Los cohetes químicos de alto rendimiento, así como los hipotéticos cohetes térmicos nucleares con núcleo de gas, pueden operar con temperaturas de la cámara por encima del punto de falla de cualquier sustancia disponible, porque el enfriamiento interno y el enfriamiento de la película permiten que las paredes de la cámara y la boquilla estén más frías que el gas. en la cámara de empuje.
El ISP del cohete térmico se basa fundamentalmente en la temperatura: cuanto más alta, mejor.
Los diseños conceptuales para los cohetes de fusión generalmente usan una boquilla magnética, pero ¿en qué punto (en ISP) las boquillas físicas se vuelven imposibles de usar? sobre la masa tolerable, el empuje, etc.?
El punto es bastante claro, ya que los materiales y diseños mejorados solo producen rendimientos decrecientes con respecto a la temperatura. Es una ley cuadrática, siendo Isp proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura.
Si algún avance milagroso en la ciencia de los materiales diera como resultado que los materiales soportaran temperaturas dos veces más altas, simplemente mejoraría la eficiencia de los cohetes térmicos en un 40%, aún sin llegar a la propulsión iónica.
Como sospechaba, esto también depende del propulsor, con masa molar ( ) siendo el factor decisivo. Las moléculas más ligeras se mueven más rápido a la misma temperatura.
(proporcionalidad gotcha: esto también depende de la relación de capacidad calorífica de la molécula)
Esta es la principal motivación para usar en cohetes nucleares, ya que tiene la segunda masa molar más baja de cualquier molécula. Por encima de un Isp de 1,000s, comienza a disociarse en monoatómico . Las mejoras en la temperatura operativa de los cohetes nucleares, por lo tanto, escalan un poco mejor de lo que sugeriría la escala de temperatura por sí sola, ya que el hidrógeno comienza a disociarse. Pero más allá de ese punto, no se pueden realizar mejoras en la masa molar.
Los cohetes químicos no se ven obstaculizados por la temperatura de la boquilla, sino por el contenido energético del combustible.
El enfriamiento en sí viene con algunos problemas de escala. En el espacio, sólo se puede hacer de dos formas:
La opción 1) es mucho más eficiente que la 2), pero la única forma de hacerlo de una manera que no destruya el rendimiento es usar el propio propulsor como refrigerante.
Pero el flujo de propulsor es limitado. Cuando el motor simplemente funciona más caliente, los requisitos de refrigeración aumentan sin que aumente la cantidad de refrigerante disponible. La única manera de compensar esto es notar que el área superficial de la tobera aumenta con el cuadrado del tamaño del motor, mientras que el empuje y el flujo másico aumentan con el cubo. Ese es el problema opuesto de los motores de ciclo expansor , que tienen un empuje máximo posible. Los motores con refrigeración regenerativa tienen un empuje mínimo , que crece proporcionalmente al cubo de la temperatura.
En algún momento, el tamaño masivo del motor mínimo comienza a ser más voluminoso de lo que puede pagar.
La opción 2), por otro lado, comienza mucho peor, pero escala menos que la opción 1). El espacio es un aislante eficaz, por lo que para eliminar grandes cantidades de exceso de calor se necesitan grandes radiadores. Esto establece límites para el empuje, ya que la masa de los radiadores simplemente se vuelve demasiado grande. Una nave espacial atascada por los radiadores tiene una aceleración baja.
Sin embargo, el aumento de los requisitos de refrigerante solo escala linealmente con los radiadores. El doble de calor, el doble de radiadores. Las mejoras en la ciencia de los materiales incluso traen algunas ganancias de eficiencia muy favorables, ya que la radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.
Los cohetes térmicos se han demostrado hasta aproximadamente 1.000 s. Incluso con un ligero impulso de la disociación del hidrógeno, 2000 parece completamente inalcanzable, ya que requeriría materiales con capacidades casi cuádruples. Incluso 1500 es muy optimista.
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