Холодный кислород-водородный ЖРД.

[fagot]

Ладно, давайте так.
Отдаём 5 кВт на топливо. Это 800 г в час, 20 кг в день, 600 кг в месяц. Уже изрядно.
Отбираем только тот кислород который нужен на дыхание, остальное в двигатель. Низкотемпературный двигатель отменяем, сжигаем почти при стехиометрии (за вычетом того кислорода который на дыхание).
Двигатель делаем с радиационно-инерционным охлаждением. То есть толстые стенки которые за несколько секунд работы двигателя не успевают нагреться до опасной температры а потом час остывают.
А 600 кг в месяц да ещё с УИ 450 сек это изрядно. Прогресс меньше привозит.
Так годится?  :wink:

Да уж, впечатлился я этими 5-ю киловаттами, а посчитать поленился. Значит выходит такой расклад: Прогресс привозит в среднем 290 кг топлива в расчете на месяц и при троих членах экипажа 200 л воды на месяц. За счет высокого УИ топлива будет нужно меньше где-то в полтора раза, т.е. 195 кг в месяц. 45 литров уйдет в Электрон, а остальные 155 в конце-концов превратятся  отходы и их можно разлагать на водород и кислород плюс 5 кг водорода с Электрона. Тогда понадобится дополнительно всего 35 кг воды в месяц. Ну конечно всю воду из отходов использовать не удастся , но даже если ее возить специально, можно сэкономить где-то 95 кг в месяц, а в идеальном случае 255 кг, реальные цифры будут где-то между этими значениями, интересно бы узнать, сколько они выбрасывают жидких отходов. В расчете на один Прогресс экономия будет от 285 до 765 кг, однако если учесть, что 250 "лишних" кг в ОДУ Прогресса выкинуть нельзя, то меньше, ну и для маневров уклонения целесообразнее использовать его двигатели. Так же при соотношении 1:6,5 УИ может быть несколько ниже 450 секунд, но ненамного. Часть жидких отходов скорее всего прямо в электролизер заливать не удастся, но можно их как-нибудь очистить. На электролиз необходима мощность около 1200 кВт*ч в месяц, что не очень много. Очевидно, что при 6 человеках дополнительной воды скорее всего не понадобится и экономия будет максимальной.
Если емкостное охлаждение дополнить термостойкими покрытиями, то можно и двигатели ориентации на газ перевести и увеличить время работы основного двигателя, хотя при этом конечно понадобятся баллоны большей емкости.
Ключевой вопрос - надежность и ресурс электролизера. У Электрона с этим не очень - и ломается часто и ресурс всего полгода, хотя отрабатывал он обычно больше. И еще важный момент - на скольких человек рассчитан Электрон, тогда можно было бы оценить массу электролизера.

[Старый]

По воде баланс будет полный т.к. кроме той воды что привозят в воду ещё превращается часть пищи.
 Единственная проблема - надо будет извлекать и кудато девать соли содежащиеся в урине.


 Однако скорее всего всётаки ничего не выйдет. Счас на станции нет замкнутого цикла по воде и её приходится возить. Если сделать полную регенерацию воды из конденсата и из урины то воду возить не надо будет. Но и выкидывать через двигатели соответственно тоже нельзя. Так что всё равно прийдётся возить - или топливо или дополнительную воду.
 Хотя воды потребуется раза в полтора меньше врядли это оправдает затраты электроэнергии и всю эту мороку с электролизёрами/баллонами...

[чайник17]

Ну раз уж тема перетекла на экономию грузопотока на станцию...

Самое простое и выгодное, это избавиться от доставки кислорода (не важно, в виде O2 или воды). Один электролиз этого не позволяет, если пища достаточно сухая, даже если использовать воду из жидких отходов и не учитывать потери воды и кислорода (со сбрасываемым CO2, водородом, твёрдыми отходами; при шлюзовании).

Для примера можно рассмотреть углеводы - основной компонент пищи:

CH2O + O2 -> CO2 + H2O (метаболизм в организме)

добавляя электролиз, получаем

O2 + 2 CH2O -> 2CO2 + 2H2

или

H2O + CH2O -> CO2 + 2H2

То есть требуется либо кислород, либо влажность пищи не должна быть меньше 40%. Это для углеводов, для жиров и белков всё гораздо хуже.

