Un artículo reciente sobre Slashdot me hizo pensar.
Si bien el artículo trata sobre el uso de turbobombas eléctricas para mover combustible de los tanques a los motores durante la fase de lanzamiento y es solo un pequeño avance incremental en el diseño actual, me hizo pensar en usar bombas eléctricas en la fase de vuelo espacial en una zona donde la energía solar es abundante. zonas donde normalmente usamos motores iónicos.
Podemos almacenar energía adicional en el combustible presurizándolo. La presión adicional se convierte en delta-V adicional. Los cohetes de botellas de agua funcionan de esa manera trivialmente; La propulsión iónica utiliza xenón altamente presurizado para darle un impulso inicial cuando ingresa a la cámara de aceleración. No es nada nuevo.
Lo que pone un límite a la presión disponible es la durabilidad -> peso del contenedor. En el caso de algunos combustibles, como los propulsores sólidos, la compresión no tiene sentido. En otros casos, como el hidrógeno líquido, la presión no es tan alta porque el volumen y la presión, si se mantienen altamente presurizados, requerirían un contenedor excesivamente pesado.
Pero puedo imaginar una pequeña bomba alimentada por energía solar capaz de crear presiones muy altas con un rendimiento minúsculo, posiblemente una bomba de pistón de etapas múltiples con pistones de sección transversal muy pequeña, aunque la elección del diseño exacto de la bomba es un detalle de ingeniería, un tema de discusión. y una lluvia de ideas más adelante.
La bomba puede crear una enorme presión en un pequeño volumen de un pequeño "tanque de compensación". Mantener estas cosas pequeñas significa que no pesan tanto a pesar de manejar tal vez gigapascales de presión. Liberar ese propulsor presurizado a través de una boquilla le daría una velocidad inicial muy alta. Luego, puede acelerarse aún más mediante un impulso de iones o reaccionar con un oxidante presurizado de manera similar creando un empuje adicional.
Sin embargo, estamos aumentando considerablemente la velocidad inicial del propulsor, sin cambiar la cantidad de propulsor utilizado. A diferencia de los motores iónicos, no estamos limitados por los voltajes disponibles y la longitud de la cámara de aceleración: al reducir el tamaño del dispositivo, podemos lograr presiones asombrosas en un paquete pequeño y liviano y, como resultado, energías de salida sin aumentar el uso de combustible. Y aún podemos usar la "aceleración de segunda etapa", ya sea química, iónica o lo que se nos ocurra, en el propulsor acelerado por presión.
¿Sería una vía viable de investigación o estoy en peligro aquí?
Editar: segundo intento, mi publicación inicial fue completamente incorrecta.
Mi intuición me dice que encontrará un límite en la velocidad de escape con un sistema como este. Mi pensamiento inicial, "La velocidad de escape de un cohete está limitada por la velocidad del sonido" es incorrecto, entonces, ¿dónde podría estar el límite? Entonces, veamos dónde terminamos si usamos la presión más alta posible y un propulsor líquido.
Esta lista de presiones típicas de fluidos o gases que se encuentran en varios sistemas muestra que los cortadores de chorro de agua utilizan algunas de las presiones más altas disponibles fuera de un entorno de laboratorio. Este ejemplo utiliza una presión de 648 MPa (6480 bar) y su velocidad de escape es Mach 4 (o 1,3 km/s).
En comparación, el SSME tiene una velocidad de escape de 4,43 km/s y los motores iónicos tienen una velocidad de escape de 20-50 km/s .
Ahora, la eficiencia de un cohete depende directamente de su velocidad de escape. El empuje de un cohete es Isp * M (es decir, el impulso específico, directamente relacionado con la velocidad de escape multiplicada por el flujo másico). Entonces puede cambiar la velocidad de escape por la masa: la mitad de la velocidad significa el doble de la masa.
A los precios de lanzamiento actuales, esa no es una compensación que la gente esté dispuesta a hacer. Entonces, una bomba de fluido no parece un enfoque prometedor.
Hay otras formas de utilizar la energía eléctrica para la propulsión: un conductor de masa utiliza un sistema de raíles electromagnéticos para lanzar masa inerte a alta velocidad. Los únicos impulsores de masa que existen en la actualidad son los prototipos de cañones de riel , con una velocidad de escape de 2,4 km/s (a partir de abril de 2015). Mejor que el chorro de agua, pero aún no tan bueno como un motor de cohete.
