¿Se podría usar oxígeno en un resistojet en un entorno de vacío?

Los resistojets calientan un gas comprimido o vaporizan un líquido para expandirlo a través de una boquilla de empuje. Mejoran un poco el rendimiento de los propulsores de gas frío. Este resistojet de agua experimental logró un I sp de 140 s.

Estoy pensando en qué tipo de motores de cohetes simples podrían ser factibles en las etapas iniciales de una base lunar permanente, hecha en el sitio principalmente con materiales locales. El oxígeno es el único volátil que se puede extraer en volumen en cualquier lugar. Obviamente, el ejemplo muestra que el agua es una opción de combustible, pero el documento citado anteriormente responde a la mayoría de mis preguntas al respecto, y también me pregunto si el oxígeno podría tener ventajas.

No está claro qué materiales podrían estar disponibles desde el principio para una fabricación tan compleja, sin embargo, voy a sugerir que se pueda encontrar algo que pueda manejar el almacenamiento de oxígeno líquido y oxígeno elemental gaseoso en la boquilla hasta, digamos, 500 ° C. Digamos hierro combinado con óxidos metálicos o basalto. El calentador de resistencia y otras partes complejas provienen de la Tierra. El LOX fluye al calentador de resistencia y luego sale por la boquilla.

¿Podría funcionar un sistema así? ¿Qué tipo de I sp y empuje podría tener?

Por si sirve de algo, la idea es que estos motores solo necesiten circular en una órbita alrededor de la Luna y hacer otras maniobras orbitales o encender para entrar en órbita alrededor de EML1. El lanzamiento se realiza mediante un lanzador de cabestrillo que utiliza un cable de fibra de basalto, que imparte velocidad orbital o de escape. Tan bajo I sp no es un problema en sí mismo.

Edité el enlace [3] para apuntar a bis-space.com/shop/product/analysis-of-a-lunar-sling-launcher pero de alguna manera rompí el formato, incluso el siguiente ISP se deformó mal. Error en SE? Me rindo.
@CamilleGoudeseune te lo arregló. El <hr> estaba causando los problemas, aunque no sé por qué.
El oxígeno caliente gaseoso puede oxidar el calentador, la cámara y la boquilla. Entonces, ¿por qué no usar nitrógeno líquido?

Respuestas (1)

Esta respuesta aborda solo la última parte de su pregunta "¿qué tipo de yo sp y empuje podría tener" , y lo hace en el sentido de un resistojet ideal. Espero que este no sea un enfoque demasiado básico, pero vale la pena recorrerlo para desarrollar una visión más intuitiva de la física de muy alto nivel. Hay similares Sin embargo, las ecuaciones en el enlace que proporcionó, dada su pregunta, supongo que el significado se pierde en los detalles de nivel inferior.Si no, ¡será útil para alguien!:

  1. La potencia en el escape de un cohete, la "potencia del haz", es la tasa de flujo de energía cinética, es decir

    1 2 ⋅ metro ˙ ⋅ v mi 2

    dónde metro ˙ es el caudal másico y v mi la velocidad de escape. También v mi = yo sp ⋅ gramo 0 . Lo escribí en esa forma para empezar, ya que la energía cinética es un concepto relativamente familiar.

  2. Más útil para su pregunta: Empuje = metro ˙ ⋅ v mi (Eq 7 en su referencia) y así:

potencia del haz = 1 2 ⋅ metro ˙ ⋅ v mi 2 = 1 2 ⋅ Empuje ⋅ v mi

  1. Un resistojet puro, es decir, sin ninguna otra fuente de energía, como las reacciones químicas, significa que podemos relacionar directamente la potencia eléctrica en el calentador de resistencia con la potencia del haz (Eq. 1 en su referencia):

    PAGS mi ⋅ η = 1 2 ⋅ metro ˙ ⋅ v mi 2

dónde PAGS mi es la potencia disipada en el calentador y η es algún factor de eficiencia que permite que parte de la energía se pierda, se irradie al espacio y se conduzca de regreso a la estructura, p. 50 % (adivinado). En el caso de SALMÓN AHUMADO almacenamiento, esto también tendrá que permitir el SALMÓN AHUMADO − O 2 cambio de fase, pero no te preocupes por eso por ahora.