Но избытка воды/кислорода на станции легко добиться при использовании конверсии CO2 в метан, столь нелюбимого здесь процесса:

CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O

Процесс преобразования углеводов на станции при этом:

2CH2O -> CO2 + CH4

а утечки и проблемы с белками и жирами покрываются влажностью пищи.

Метан можно использовать как топливо, если привезти кислород. Или попробовать подобрать электрический двигатель с метаном как рабочим телом. Или пойти дальше:

CH4 + O2 -> C(сажа газовая) + H2O

В результате из пищи(углеводы) получаем топливо и окислитель:

2 CH2O -> C + O2 + CH4

Только мало. Где-то полкило на человека в день. Наверно, экономически невыгодно разводить химзавод на станции при экипаже из всего лишь шести человек.

[Alex_S_S]

Холодный кислород-водородный жидкостной ракетный двигатель.

Суть идеи: в камеру сгорания ракетного двигателя подаются кислород и водород, при коэффициенте избытка окислителя порядка 0,1-0,2. То есть продукты сгорания получаются с большим избытком горючего (водорода).
Температура в камере сгорания при этом колеблется в пределах 500-1500К.
Благодаря большому значению R продуктов сгорания, обусловленному большим количеством водорода, даже при сравнительно небольших температурах достигается удельный импульс порядка 3000-3800 м/с (306-387с).

а почем-бы не применять "найтрокс" ? тот что "веселящий газ" и тот что применяют для стритрейсинга ?
в нем и кислород есть и азот - так вот азот как раз регулирует температуру (снижает) горения.

Рутан, кстати - в космос летал на гибридной ракете - там жидкий "найтрокс" и переработанные павтопокрышки в качестве углеродного топлива ...

[Alex_S_S]

Говорят, что для получения 90 г водорода нужно 5 кВт*ч электроэнергии - вот и считайте, выгодно это или нет :wink:

У вас старые данные... это при стандартном электролизе. а вот есть примеры как дешево и сердито - причем с примерами реализации:
http://jlnlabs.imars.com/bingofuel/index.htm

Вот тесты:
http://jlnlabs.imars.com/bingofuel/html/bfr11.htm
...
There is 46% of H2 in the synthetic gas generated by the BingoFuel Reactor, so it produces about 83 liters per hour of H2. The BingoFuel Reactor produces 2.3 times more H2 gas than a common electrolyser.
The fuel mixture produced by the BingoFuel Reactor is about 1080 liters per hour, a common 1 cell electrolyser produces about 54 liters per hour ( at 20°C ) of mixture of H2 and O2, so the BingoFuel Reactor produces 20 times more of fuel mixture than a common electrolyser.
...

вот "закольцованная схема"
http://jlnlabs.imars.com/bingofuel/html/bfr5hpgen.htm

Как самому сделать подобный генератор
http://jlnlabs.imars.com/bingofuel/html/aquagen.htm

Состав получаемого газа:

Below, an analysis of this gas conducted by the NASA :
------------------------------------
Hydrogen          46.483 %
Carbon Dioxide   9.329
Ethylene             0.049
Ethane               0.005
Acetylene           0.616
Oxygen              1.164
Nitrogen             3.818
Methane             0.181
Carbon Monoxide  38.370
------------------------------------

[RadioactiveRainbow]

а почем-бы не применять "найтрокс" ? тот что "веселящий газ" и тот что применяют для стритрейсинга ?
в нем и кислород есть и азот - так вот азот как раз регулирует температуру (снижает) горения.

Маловероятно. УИ гораздо сильнее зависит от температуры и R, чем от всего прочего.
То что я предлагал только потому и получило такой УИ при Т<1000К, что водорода там много больше чем кислорода, и R у ПС где-то получается почти 2000.
Азот тяжелый, и сильно уронит этот параметр, а если ещё и температуру опустить...

Хотя, можно, конечно посчитать... Из чисто академического интереса.
Да прибудет со мной Астра.

