да...
Вот если использовать газофазный реактор с непосредственным выбросом - круто получится. Но грязно...
 

RSR13

втянувшийся
Fakir>RSR13
Fakir>
Краткий расчет приведен в моем посте чуть выше .
 

Fakir> Простите, не обнаружил. Нашёл только "пропорцию для определения температуры смешения компонентов". Но! Это соотношение для устаканившегося, стационарного, равновесного состояния. А кто вам пообещал, что процесс теплораспределения будет равновесным? Могу вам гарантировать, что он таким не будет. Значит, нужна гораздо более сложная, динамическая формулка.[»]

Согласен ,
насчет более сложной формулки подумаю :)) Этот расчет был лишь оценочный.


 
+
-
edit
 

RSR13

втянувшийся
Георг>А почему нельзя использовать хим. ракету с внешним подогревом истекающего вещства от некого наземного источника энергии?
Георг>Ядерный реактор поставить на Земле, а от него на борт ракеты, а лучше прямо в двигатель передавать энергию в виде СВЧ излучения или лазерного луча?
Георг>И летите тогда на чём хотите. Температуру можно будет поднять до таких значений, что все продукты сгорания распадутся на атомы.[»]

Это ценная мысль :)
Только КПД лазера мал , а СВЧ генераторы - сожгут при такой мощности всю электронику в округе , отраженным от приемной антенны сигналом.
Недавно появился еще один вариант - передача энергии по одному тонкому проводу , с помощью трансформатора Н.Тесла и диодной вилки Авраменко.
Джоулевых потерь в таком процессе нет , а плотность мощности передаваемой по тончайшей нити - огромна. Вместо провода допустим ионизированный лазером канал.

Насчет грязного газофазного реактора с выбросом радиоактивного рабочего тела , может быть только один вариант.
Химический РД разгоняет ракету вертикально до 4Х км\с , ракета поднимается на высоту 1000 км , поворачивается так , чтобы выхлоп газофазного РД был по касательной к земному шару , а скорость выхлопа превышала 2ю космическую.
Тогда радиоактивный выхлоп покинет пределы планеты никому не навредив , а ракета ускорится до любой необходимой скорости.
Такой способ годится для кораблей очень большой массы :)
 
RU RSR13 #29.10.2004 00:44  @вантох#28.10.2004 20:26
+
-
edit
 

RSR13

втянувшийся
вантох>RSR13
вантох>"Графит в виде сублимированных частичек + водород в виде молекул"
вантох>При 4000К это будет уже атомарный водород, и в сопле ведь быстро остывает, будут все мыслимые продукты на выхлопе. А при старте с Земли выхлоп горячего водорода с графитом в кислородную атмосферу кээк!!!
вантох>Надо кислородом из бака продукты дожигать, нечего их зря выбрасывать.[»]


Лучше и проще дожигать кислородом воздуха из атмосферы в ракетной прямоточке до скорости ракеты 2-3 км/с.
 

RSR13

втянувшийся
avmich>RSR13, можно узнать, какая температура на срезе сопла реально получается? И сколько графита тратится на единицу массы водорода?
avmich>Вы не на те вопросы отвечаете.[»]

Температура на срезе сопла зависит от степени расширения сопла. Какую степень расширения сделаете , такую температуру и получите , это вопрос геометрии и длины сопла. Расчетно конструкторская работа.
На 30 массовых частей водорода , тратится 70 массовых частей графита.
 
RU вантох #29.10.2004 01:01
+
-
edit
 

вантох

опытный

RSR13
"Лучше и проще дожигать кислородом воздуха из атмосферы в ракетной прямоточке до скорости ракеты 2-3 км/с."
При заданных скоростях истечения продуктов(и гораздо меньших) прямоточка уже не работает (изначально, даже на старте), и в космосе тоже стоит использовать энергию дожигания.
Это просто в нынешних условиях такие методы не применяются, но вообще они есть.  
+
-
edit
 

avmich

координатор

RSR13, даже на обычном, скажем, RL-10 можно сделать сопло такого расширения, что из него будет вылетать чуть тёплый пар. Только масса такого сопла будет такая, что никакой замечательный УИ не спасёт - аппарат будет плохо разгоняться. Поэтому и спрашиваю температуру для того УИ, который Вы посчитали.

Непонятно, правда, как Вы его посчитали, если у вас графита по массе 70%. У вас какая средняя молекулярная масса продуктов сгорания получается?
 

