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Los cohetes térmicos, incluidos los cohetes térmicos nucleares, funcionan mejor con gases propulsores de peso molecular mínimo. Esto se debe a que, para una temperatura constante o una cantidad constante de energía cinética termalizada por unidad de masa, el bajo peso molecular conduce a una mayor velocidad de las partículas y, por lo tanto, a una mayor velocidad de escape.
El efecto es, inconvenientemente, lo suficientemente fuerte como para que casi no tenga sentido usar nada más que hidrógeno como propulsor para un NTR de núcleo sólido, y muchos volátiles comunes, como el agua, logran la impresionante hazaña de ser peor incluso que el combustible químico de bajo rendimiento.
¿Existen métodos que puedan usarse para mejorar el problema u obtener un buen rendimiento con propulsores que no sean LH2 o para operar cohetes térmicos nucleares con un buen rendimiento con propulsores de mayor densidad?
Para copiar la parte clave de esta respuesta (y esta respuesta anterior relacionada) ... una figura importante de mérito en un motor de cohete es la " velocidad característica ":
dónde puede tomarse como la temperatura de escape, y es el peso molecular de las especies de gas en el escape.
(La parte "proporcional" está funcionando aquí, ya que no todas las especies de escape se crean de la misma manera ... la relación de capacidad de calor es un factor importante que mencionó el autor de la respuesta anterior, y no dudo que haya otros).
La temperatura de operación del reactor pone un límite superior de , por encima del cual sus elementos combustibles se derriten y usted (brevemente) obtiene un NTR de núcleo líquido. Nuevamente, no todas las especies de escape serán iguales aquí, porque sus diversas químicas a ~3000 K ± 500 K requieren varias cubiertas protectoras diferentes alrededor de los elementos combustibles para evitar (o al menos limitar) la corrosión, y esas capas protectoras tendrán diferentes puntos de fusión. puntos y propiedades térmicas y así sucesivamente.
Eso solo te deja con , y de cualquier forma que lo mires, las moléculas de agua van a ser unas 10 veces más pesadas que el H 2 normal , y cuando los gases de escape estén a la misma temperatura, el agua simplemente viajará más despacio y, por lo tanto, la I sp del cohete. va a ser mas bajo.
Este documento de 1990 de Zubrin enumera algunos otros combustibles NTR potenciales y sus impulsos específicos esperados a varias temperaturas centrales, y puede ver que estos concuerdan razonablemente bien con la relación anterior.
Temperatura | CO2 _ | H2O _ _ | Canal 4 | CO | Arkansas |
---|---|---|---|---|---|
2800K | 283 | 370 | 606 | 253 | 165 |
3000K | 310 | 393 | 625 | 264 | 172 |
3200K | 337 | 418 | 644 | 274 | 178 |
3500K | 381 | 458 | 671 | 289 | 187 |
Pero para contrarrestar su queja principal:
casi no tiene sentido usar nada más que hidrógeno como propulsor para un NTR de núcleo sólido... los volátiles comunes como el agua [son] peores incluso que el combustible químico de bajo rendimiento.
El universo en general, y el Sistema Solar exterior en particular, está absolutamente repleto de agua, simplemente tirada, lista para tomar. Más o menos. Es común, energéticamente fácil de cosechar, relativamente sencillo de almacenar, dada su densidad y la falta de necesidad de compresión o refrigeración o la preocupación de que las moléculas diminutas se escapen de su alcance (claro, debe mantenerlo líquido, pero tiene un reactor nuclear en su nave espacial). Y solo porque el I sp sea bajo, eso no significa que la potencia del motor también sea baja... la misma cantidad de vatios se vierten en el escape, y eso significa un gran empuje. Es un caso de uso diferente a un H 2NTR alimentado, sin duda, pero sigue siendo muy útil.
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Christopher James Huff
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