¿Por qué no enchufarlo a la pared?

Entonces, he estado leyendo un poco sobre cohetes térmicos, desde NTR hasta ideas de propulsión por haz. Ahora, el concepto básico es exprimir más Isp de los propulsores tradicionales como el hidrógeno líquido. Específicamente, si calienta H2 a alrededor de 2700 K (dependiendo de la presión), se descompone en cantidades de H1, lo que da un gran impulso a la velocidad de escape y, por lo tanto, a Isp.

Estoy seguro de que no soy la primera persona en pensar en esto, pero en lugar de esquemas elaborados para transmitir energía a una nave en movimiento, ¿por qué no usar una fuente de energía mientras está en el suelo para crear calor, tal vez un plasma denso como en experimentos de fusión, y luego usar eso para calentar el propulsor que pondrá la nave en órbita? Básicamente, conecte el cohete. Solo necesita alrededor de ~ 10 minutos para entrar en órbita, por lo que este sistema solo tendría que ser viable por un corto tiempo. Puede utilizar barreras reflectantes para minimizar las pérdidas de calor por radiación y canalizarlas hacia el intercambiador de calor.

Supongo que esto es más un experimento mental que una propuesta seria. ¿Cuáles son los inconvenientes de este tipo de diseño?

Este es un experimento mental útil que parece ser una pregunta natural para alguien que está aprendiendo cohetes. Solo que la especulación sobre la fuente de energía parece distraer la atención de la pregunta. Si está hablando de un cable eléctrico literal , entonces la fuente de energía es la red, y eso no será limitante. No nos importa qué planta de energía produce la energía. De lo contrario, daremos vueltas sobre si se trata de energía transmitida o no.
Después de leer más, parece que yo tampoco he entendido lo que se pregunta. Por el título (en particular), pensé que estabas sugiriendo una conexión eléctrica mantenida mientras asciende , que obviamente se limitaría a una primera etapa abreviada. Pero a partir de los comentarios, parece que está interesado en un estado de materia exótica como medio de almacenamiento de energía térmica. Realmente no puedo decir que eso quede claro de la pregunta.
@AlanSE: Depende de cuántos cables de extensión use.
La analogía de la pregunta sería: ¿Por qué en lugar de guardar barras de TNT, no podemos pre-detonarlas en botellas selladas y aisladas, y luego descorchar las botellas a pedido para liberar todos los gases calientes comprimidos almacenados de la explosión y obtener el efectos de explosión de esa manera?
@SF.: Curiosamente, recuerdo una serie de novelas de fantasía ("Guardians of the Flame") donde hicieron exactamente eso, para obtener una especie de pólvora. Usando magia, por supuesto, pero pensé que el concepto era ingenioso: encerrar agua en un recipiente, lanzar "indestructible" en el recipiente, calentar más allá del punto de ebullición, lanzar "estasis" en agua sobrecalentada y hechizo clave para que expire cuando entre en contacto con agua, disipe "indestructible" en el recipiente, retire el recipiente y muela el contenido "estadístico" hasta convertirlo en polvo. Para "disparar", añade una gota de agua y observa la reacción en cadena. Desde una distancia segura. ;-)

Respuestas (4)

El problema sería una enorme expansión de volumen y/o aumento de la presión en las paredes del tanque, por lo que no puede simplemente precalentar todo el volumen de los propulsores criogénicos, sino que desea almacenarlos a alta densidad pero a una presión aún controlable, luego precalentar cuando entran en la cámara de expansión para mejorar su velocidad de escape. Otra forma de pensar en esto es también que la densidad del propulsor almacenado en relación con su densidad una vez expulsado ( expansión térmica ) es energía almacenada que el cohete utiliza para impulsarse. Esto es a lo que nos referimos como masa de reacción .. Si lo precalentó todo, incluso si logró almacenarlo de alguna manera estable sin agregar mucho al peso del cohete, estaría desperdiciando una gran cantidad de esta energía potencial. O eso, o la presión en las paredes del tanque sería demasiado alta y volveríamos a los problemas de peso y volumen del tanque.

Si solo sobrecalentó una fracción de estos propulsores, para usarlos más tarde como su fuente de energía térmica para precalentar el resto a medida que se alimenta al motor, el problema se convierte en aislar esta masa de alta temperatura del resto de sus propulsores. para mantenerlos estables. Lo que nuevamente requeriría más aislamiento, una estructura más fuerte para contenerlo y agregaría innecesariamente peso y complejidad al cohete. También tendría un potencial térmico limitado, un poco como mezclar agua caliente de la caldera con agua fría, y nunca podría aprovechar todo el potencial de expansión térmica. Por lo tanto, es simplemente más fácil y más económico precalentar los propulsores a pedido y reutilizar la mayor parte de la energía termoquímica almacenada que proporcionan mientras se queman en la cámara de combustión ..

Por si sirve de algo, los cohetes en realidad se conectan a la pared con umbilicales hasta minutos antes del lanzamiento, cuando se cambian a energía interna. Por lo tanto, pueden usar todo el jugo que necesitan de la red para sus necesidades de energía eléctrica hasta los últimos minutos (generalmente alrededor de T-3 minutos) antes del vuelo, y así conservar sus fuentes de energía a bordo.