RSR13

втянувшийся
avmich>RSR13, даже на обычном, скажем, RL-10 можно сделать сопло такого расширения, что из него будет вылетать чуть тёплый пар. Только масса такого сопла будет такая, что никакой замечательный УИ не спасёт - аппарат будет плохо разгоняться. Поэтому и спрашиваю температуру для того УИ, который Вы посчитали.
avmich>Непонятно, правда, как Вы его посчитали, если у вас графита по массе 70%. У вас какая средняя молекулярная масса продуктов сгорания получается?[»]
avmich>RSR13, даже на обычном, скажем, RL-10 можно сделать сопло такого расширения, что из него будет вылетать чуть тёплый пар. Только масса такого сопла будет такая, что никакой замечательный УИ не спасёт - аппарат будет плохо разгоняться. Поэтому и спрашиваю температуру для того УИ, который Вы посчитали.
avmich>Непонятно, правда, как Вы его посчитали, если у вас графита по массе 70%. У вас какая средняя молекулярная масса продуктов сгорания получается?[»]

Расчет УИ именно на неудобоваримое сопло огромной массы :) Это же предельно возможный импульс. Реальный импульс будет меньше .
Здесь многое зависит от того , как используются продукты графит и водород.
В атмосфере возможно сопло с эжекцией воздуха и дожиганием .
Для вакуума , надо подобрать оптимальное отношение вес-тяга УИ.

Задайте степень расширения в сопле и я приблизительно посчитаю УИ.
Средняя молекулярная масса получается 0.7*12+0.3*2=9 считая , что графит и водород не образуют соединений.




 
RU Андрей Суворов #29.10.2004 08:05
+
-
edit
 

Андрей Суворов

координатор

RSR13> Средняя молекулярная масса получается 0.7*12+0.3*2=9 считая , что графит и водород не образуют соединений.

А! вот тут-то и порылась та самая собака! ;)

Все расчёты можно выкинуть!

Графит в сопле сколько-нибудь приличного расширения сконденсируется нафиг. И средний молекулярный вес продуктов будет много больше. Потому что, например, там будут фуллерены в заметных количествах.

Т.е. ситуация будет даже хуже, чем в РДТТ, где летит твёрдый Al2O3

 
+
-
edit
 

Serge77

модератор

А.С.>Графит в сопле сколько-нибудь приличного расширения сконденсируется нафиг.

Он конденсируется ещё в двигателе, т.е. при смешивании жидкого графита и жидкого водорода получаем твёрдый графит (пыль) и газообразный водород, которые потом истекают из сопла.

А.С.> И средний молекулярный вес продуктов будет много больше. Потому что, например, там будут фуллерены в заметных количествах.

По-моему для РД понятие "средний молекулярный вес" имеет смысл для газообразных продуктов, ведь твёрдые вещества не участвуют в создании давления.

RSR13> Средняя молекулярная масса получается 0.7*12+0.3*2=9 считая , что графит и водород не образуют соединений.

... и считая, что углерод ГАЗООБРАЗНЫЙ и атомарный. А раз углерод уже в твёрдой фазе, то этот расчёт просто не имеет смысла.

Что касается молекулярного веса твёрдого углерода, то это вообще сложный вопрос. Кусок графита любого размера можно считать одной молекулой, потому что в кристаллической решётке все атомы связаны друг с другом. Потому графит и плавится так высоко, по сути при плавлении разрушаются не межмолекулярные связи, а химические связи между атомами.

+
-
edit
 

Serge77

модератор

Мне кажется, я нашёл ошибку в расчётах RSR13. Просьба специалистам по РД проверить мои мысли.

Итак, расчёт RSR13 приведен здесь:

Форумы Авиабазы

RSR13>А вот что получилось для пары 70% графит + 30% водород.
RSR13>Максимальная скорость истечения в вакууме равна
RSR13> V=корень(2Cp*T) (1)

Вот эта формула меня сильно беспокоит. Наверное она верна для ГАЗОВ ? Наверное для ЖИДКОГО или тем более ТВЁРДОГО графита она не подходит, ведь он не будет никуда истекать ?

А весь расчёт основан на том, что и графит истекает:

RSR13>Составим пропорцию средней теплоемкости смеси графита с водородом.
RSR13>Сp=0.3*14580+0.7*3200=6614дж.кг.К
RSR13>По формуле 1 , скорость истечения в вакуум составит
RSR13> корень из 2*3751*6614=7044 м\с

Правильно ли это?

