Se ha propuesto LANTR; ¿Por qué no CHEMANTR bilateral?

Los cohetes térmicos nucleares de núcleo sólido normales usan un reactor nuclear para calentar gas (casi siempre hidrógeno, ya que los pesos moleculares más altos causan un rendimiento miserable) y lo expanden a través de una tobera convergente-divergente. Esto normalmente da como resultado un ISP de 850 a 1100 y una relación empuje-peso que es pésima en comparación con los cohetes químicos pero mucho más alta que los motores iónicos, apropiada para trayectorias de empuje puntual y posiblemente aterrizaje planetario en cuerpos de baja gravedad y atmósfera baja.

El diseño de LANTR se ha propuesto para agregar oxígeno líquido al hidrógeno caliente en la campana del cohete, como una especie de postcombustión. Esto mantiene un ISP de aproximadamente 600, significativamente mejor que los cohetes químicos, al tiempo que mejora enormemente el empuje y también mejora en gran medida la densidad del combustible, ya que LOX (o cualquier otro oxidante) es mucho más denso que LH2.

Me pregunto acerca de la posibilidad de un motor de cohete en el que tanto el hidrógeno como el oxígeno sean precalentados por reactores nucleares y luego, cuando ya son gas caliente en lugar de líquido criogénico, quemados y expandidos. Esto parece que podría proporcionar un ISP bastante alto , aunque probablemente no tanto como un LANTR. Pero nunca he oído que se proponga esto.

¿Por qué no? ¿Es porque la quema de gas ya caliente simplemente derretiría cualquier diseño de boquilla utilizable?

Entonces, corríjame si me equivoco aquí, pero ¿no es el empuje del cohete proporcionado por la expansión de gases calientes? Si los gases ya están calientes, el calor y la presión adicionales proporcionados al encenderlos serán proporcionalmente menores, incluso si la temperatura final es más alta.
¿Por qué no? Puede calentar el gas a X kelvins, o puede calentar el gas a X kelvins y luego quemarlo para agregar Y kJ/kg además de eso.
A temperaturas suficientemente altas, el agua se disociará nuevamente en hidrógeno y oxígeno, absorbiendo energía en el proceso.
@SteveLinton dice que disociar el agua cuesta alrededor de 4,4 eV por enlace. Si k B T = 4,4 eV y k B es 8.617E-05 eV/K entonces eso corresponde a una temperatura característica de algo así como 50,000 K. ¿El escape de un cohete nuclear se acerca a eso? (No tengo ni idea)
@uhoh pero en.wikipedia.org/wiki/Water_splitting dice 3000K. ¿Alguien puede aclarar?
@uhoh, es casi seguro que obtendrá una mejor respuesta de los químicos, pero el problema aquí (creo) es uno de los grados de libertad . Un gas monotómico solo tiene tres, pero los gases moleculares pueden almacenar energía en los modos de vibración de sus enlaces moleculares, así como en su movimiento en el espacio. Es parte de por qué las capacidades de calor específico de los gases monoatómicos son tan diferentes a los tipos regulares.
@StarfishPrime Solo recuerdo vagamente algo sobre el teorema de equipartición ; hay más lugares para almacenar y compartir energía, por lo que hay una
1 norte
en alguna parte, pero no creo que afecte a la
Exp ⁡ ( − mi k B T )
parte, ¿verdad?
@uhoh cierto, en una reflexión más profunda, creo que esto podría ser una cosa de energía cinética promedio versus pico. La disociación y la ionización son procesos progresivos. A 50000 K, casi todas las moléculas se habrán disociado en hidrógeno monoatómico, pero aún se disociarán a temperaturas más bajas porque algunas de las moléculas con KE superior al promedio podrán disociarse. Puede modelar esto con la ecuación de Saha, como resulta. Algunos gráficos posiblemente relevantes aquí (que también mencionan la temperatura de 50000K).
@uhoh y resulta que los grados de libertad son relevantes (aunque no por la razón que pensé) porque las especies disociadas tienen más grados de libertad que la molécula intacta, por lo que la disociación es entrópicamente favorable una vez que hay suficiente energía flotando.

Respuestas (1)

Si tuviera que aventurarme a adivinar, diría que hay varias razones por las que no querrías hacer esto.