[поверхностный]

Хочу предложить одну рюшечку к "холодному" двигателю: если температура в камере сгорания 500'С, то после расширения в сопле в сто раз, температура упадет как бы не в три раза (за целый вечер не смог найти в интернете показатель адиабаты водорода). Может даже до комнатной?
 Предложение такое: потратить еще немного кислорода путем добавления в расширяющуюся часть сопла, чтобы и в нем температура по всей длине была 500 градусов. Этим мы вкатим в рабочее тело в три (?) раза больше энергии и импульс чуть подрастет.
 Крайний случай совмещенного днища - маленький бак целиком внутри большого

[fagot]

У вас старые данные... это при стандартном электролизе. а вот есть примеры как дешево и сердито - причем с примерами реализации:

Так этим примерам уж сто лет в обед - синтез-газ и биогаз давным-давно получают. Но тут есть одна проблема - необходимы вода и кислород, на МКС же с этим напряженка, а вот электроэнергия более доступна. В принципе конечно можно использовать эту технологию для утилизации твердых отходов, но вряд ли выгода будет велика, зато появится лишний и не очень безопасный аппарат .

Состав получаемого газа:

Below, an analysis of this gas conducted by the NASA :
------------------------------------
Hydrogen 46.483 %
Carbon Dioxide 9.329
Ethylene 0.049
Ethane 0.005
Acetylene 0.616
Oxygen 1.164
Nitrogen 3.818
Methane 0.181
Carbon Monoxide 38.370

Для сжигания опять же нужен кислород, его нужно привести и хранить, а УИ вряд ли превысит "вонючку". Так что в целом для МКС процесс невыгоден.

[fagot]

Хочу предложить одну рюшечку к "холодному" двигателю: если температура в камере сгорания 500'С, то после расширения в сопле в сто раз, температура упадет как бы не в три раза (за целый вечер не смог найти в интернете показатель адиабаты водорода). Может даже до комнатной?

Показатель адиабаты водорода 1,4.
 

Предложение такое: потратить еще немного кислорода путем добавления в расширяющуюся часть сопла, чтобы и в нем температура по всей длине была 500 градусов. Этим мы вкатим в рабочее тело в три (?) раза больше энергии и импульс чуть подрастет.

Энергию нужно подводить в КС, а в сверхзвуковой части сопла расширение по адиабате выгоднее, чем по изотерме.

Крайний случай совмещенного днища - маленький бак целиком внутри большого

Это можно - добавив изоляции, сэкономим на длине переходника, конструкция правда усложнится. Но бак водорода мы никак не уменьшим

[поверхностный]

Показатель адиабаты водорода 1,4

Выходит, что из 500'С после расширения в сто раз получается -60'С? Выхлоп заморозит старт?

расширение по адиабате выгоднее

Вообще-то все зависит от условий задачи. Это верно, если задана энергия, которую надо оптимально потратить. Тогда сначала нагрев, потом адиабатическое расширение. Даже во "взрослом" двигателе не сжигают весь водород, т.е. не используют всю энергию. А в холодном считается, что энергии безмерно.  Энергия здесь растет пропорционально весу кислорода, а вес всей заправки растет гораздо медленнее, т.к. кислорода << чем водорода. Ну и температура в двигателе ограничена. Значит оптимальным будет расширение по изотерме.

 Вот, например, в паровых двигателях температура пара в котле ограничена, и его подогревают между ступенями расширения. Термодинамически процесс неоптимальный, но конкретный КПД растет.

[fagot]

Выходит, что из 500'С после расширения в сто раз получается -60'С? Выхлоп заморозит старт?

Старт как-нибудь переживет, а вот если вода в выхлопе замерзнет, то УИ упадет. Но при предложенном давлении в КС такого расширения не обеспечить - только в вакууме.

Вообще-то все зависит от условий задачи. Это верно, если задана энергия, которую надо оптимально потратить. Тогда сначала нагрев, потом адиабатическое расширение. Даже во "взрослом" двигателе не сжигают весь водород, т.е. не используют всю энергию.

Во "взрослом" двигателе дело не в температуре, а в УИ - избыток водорода позволяет его повысить. Очевидно в данном случае добавление кислорода только понизит УИ.

А в холодном считается, что энергии безмерно.

Как это безмерно, мы ведь ее не из вакуума берем :wink:

Энергия здесь растет пропорционально весу кислорода, а вес всей заправки растет гораздо медленнее, т.к. кислорода << чем водорода.

Даже в этом двигателе вес кислорода больше веса водорода, но это в общем неважно, т.к. тяга тоже растет.