  1. Poniendo todo esto junto, podemos elegir nuestros valores de Empuje y yo sp para cualquier propulsor que no reaccione, y luego calcule el correspondiente d o t metro y PAGS mi . Este es el concepto básico, pretende ser tan simple como parece.

  2. Está bien, está destinado a ser más complicado, pero tienes que empezar en alguna parte. Esto lo equipará para comenzar a comprender de manera muy aproximada el propulsor de otra persona. Echa un vistazo a tu referencia, aunque también prueba esto , ya que solo da los titulares sin perderse en C ∗ (velocidad característica de escape), presión de la cámara, etc. Da Empuje = 0.045  norte , yo sp = 152  s , que calculo da una potencia de haz de 33  W por 100  W eléctrico, es decir η = 33 % . En este caso particular, están pagando por encima de las probabilidades, porque también están suministrando calor para el cambio de fase de agua-vapor. Puede comprobar el caudal másico publicado de 0.03  g/s y vuelve perfectamente a aproximadamente 45  Minnesota , también.

  3. Un problema: no puede aumentar arbitrariamente la energía eléctrica sin descubrir que tiene pérdidas debido a que el gas se vuelve tan energético que la energía entra en emocionantes modos de rotación y vibración de las moléculas de gas, en lugar de mantenerlas zumbando (modos de traducción). Cuando esto comienza a suceder por O 2 como propulsor, es algo que tendrías que investigar, pero supongo que no hasta que estés más allá de un yo sp de 500  segundos .

  4. Volviendo a la idea de SALMÓN AHUMADO ⟶ O 2 como propulsor, hay un par de otras preocupaciones:

    • O 2 específicamente, podría ser una elección bastante difícil para la compatibilidad de los materiales, ya que es muy reactivo, más cuanto más caliente es. Como primer paso a la temperatura, suponga que la energía por molécula es 3 2 k ⋅ T dónde k es la constante de Boltzmann,   1.38 ⋅ 10 − 23 .
    • Como se mencionó anteriormente, al almacenar el propulsor como SALMÓN AHUMADO , está creando directamente un mayor desafío ya que la entrada de energía eléctrica tiene que hervir el SALMÓN AHUMADO (un cambio de fase) y luego elevar su temperatura. Este es otro paso en el que tendrás que hacer sumas. Esta área, y en particular la logística de SALMÓN AHUMADO la producción y el almacenamiento no son mi territorio en absoluto, así que lo dejaré ahí.
@TildalWave Gracias por las mejoras de formato. Me gustaría saber cómo hacer esto yo mismo. Parece que has utilizado dos enfoques. Para el método con los códigos como $$\text{ ¿hay alguna referencia en alguna parte? He estado buscando en la Ayuda, pero no puedo ver un punto de partida. También hay algo pegado en texto preformateado (MathJax o MathML, no sé, es nuevo para mí), nuevamente, ¿es esta una característica del sitio o algo que necesito agregar a mi navegador?
Había pensado que la relación de expansión del oxígeno entraría en esto (1:860). Cierto, no revisé correctamente la referencia, es una de las cosas para las que no siento que tenga tiempo en este momento y busqué un atajo, así que gracias por revisarlo para que sea más fácil más adelante. Pero también me preguntaba si el problema de los materiales también elimina la idea desde el principio. Mi esperanza era que tal vez los óxidos metálicos no sean lo suficientemente reactivos como para que eso sea manejable.
El volumen suena como un buen punto, pensando en mis pies, supongo que estará relacionado con la facilidad de calentar el fluido antes de que salga de la boquilla y se apague. En el frente del material, quizás sea interesante que haya habido motores de vehículos de lanzamiento ricos en oxígeno durante un tiempo. Me lleva a sospechar que la pequeña escala estará bien y la más grande será costosa en algún momento, pero no obviamente insoluble. Suena muy interesante, aunque realmente debería dejar esto para otra persona mejor designada para que se haga cargo de esto desde aquí.
Verter LOX en un vacío lo vaporiza inmediatamente. Sin embargo, tirarlo al vacío y luego calentarlo suena problemático.
¿Se podría usar oxígeno en un resistojet en un entorno de vacío?
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