Me referiré a una arquitectura revolucionaria del sistema de transporte espacial lunar usando propulsión NTR aumentada con LOX extraterrestre (describiendo el LANTR) unas cuantas veces a continuación. Aquí está la parte importante de la figura 5 de ese documento:

LANTR figura 5

En primer lugar, como usted sugiere, es casi seguro que la temperatura de la boquilla es un problema. Se sugiere que la temperatura de escape supere los 3500 K con la inyección de oxígeno subsónico frío, que ya es un entorno bastante duro para cualquier material. Se hizo un esfuerzo para mantener la temperatura de los gases de escape por debajo de 3600 K en el diseño LANTR, aunque no dicen exactamente por qué, pero apuesto a que a medida que las cosas se calientan mucho más que eso, su boquilla o sus inyectores oxidantes comenzarán a quemarse. , refrigeración regenerativa o no.

En segundo lugar, la parte posterior a la garganta del LANTR ya está operando como un scramjet, rociando oxígeno subsónico en un flujo de hidrógeno supersónico. Hay un montón de desafíos tecnológicos involucrados en eso, asegurando que el combustible y el oxidante se mezclen y se quemen mientras todavía están dentro de la boquilla. Lo que está proponiendo consiste en inyectar una corriente de oxidante supersónico en una corriente de combustible supersónico y esperar que todo se queme bien antes de salir de la boquilla... algo que suena sustancialmente menos simple que hacer un scramjet que todavía parece que tenemos problemas para hacer. Posiblemente estaba pensando en la inyección de oxígeno subsónico sobrecalentado que parece menos inverosímil desde el punto de vista de la combustión, pero los inyectores que podrían hacer el trabajo suenan como un serio desafío de ingeniería.

Finalmente, se enfrenta al problema de manejar una corriente de oxígeno a alta presión de 2-3000 K, y ningún ingeniero de materiales va a disfrutar eso. A esa temperatura, una pequeña cantidad del gas se habrá disociado en oxígeno monoatómico, haciéndolo aún más reactivo de lo normal. Necesitará un núcleo de reactor diferente para hacer frente al duro entorno oxidante... el núcleo del reactor de hidrógeno no funcionará en absoluto, ya que está optimizado para un entorno reductor, por lo que debe diseñar dos cohetes nucleares de trabajo completos diferentes para hacer solo un motor. No puede simplemente conectar el reactor de oxígeno a la boquilla del reactor de hidrógeno ... necesitará algún tipo de tubería que deba hacer frente a aún máscalor mientras transporta oxígeno sobrecalentado a muy alta presión. No puede ventilar ambos combustibles precalentados en una cámara de combustión y luego expulsar el resultado por una boquilla porque la temperatura de la cámara será demasiado alta y no podrá hacer funcionar su motor de manera eficiente en modo solo hidrógeno.

Eso le da tres problemas de ingeniería terriblemente difíciles de superar, por lo que obviamente no es una mejora importante sobre un LANTR. Si puede lograr tres cosas imposibles antes del desayuno, ¿por qué no terminar haciendo un práctico NTR de núcleo líquido o gaseoso?

Además, hay otros problemas de rendimiento que no están al nivel de complejidad de los anteriores. Tienes que empacar dos reactores nucleares ahora, y si no los estás haciendo funcionar a la vez, tienes un gran peso muerto que transportar hasta que finalmente decidas usarlo, lo que reduce tu empuje a... peso en modo no aumentado. No puede usar ambos reactores como cohetes de masa de reacción de hidrógeno, debido a la impracticabilidad de tener elementos combustibles que puedan funcionar a 3000K para un propulsor oxidante o reductor según su estado de ánimo.

Si no está ejecutando ambos reactores, debe encender su cohete de oxígeno cuando lo necesite y apagarlo nuevamente cuando haya terminado. Su NTR tendrá un número limitado de ciclos y tendrá que enfriarlo (ventilando el propulsor a través de él) cuando haya terminado, lo que le costará masa de reacción. Esto contrasta con un LANTR que puede cambiar suavemente entre el modo de operación normal y el aumentado sin tener que cambiar el ciclo del cohete en absoluto.

Espera, el gas se está volviendo supersónico, en un NTR normal, DENTRO DEL REACTOR???
@ikrase No lo creo; debe ser subsónico en el lado del reactor de la boquilla; solo caliente y de alta presión como lo sería un cohete normal. (¿he escrito algo tonto?)
Básicamente, estaba dando a entender que "el O2 y el H2 se calientan a NTR-max-temp dentro de los reactores NTR, luego reaccionan en una cámara de combustión y se aceleran después de esto, no antes, en una boquilla convergente-divergente". Aún así, buena explicación de los problemas involucrados.
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