Para aclarar, no estaba pensando en precalentar el propulsor antes del lanzamiento, estaba pensando más en la línea de su segundo ejemplo, pero usando un plasma denso como fuente de calor. Sería mucho más caliente que la temperatura a la que desea calentar el propulsor, probablemente decenas de miles de grados, y el calor radiativo se distribuiría a través de una capa de intercambio de calor. Sin embargo, no sé qué tan factible es tal sistema.
En cuanto al problema del peso, la ventaja de un cohete térmico es que no está usando LOX o cualquier otra cosa para mezclar con su propulsor para crear una reacción química, por lo que hay un gran ahorro de peso allí. Una cámara pesada utilizada para contener masa de reacción aún podría tener muchas toneladas de oxígeno líquido a bordo, dependiendo del tamaño de la cámara, incluso considerando que el LOX se agota progresivamente y no contribuye a la masa final.
Sí, tengo que admitir que tuve que volver a leer tu pregunta y es por eso que agregué ese segundo ejemplo después. El problema aún persistiría, solo tendría expansión térmica como su potencial de energía almacenada y parte de ella (la que sobrecalentaría) en realidad tendría un potencial negativo. Por lo tanto, estaría perdiendo una gran cantidad y aún tendría que encontrar formas de aislar masas de dos características térmicas distintas. El cohete térmico nuclear sería una mejor opción. Todavía es un bloque generador pesado, pero al menos no está perdiendo el potencial de energía de su masa de reacción.
¿Podrías ampliar un poco tu comentario? Realmente no sé mucho de nada sobre termodinámica. ¿Qué significa tener energía potencial negativa? ¿Existe una fórmula para calcular la velocidad a la que dos sustancias de diferente calor alcanzarán el equilibrio?
La parte sobrecalentada ya tendría su energía potencial máxima por su volumen de almacenamiento de dicho sistema antes de la mezcla. No se expandiría más al mezclarse con la parte fría de su masa de reacción, en realidad ocuparía menos de su volumen a la misma presión que la parte fría de la masa de reacción lo enfría. Ese es ese potencial negativo . Y hay otro problema que aún no toqué, que el potencial térmico almacenado de la parte sobrecalentada disminuiría a medida que comience a consumirla. Por lo tanto, el rendimiento también caería rápidamente a medida que la parte caliente se enfría.

No soy físico, y ciertamente no puedo hacer las matemáticas exactas. Pero echemos un vistazo a los números involucrados.

Muy (!!!) aproximadamente, un motor cohete de primera etapa consume más de 1000 L/segundo de combustible durante unos cinco minutos. Eso es 300 toneladas de combustible, indirectamente, que necesitarían calentarse a unos 2700 K.

Puede obtener un plasma tan caliente como 10 ^ 7 K en el laboratorio... pero esas son cantidades mínimas , lo que significa que mezclarlos con tan solo 1 L de LH2 no le dará más que una bocanada de H2. Siendo realistas, tendrá que conformarse con un calor mucho más bajo.

Si permite diez toneladas de "almacenamiento de calor", incluso suponiendo que el 100% de eficiencia requeriría que el "almacenamiento" se calentara a 81 000 K. (Imagínelo en su mente. Diez toneladas de algo 25 veces más caliente que el punto de ebullición de planchar.)

Ahora imagine los problemas de ingeniería involucrados en calentarlo tanto en primer lugar, luego mantenerlo aislado y luego transferir el calor al combustible en las cantidades requeridas en el tiempo requerido.

Entonces recuerde que no obtiene una eficiencia del 100 %, no con el calor como forma de energía. O necesita aún más peso o aún más K en el almacenamiento.

Y eso es usando los números más optimistas, que estoy seguro de que cualquier verdadero científico se estremecerá y señalará que me excedí en varios órdenes de magnitud.

¿Calor como almacenamiento de energía? Ninguna posibilidad.

81,000 K también es aproximadamente 13 veces la temperatura de la superficie del Sol (que se encuentra en un agradable y fresco alrededor de 6,000 Kelvin).

Genéricamente esto se conoce como Beamed Power Propulsion.

La propulsión impulsada por haz es una clase de mecanismo de propulsión de aeronave o nave espacial que utiliza energía transmitida a la nave espacial desde una planta de energía remota para proporcionar energía. La mayoría de los diseños son cohetes térmicos en los que la energía la proporciona el haz y se utiliza para sobrecalentar el propulsor que luego proporciona propulsión, aunque algunos obtienen la propulsión directamente de una ligera presión que actúa sobre una estructura de vela ligera y, a baja altitud, el aire caliente proporciona un empuje adicional.

Estoy pensando más en la línea de suministrar toda la energía en el suelo. Al despegar, el cohete tendría toda la energía que necesitaba para alcanzar la órbita en forma de calor que se transferiría al propulsor y no se le daría más energía al sistema.
Eso parece un tema problemático. El almacenamiento de energía es 'duro'.

Oh... el buen viejo Steam Rocket .

https://en.wikipedia.org/wiki/Skycycle_X-2

https://www.independent.co.uk/news/world/americas/flat-earther-mad-mike-hughes-rocket-launch-man-blasts-off-a8272761.html

Estos modelos no estaban destinados a alcanzar la órbita. Algunos diseños de cohetes de vapor más avanzados tienen una fuente de energía externa adicional (como ser calentados por un láser o un haz de microondas), ya que no pueden transportar suficiente energía (calor) con ellos (como ya se respondió anteriormente).

https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_rocket

¿No hubo un tipo recientemente que se convirtió al terraplanismo para obtener más financiamiento para... oh, ya tienes el enlace allí!+1
entrevista en video: washingtonpost.com/news/peaking-of-science/wp/2018/01/24/… Espero que no le importe que haya agregado el video del lanzamiento.
@uhoh: Sé que me siento un poco tímido por decir lo obvio: "Estos modelos no estaban destinados a alcanzar la órbita". - Sí, por supuesto - ¿cómo querría uno alcanzar la órbita cuando la Tierra es plana? ¡Gracias por agregar el video!
¿Por qué no enchufarlo a la pared?
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