En cuanto a la sugerencia de SF de encender un chorro de alta presión: si hace esto, querrá usar la expansión de los gases de combustión tanto como sea posible, ya que eso proporciona la mayor parte del empuje. Cuando encierras el chorro en un tubo, puedes forzar a todos los gases a expandirse en una dirección. Pero ahora ha vuelto a construir un motor de cohete, donde la presión utilizable está limitada por la temperatura en la cámara de combustión.
Editar: respondiendo a la sugerencia de SF de agregar una unidad de iones al chorro de alta presión: no tiene mucho sentido hacer eso. Si el impulsor de iones aplica 20 km/s de delta-V a la corriente de escape, la bomba solo proporciona el 5% de eso. Y la bomba tiene que ser muy pesada para soportar 650 MPa de presión. Puede utilizar ese peso para mejorar el impulso de iones.
El problema es que 'el diseño exacto de la bomba es un detalle de ingeniería' es un detalle realmente importante. La ciencia de los materiales para acelerar el material a números de máquina altos es difícil. Sí, un sistema de tipo 'bomba' funciona bien con 'baja velocidad', pero escalarlo un poco más solo lo lleva hasta cierto punto. La mejora del orden de magnitud en la velocidad (2 órdenes de magnitud de energías y presiones más altas) necesaria para acercarse tanto a los cohetes químicos pone a prueba la credulidad a corto plazo. Para llegar aún más alto y justificar la pequeña TWR, se requeriría al menos otro salto de velocidad de un orden de magnitud. Esto es 10.000 veces el límite actual de las presiones necesarias. Es difícil ver que esto suceda pronto.
Tenga en cuenta que, si bien es difícil dar un "por qué no" intuitivo, puede ser útil pensar que alcanzar las presiones necesarias para que un chorro de agua compita con cohetes químicos requeriría presiones cercanas al yunque de diamante, incluso si no se perdió energía.
El objetivo es expulsar masa propulsora a alta velocidad; cuanto mayor sea la velocidad del propulsor, menor será la masa por unidad de impulso. Pero, cuanto mayor sea la velocidad, más energía se requiere por unidad de impulso (la energía por unidad de masa aumenta con el cuadrado de la velocidad).
Los impulsores de iones buscan maximizar la velocidad del propulsor, punto. El objetivo es maximizar el impulso específico: aprovechar al máximo la masa propulsora que llevan. Para el tipo de velocidades de escape que logran, la cantidad de energía por unidad de masa propulsora está mucho más allá de lo que podría almacenarse como energía química en el propio propulsor. Entonces, estos sistemas buscan energía solar o nuclear. Dichos sistemas tienen límites en la cantidad de energía que pueden proporcionar, lo que limita la cantidad de empuje, a pesar del alto impulso específico. Estos sistemas tienen que ver con la aceleración de iones a velocidades extremas, mucho más allá de lo que podría lograr cualquier bomba mecánica, y el desafío es acerca de las velocidades máximas alcanzables. Darle a un sistema de este tipo una "patada" inicial de una bomba mecánica agrega complejidad sin ningún beneficio.
Los cohetes químicos buscan aprovechar al máximo la energía química almacenada en sus propulsores. Tienden a ir en cualquiera de las dos direcciones. Uno es el empuje máximo: obtenga el mayor empuje posible. Ejemplos ampliamente conocidos de esto incluyen la primera etapa de queroseno/oxígeno líquido de Saturno V y Falcon 9, o los accesorios de combustible sólido del transbordador espacial. La otra dirección es el impulso máximo: obtener el mayor delta-V. Los ejemplos ampliamente conocidos incluyen la segunda/tercera etapa de hidrógeno líquido/oxígeno líquido de Saturno V y Falcon 9 o los motores principales del transbordador espacial. La eficiencia en tales sistemas proviene de minimizar las conversiones entre diferentes formas de energía. Comienza como químico y se vuelve térmico en la cámara de combustión. A partir de ahí, la boquilla alinea la energía cinética aleatoria de las moléculas de gas para que se vuelva mayormente lineal a lo largo del eje del motor. Es una conversión muy eficiente de energía química en el propulsor a energía cinética en el flujo de escape. El uso de una bomba para impulsar la masa para el empuje agrega complejidad y pasos adicionales para convertir la energía de una forma a otra, incurriendo en pérdidas en cada paso.
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