Химический ракетный двигатель с высоким удельным импульсом
Эта заметка появилась как своего рода ответ на статью «Прорывная концепция ракетного двигателя» Глеба Кулева.
В этой статье автор утверждал, что используя его конструкцию можно сделать химический реактивный двигатель с удельным импульсом выше 500 секунд (что считается пределом для химических ракетных двигателей).
В комментариях, я и другие читатели доказывали ему, что это в принципе невозможно. Из-за закона сохранения энергии.
Но потом, мне пришла идея как именно можно обойти это пресловутое ограничение. И решил написать об этом…
Кстати, я не отрицаю, что у Глеба Кулева получилась очень интересная конструкция, возможно перспективная в плане надежности, низкой массой и работой при пониженных давлениях в камере сгорания. Создается впечатление, что автор создал какую-то разновидность вращающегося детонационного двигателя.
Но у него никак не получится поднять удельный импульс выше теоретического максимума.
В чем проблема химических реактивных двигателей? Чтобы разобраться, надо понимать суть процессов в двигателе. Как он работает?
Сначала, из химической реакции горения получается какая-то тепловая энергия, пусть будет Е.
Потом, эта энергия, преобразовывается в энергию истечения газов. Это преобразование происходит в соплом двигателя.
Удельный импульс двигателя численно равен скорости вытекания газов. Чтобы сделать двигатель максимально эффективным, надо добываться чтобы скорость вытекания была максимальной.
Но как скорость вытекания зависит от энергии горения?
Если предположить, что вся тепловая энергия преобразуется в энергию механического движения газов (что не так, но принципиально ничего не поменяется, кроме множителя КПД, который у разных двигателях более-менее одинаковый), то скорость вытекающих газов будет (из формулы кинетической энергии):
Видно, что скорость вытекания обратно пропорциональна квадратного корня массы газов. То есть, если хотим получить максимальный удельный импульс, надо ускорять вещества с минимальной молярной массой.
Но беда в том, что комбинация топливо-окислитель у которой минимальная молярная масса, это водород-кислород. Насчет водорода с его молярной массой 2 г/мол претензий быть не может, а вот у кислорода молярная масса аж 32 г/мол. У воды (которую и ускоряет реактивный двигатель) молярная масса масса 18 г/мол, что тоже в 9 раз больше чем у водорода.
Давайте прикинем максимальную скорость истечения для такого двигателя. Пусть в двигателе сгорают 2 моля водорода (4 г) и 1 моль кислорода (32 г). При этом получаются 2 моля воды (36 грамм) и выделяется приблизительно 484кДж энергии. Максимальная скорость вытекающих газов получится:
Вот эти 5000 м/с и есть тот предел, который не нравится автору цитируемой в начале статьи.
Выходит, что мы тратим энергию неэффективно, ускоряя тяжелую воду, вместо легкого водорода.
Но есть решение. Не надо дорогую энергию использовать чтобы ускорять воду. Надо как-то передать эту энергию чистому водороду и ускорять уже его. А воду, не ускоряя ее в сопловом аппарате, (ну или ускоряя только после того как отняли от нее максимальное количество энергии) просто выбрасывать назад, получая небольшую тягу и облегчая ракету.
Опять в предельном случае, если мы смогли передать всю энергию к 1 молю водорода, то получим совсем другие значения удельного импульса:
Скорость вытекания в 22 км/с (или что самое 2200 секунд удельного импульса) это уже совсем другое дело.
И здесь добавлю ложку дегтя к бочку меда. Мне не совсем ясно как именно должен быть организован процесс перекачивания энергии из горящего водорода к рабочему водороду.
Простым теплообменом не получится, так как масса рабочего тела будет намного меньше массы горящих газов, то есть рабочее тело не сможет их охладить в достаточной степени.
Чтобы можно было большое количество энергии впихнуть в небольшую массу рабочего тела, надо как-то повышать температуру.
То что мне приходит в голову, это преобразовать тепловую энергию в электрическую и потом нагревать водород электрической дугой. Так как у дуги температура намного выше чем у водородного пламени, то она сможет передать больше энергии меньшей массе водорода.
Преобразовать тепловую энергию в электрическую можно в магнитогидродинамическом генераторе через которого будут протекать горячие газы из камеры сгорания. Полученное электричество подается непосредственно к электродам во второй камере, где горит дуга и нагревает поток чистого водорода, который потом ускоряется в сопловом аппарате до требуемых скоростей истечения.
Напряжения и токи при этом получатся гигантскими, но это как раз возможно, если нет промежуточные преобразования энергии.
И в конце, возможно ли, что двигатель Кулева (из статьи в начале) реализует подобный цикл?
Мне кажется, что есть такая вероятность, но только если там, как-то, за счет вращения разделяются потоки продуктов горения и более легкие ускоряются до больших скоростей за счет более тяжелых.
Но продукты горения метана (вода, углекислота) сами по себе слишком тяжелые. Получение более легких продуктов горения (например водород как продукт разложения метана) автору никак не исследовано и не показано.
Надеюсь в комментариях напишете что вы думаете, с техническими аргументами. Ведь, может я все перепутал…
