¿Es posible utilizar polvo de zinc como propulsor NTR?

El ISP de un propelente es importante cuando la masa es el factor limitante; sin embargo, ese no es exactamente el caso cuando se lanza un cohete. Para la primera parte del vuelo, la densidad del propulsor también es importante.

Mayor densidad → más propelente en el mismo tanque → mayor relación de masa → más Δ v

Por lo tanto, una mejor métrica para el rendimiento del propulsor durante los primeros km/s es el impulso de densidad . Es fácil notar que la densidad extremadamente baja del hidrógeno líquido (70,8 kg/m³) hace que el metano, el amoníaco y el agua lo superen como propulsor NTR en las primeras etapas del vuelo.

En la búsqueda de un impulso de densidad aún mejor, traté de encontrar metales de alta densidad con un punto de ebullición lo suficientemente bajo. Mercurio y zinc resultaron como posibles candidatos. Por alguna razón, tengo un poco de miedo a la lluvia de mercurio radiactivo, vaporizado y al rojo vivo, así que elijo la galvanización instantánea. El zinc tiene un excelente impulso de densidad. A un valor estimado de 130 s de ISP, la densidad de 7140 kg/m³ implica un impulso de densidad 15 veces mejor que el del hidrógeno y más del doble que el del agua. Además, como el empuje es inversamente proporcional a la velocidad de escape a la misma potencia del reactor, esto también le da al cohete una mejor relación empuje-peso.

Pero, el zinc no es un fluido, entonces me pregunto, ¿es posible tener una mezcla de polvo de zinc y agua o amoníaco como propulsor? ¿Es posible bombear tal mezcla a través del motor y evitar que el reactor se obstruya? ¿Conoces alguna investigación relacionada con esto?

Ejemplo resuelto de impulso de densidad:

Cohete de muestra:

Masa seca: 10.000 kg
Volumen del depósito: 100 m³

Ejemplos de propulsores:

Hidrógeno

Velocidad de escape: 9000 m/s Densidad: 70,8 kg/m³

Δ v = 9000 metro / s ∗ yo norte ( 10 , 000 k gramo + 100 metro ³ ∗ 70.8 k gramo / metro ³ 10 , 000 k gramo )

= 4818 metro / s

Agua

Velocidad de escape: 4000 m/s Densidad: 1000 kg/m³

Δ v = 4000 metro / s ∗ yo norte ( 10 , 000 k gramo + 100 metro ³ ∗ 1000 k gramo / metro ³ 10 , 000 k gramo )

= 9592 metro / s

Editar:
siéntase libre de dejar de lado cualquier discusión sobre la viabilidad de usar NTR o los beneficios potenciales de un impulso de alta densidad de su respuesta.

Lo que realmente quiero saber es si es posible bombear polvo metálico a través de un motor cuando se mezcla con agua, amoníaco o metano. Si es posible, ¿cuántas concentraciones de polvo metálico puedo tener y aún así poder bombearlo?

¿Conoces alguna investigación relacionada con esto? ¡Sí, Ignition de John D. Clarke ! Una historia informal de los propulsores de cohetes líquidos . La página 177 (capítulo Alta densidad y la mayor estupidez ) menciona el mercurio y la página 9 usa dietilzinc para arrancar un motor hipergólico. Aunque no como combustible principal.
@Hennes Eso fue lo que provocó la pregunta :) Me pregunto si el zinc se puede usar de manera similar. (en un NTR)
Tres posibles complicaciones: neutrónicos, enfriamiento localizado, restricciones de seguridad de radiación con una NTR caliente en la primera etapa.
Puede eludir el problema de 'el zinc es un sólido' si tiene un circuito de refrigeración desde el reactor hasta el tanque de zinc, derritiendo el zinc antes de usarlo.
¿Qué tiene de malo la "lluvia de mercurio radiactivo, vaporizado y al rojo vivo"? DECIR AH...
Mi primera reacción instantánea es "¡Oye, suena genial para un motor híbrido !" - y sí, parece muy prometedor. No sé si el zinc sólido funcionaría, pero enriquecer el caucho con zinc debería ser bastante factible. Desafortunadamente, incluso con su baja densidad, LH2 ocupa un volumen considerablemente menor que el LOX requerido: 1/6 con una relación de "quemado ideal" para ser precisos. Entonces, si desea un ahorro de volumen considerable, ¡piense en oxidantes de impulso de mejor densidad!
@SF. Usar un NTR es como deshacerse del oxidante...
@Hohmannfan: Ah, sí, cierto. Lástima que nadie esté ansioso por hacer volar reactores nucleares en un futuro previsible.
Por cierto, prefiero imaginar el zinc como combustible NTR, no como un polvo, sino como un bloque de metal definitivamente sólido. Simplemente "apriétalo" contra el reactor para que se derrita, el bloque proporciona presión (actúa como un pistón) sobre el zinc derretido, que luego fluye más profundamente a través del reactor, hierve y es expulsado a alta presión. Se podrían usar sistemas de control térmico adicionales para estrangular el reactor, mientras que el zinc derretido sería tanto el refrigerante principal como el propulsor.
@SF, los aditivos de metal (el aluminio funciona mejor) no son nada nuevo en los híbridos, pero tienden a exacerbar los problemas de estabilidad de la combustión. Un bloque sólido de zinc no tendría ni cerca de la tasa de regresión requerida.
Los NTR no son motores de lanzamiento (consulte el comentario de Deer Hunter), por lo que la densidad no es un problema, pero el peso sí lo es. El gran peso molecular de los metales mata a su ISP. => Mala idea, quédate con hidrógeno.
@DeerHunter: Se olvidó de la nieve de zinc en la que se condensará el zinc vaporizado. Eso causará estragos en todas y cada una de las cosas eléctricas/electrónicas en las inmediaciones generales del centro de lanzamiento.

Respuestas (1)

Le sugiero que investigue la química de la barbotina y las lechadas de arcilla. Por ejemplo, la barbotina de porcelana es muy fluida y puede verterse a través de los canales de distribución en los moldes para formar detalles finos, luego se fragua como un sólido débil después de perder solo una pequeña cantidad de agua en el molde poroso. El porcentaje de agua es bastante bajo, las propiedades líquidas provienen del control cuidadoso de las propiedades de la arcilla de porcelana y un pequeño porcentaje de tensioactivos y compuestos lubricantes.

Entonces, en una palabra, sí, puede tener una suspensión líquida a temperatura ambiente compuesta por partículas sólidas, compuestos lubricantes y un porcentaje bastante pequeño de agua u otro líquido portador. SIN EMBARGO, enfrenta problemas de sedimentación y obstrucción. Dado que el contenido de agua es tan bajo, cualquier lugar en el que conduzca un gradiente de densidad, como en el codo de una tubería, hará que los sólidos se asienten y formen una obstrucción.

Si puede considerar los metales líquidos en lugar de una suspensión en particular, hay algunas aleaciones de plomo-bismuto y estaño-bismuto que se funden a 170 °C o menos. Las aleaciones de fundición de zinc se derriten alrededor de 720 °F.

Pensé que estaba loco impulsando la idea del impulso de densidad hasta que recordé que Aerojet demostró impulsar el empuje de la primera etapa en un NTR (simulado) usando inyección de LOX en la entrada de la boquilla. Gran empuje/peso durante la primera parte del vuelo, luego cambia a un modo de alto ISP, bajo empuje/peso una vez que se gasta el aditivo de masa pesada, quedando muy poco peso de tanque parásito.

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