А если нет, то как правильно посчитать удельный импульс? Если в камере двигателя, как считает RSR13, образуется смесь твердых частичек графита и газообразного водорода, нагретых до 3751.2 K, то какая будет скорость истечения?
RU Андрей Суворов #29.10.2004 10:44
+
-
edit
 

Андрей Суворов

координатор

RSR13>> V=корень(2Cp*T) (1)
Serge77>Вот эта формула меня сильно беспокоит. Наверное она верна для ГАЗОВ ? Наверное для ЖИДКОГО или тем более ТВЁРДОГО графита она не подходит, ведь он не будет никуда истекать ?
Serge77>А весь расчёт основан на том, что и графит истекает:

Совершенно верно - при расширении газов в сопле температура их падает одинаково для всех составов. Твёрдые частички не будут отдавать энергию, кроме как излучением, поэтому их температура окажется заморожена на 3700К (или сколько там в расчёте?)

Именно поэтому добавка алюминия в РДТТ сильно лимитирована.

Но это только половина апельсина. При конденсации атомарного углерода образуются агрегаты типа С6, С8, С10, и им подобные. Они летучи при температурах порядка 2000 кельвинов, и образуют псевдогаз, который участвует в расширении, но повышает среднюю молекулярную массу продуктов истечения до ~100

Вот если бы окислить углерод до СО... Но водород до Н2О окислится первым...
 
RU вантох #29.10.2004 12:12
+
-
edit
 

вантох

опытный

Андрей Суворов
А подавать в графит избыток кислорода с водородом, чтобы на окисление всего хватило. Или даже просто воду лить - по сути получается угольный газогенератор - на выходе из воды синтез-газ как раз СО плюс Н2. Другое дело насколько это выгодно( хотя с кислородом и водородом будет получше керосина).
Это просто в нынешних условиях такие методы не применяются, но вообще они есть.  
+
-
edit
 

Serge77

модератор

А.С.> При конденсации атомарного углерода образуются агрегаты типа С6, С8, С10, и им подобные.

Так у нас же нет газообразного углерода, изначально графит жидкий, а значит при смешивании с водородом и охлаждении получатся чуть ли не куски графита. Может они и из сопла вылетать не будут, но это сейчас можно не рассматривать, это технические подробности. Главное, что никаких псевдогазообразных агрегатов углерода не будет.
+
-
edit
 

Serge77

модератор

Попробовал правильно (как мне кажется) посчитать в PROPEP.

Для этого в данных по теплоте образования графита учёл теплоту плавления (её нужно вводить в Кал/г):

Теплота плавления графита 10,5 Мдж/кг = 10,5 / 4,19 МКал/кг = 2,506 МКал/кг = 2506 Кал/г.
Плотность взял как у твёрдого, здесь ошибка наверное небольшая, да и на расчёт УИ это не влияет.

Для жидкого водорода в PROPEP теплота образования минус 1068 Кал/г, т.е. учтена теплота испарения жидкости. Этой величины в своих расчётах RSR13 не учитывает. Или предполагается использование газообразного водорода?

Задал исходную температуру 4200К. Трудно сказать, считает ли программа, что и жидкий водород тоже будет иметь такую температуру, но уж графит - точно. Во всяком случае, даже если и водород считается при такой температуре,то УИ это завысит, а не занизит.

Вот что получилось:




Истечение в атмосферу.


code text
  1. AP-R45            Run using June 1988 Version of PEP,
  2.  Case  1 of  1     29 Oct 2004 at  9:52:38.32 am
  3.  
  4.   CODE                                   WEIGHT    D-H  DENS      COMPOSITION
  5.    501 HYDROGEN (CRYOGENIC)              30.000  -1068  0.00260    2H
  6.   1093 CARBON (GRAPHITE LIQUID)          69.900   2506  0.08180    1C
  7.  
  8. THE PROPELLANT DENSITY IS 0.00806 LB/CU-IN OR  0.2231 GM/CC
  9. THE TOTAL PROPELLANT WEIGHT IS   99.9000 GRAMS
  10.  
  11. NUMBER OF GRAM ATOMS OF EACH ELEMENT PRESENT IN INGREDIENTS
  12.  
  13.   29.761904 H     5.819665 C  
  14.  
  15. ****************************CHAMBER RESULTS FOLLOW    *****************************
  16.  
  17.  T(K)  T(F)  P(ATM)   P(PSI) ENTHALPY  ENTROPY   CP/CV     GAS   RT/V
  18. 2161. 3430.   68.02  1000.00   260.19   613.51  1.2235 14.635    4.648
  19.  
  20. SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL=    8.599    7.908
  21. NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED=  14.6352   5.4956
  22.  
  23.  14.34255 H2         5.49562 C&         0.24219 CH4        0.03337 C2H2    
  24.  7.91E-03 H         5.90E-03 C2H4      3.27E-03 CH3       2.42E-05 C2H    
  25.  3.08E-06 CH2      
  26.  
  27. THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS    4.963
  28.  
  29. ****************************EXHAUST RESULTS FOLLOW    *****************************
  30.  
  31.  T(K)  T(F)  P(ATM)   P(PSI) ENTHALPY  ENTROPY   CP/CV     GAS   RT/V
  32. 1032. 1397.    1.00    14.70    75.93   613.51  1.2572 14.029    0.071
  33.  
  34. SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL=    7.867    7.172
  35. NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED=  14.0284   4.9671
  36.  
  37.  13.17579 H2         4.96706 C&         0.85257 CH4        0.00001 C2H4    
  38.  
  39. THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS    5.259
  40.  
  41. **********PERFORMANCE:  FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE**********
  42.  
  43. IMPULSE   IS EX      T*      P*      C*    ISP*  OPT-EX  D-ISP      A*M   EX-T
  44.   397.9  1.2472   1923.   37.78  8048.8            8.10   88.8  0.25022   936.
  45.   400.7  1.2239   1945.   38.08  8137.8   315.4    8.41   89.4  0.25299  1032.