Ну и температура в двигателе ограничена. Значит оптимальным будет расширение по изотерме.

Это только в данном кривом двигателе она ограничена, а в нормальных двигателях вполне охлаждение можно обеспечить, поэтому выгоднее сразу сжечь весь потребный водород в КС и не морочиться. В пределе получится, что в целом у нас то же самое соотношение компонентов, но с гораздо худшим УИ.

[поверхностный]

Еще раз о кривом (вообще-то он мне нравится). Спору нет, его УИ принципиально ниже, чем у предельного. Вопрос был - компенсирует ли его суперпростота снижение характеристик. R. Rainbow посчитал для Т=500 импульс=306м/с. Интересно посчитать, насколько же его поднимет изотермическая схема.

[fagot]

Еще раз о кривом (вообще-то он мне нравится). Спору нет, его УИ принципиально ниже, чем у предельного. Вопрос был - компенсирует ли его суперпростота снижение характеристик. R. Rainbow посчитал для Т=500 импульс=306м/с.

Однозначно не компенсирует и дело не только в низком импульсе, но и в гораздо худшем массовом совершенстве. Да и зачем иметь водородные проблемы при УИ ниже чем у "вонючки"?

Интересно посчитать, насколько же его поднимет изотермическая схема.

Тут трудно сказать, но схема существенно ухудшает главное достоинство двигателя - его простоту. Усложнение произойдет из-за необходимости подвода дополнительного кислорода и обеспечения хорошего перемешивания его с основным потоком и равномерного сгорания. А вот с горением этого кислорода возникнут проблемы, так как для самовоспламенения температура слишком низка.

[С. Тушин(ский)]

Ну раз уж тема перетекла на экономию грузопотока на станцию...
Но избытка воды/кислорода на станции легко добиться при использовании конверсии CO2 в метан, столь нелюбимого здесь процесса:
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O
Процесс преобразования углеводов на станции при этом:
2CH2O -> CO2 + CH4 а утечки и проблемы с белками и жирами покрываются влажностью пищи.
Метан можно использовать как топливо, если привезти кислород. Или попробовать подобрать электрический двигатель с метаном как рабочим телом. Или пойти дальше:
CH4 + O2 -> C(сажа газовая) + H2O
В результате из пищи(углеводы) получаем топливо и окислитель: 2 CH2O -> C + O2 + CH4
Только мало. Где-то полкило на человека в день. Наверно, экономически невыгодно разводить химзавод на станции при экипаже из всего лишь шести человек.

Да зачем химзавод? Человек сам "вырабатывает" метан! Достаточно небольшой трубочки, вставленной в соответствующее место... И в двигатель... Представляете процедуру уклонения? "Все члены экипажа дружно заняли свои рабочие места и приготовились к работе. Пуск! Зажигание! Промежуточная! Главная! Фух... с облегчением вас, то есть с уклонением, дорогие космонавты..."
А уж как при этом будет проходить отбор в космонавты... Просто песня...

[RadioactiveRainbow]

У идеи есть существенный изъян - с такой системой подачи невозможно обеспечить более-менее приличное давление в КС.
Думаю, никак не более 5 атм.
А настолько низкое давление на УИ скажется более чем.  :?

[Наперстянка]

Если б это был спирт я б его убил! Впрочем космонавты убили бы его раньше...

То-то он подозрительно часто дохнет  

А может это, специально разлагать воду образующуюся от мочи и пота? Туда воду сотнями кг возят, должно много получаться. Электричества конечно пожрёт море, но не надо топливо возить. Может чего получится, а?

Говорят, что для получения 90 г водорода нужно 5 кВт*ч электроэнергии - вот и считайте, выгодно это или нет :wink:

Так надо обращаться не к сказочникам.