Для вакуумного истечения :


code text
  1. AP-R45            Run using June 1988 Version of PEP,
  2.  Case  1 of  1     29 Oct 2004 at 10:20:52.88 am
  3.  
  4.   CODE                                   WEIGHT    D-H  DENS      COMPOSITION
  5.    501 HYDROGEN (CRYOGENIC)              30.000  -1068  0.00260    2H
  6.   1093 CARBON (GRAPHITE LIQUID)          69.900   2506  0.08180    1C
  7.  
  8. THE PROPELLANT DENSITY IS 0.00806 LB/CU-IN OR  0.2231 GM/CC
  9. THE TOTAL PROPELLANT WEIGHT IS   99.9000 GRAMS
  10.  
  11. NUMBER OF GRAM ATOMS OF EACH ELEMENT PRESENT IN INGREDIENTS
  12.  
  13.   29.761904 H     5.819665 C  
  14.  
  15. ****************************CHAMBER RESULTS FOLLOW    *****************************
  16.  
  17.  T(K)  T(F)  P(ATM)   P(PSI) ENTHALPY  ENTROPY   CP/CV     GAS   RT/V
  18. 2161. 3430.   68.02  1000.00   260.19   613.51  1.2235 14.635    4.648
  19.  
  20. SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL=    8.599    7.908
  21. NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED=  14.6352   5.4956
  22.  
  23.  14.34255 H2         5.49562 C&         0.24219 CH4        0.03337 C2H2    
  24.  7.91E-03 H         5.90E-03 C2H4      3.27E-03 CH3       2.42E-05 C2H    
  25.  3.08E-06 CH2      
  26.  
  27. THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS    4.963
  28.  
  29. ****************************EXHAUST RESULTS FOLLOW    *****************************
  30.  
  31.  T(K)  T(F)  P(ATM)   P(PSI) ENTHALPY  ENTROPY   CP/CV     GAS   RT/V
  32.  516.  469.    0.00     0.01   -53.61   613.51  1.2753 10.773    0.000
  33.  
  34. SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL=    8.637    7.944
  35. NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED=  10.7721   1.7107
  36.  
  37.  6.66E+00 H2        4.11E+00 CH4       1.71E+00 C&      
  38.  
  39. THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS    8.003
  40.  
  41. **********PERFORMANCE:  FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE**********
  42.  
  43. IMPULSE   IS EX      T*      P*      C*    ISP*  OPT-EX  D-ISP      A*M   EX-T
  44.   493.9  1.2509   1920.   37.74  8117.4         2181.38  110.2  0.25235   215.
  45.   522.9  1.2288   1944.   38.02  8119.1   315.2 3643.15  116.7  0.25241   516.

+
-
edit
 

Serge77

модератор

Замечу, что PROPEP завышает удельный импульс для топлив, содержащих много конденсированной фазы в выхлопе. А здесь её будет почти 70%. Думаю, что на большое содержание метана в последнем расчёте можно не смотреть, не успеет он образоваться за время прохода веществ через сопло.
+
-
edit
 

avmich

координатор

А где здесь учёт негазообразности графита?
 
1 2 3 4 5 6 7

в начало страницы | новое
 
Поиск
Настройки
Твиттер сайта
Статистика
Рейтинг@Mail.ru