[Наперстянка]

Ладно, давайте так.
Отдаём 5 кВт на топливо. Это 800 г в час, 20 кг в день, 600 кг в месяц. Уже изрядно.
Отбираем только тот кислород который нужен на дыхание, остальное в двигатель. Низкотемпературный двигатель отменяем, сжигаем почти при стехиометрии (за вычетом того кислорода который на дыхание).
Двигатель делаем с радиационно-инерционным охлаждением. То есть толстые стенки которые за несколько секунд работы двигателя не успевают нагреться до опасной температры а потом час остывают.
А 600 кг в месяц да ещё с УИ 450 сек это изрядно. Прогресс меньше привозит.
Так годится?  :wink:

Да уж, впечатлился я этими 5-ю киловаттами, а посчитать поленился. Значит выходит такой расклад: Прогресс привозит в среднем 290 кг топлива в расчете на месяц и при троих членах экипажа 200 л воды на месяц. За счет высокого УИ топлива будет нужно меньше где-то в полтора раза, т.е. 195 кг в месяц. 45 литров уйдет в Электрон, а остальные 155 в конце-концов превратятся  отходы и их можно разлагать на водород и кислород плюс 5 кг водорода с Электрона. Тогда понадобится дополнительно всего 35 кг воды в месяц. Ну конечно всю воду из отходов использовать не удастся , но даже если ее возить специально, можно сэкономить где-то 95 кг в месяц, а в идеальном случае 255 кг, реальные цифры будут где-то между этими значениями, интересно бы узнать, сколько они выбрасывают жидких отходов. В расчете на один Прогресс экономия будет от 285 до 765 кг, однако если учесть, что 250 "лишних" кг в ОДУ Прогресса выкинуть нельзя, то меньше, ну и для маневров уклонения целесообразнее использовать его двигатели. Так же при соотношении 1:6,5 УИ может быть несколько ниже 450 секунд, но ненамного. Часть жидких отходов скорее всего прямо в электролизер заливать не удастся, но можно их как-нибудь очистить. На электролиз необходима мощность около 1200 кВт*ч в месяц, что не очень много. Очевидно, что при 6 человеках дополнительной воды скорее всего не понадобится и экономия будет максимальной.
Если емкостное охлаждение дополнить термостойкими покрытиями, то можно и двигатели ориентации на газ перевести и увеличить время работы основного двигателя, хотя при этом конечно понадобятся баллоны большей емкости.
Ключевой вопрос - надежность и ресурс электролизера. У Электрона с этим не очень - и ломается часто и ресурс всего полгода, хотя отрабатывал он обычно больше. И еще важный момент - на скольких человек рассчитан Электрон, тогда можно было бы оценить массу электролизера.

Что-то юмор не понял,какие киловаты могут быть при производстве водорода в самой обеспененой углеводородами стране,в чем прикол то?

[Наперстянка]

Вопрос специалистам (если возможно прикинуть сходу,то есть очень примерно): Какие минимальный вес,размер и тягу должна иметь камера полностью из сплава молебден 80% - тантал 20% (по массе),если давление на форсунки - 700атм,расход горючего соответствует рабочему ресурсу в 1000 сек.,полный расход горючего 2000т за 600сек(3,33 т/сек),все внешнее охлаждение осуществляется водородом,который далее поступает в газогенератор,охлаждение всей насосной системы водородом,который тоже отправляется в газогенератор,с которого газ подается на оптимальную по количеству ступеней турбину из того же материала,и далее - в отдельное сопло. Внутреннее охлаждение полностью на водороде(пристеночные форсунки на водороде). Форсунки однокомпонентные ( диаметр отверстий не более 2 мм ). Внутреннее покрытие - тантал 50 мкм . Критическое сечение - стандартно-оптимальное. Двигатель для нулевой высотной отметки. Ребра охлаждения примерно такие же,как у РД-107,но соответствуют расходу водорода на внешнее охлаждение Давление в баках соответствует переохлажденным кислороду и водороду. Интересно посмотреть,как влияет на вес и размеры хорошая прочность хорошего в обработке материала материала.

[Вадим Семенов]

У меня была на эту тему идея.
 На станциях водород из Электрона выпускают за борт. Если разложить ещё немнгого воды то полученый "лишний" кислород можно сжечь с водородом и получить тягу с высоким УИ сравнимым с УИ гидразинового топлива. Так как сгорание будет происходить с большим избытком водорода (в два-три раза больше чем в обычных двигателях) то можно сделать простенькую неохлаждаемую камеру сгорания работающую на газообразных Н2 и О2.

Лучше греть водород дугой или электрическим разрядом в газе при низком давлении. Без всякого кислорода. Тогда УИ 900-1000 наверно можно получить. Водород нигде не накаплива, а сразу после электрона в двигатель. Использовать в качестве двигателя малой тяги в постоянном режиме для поддержания орбиты. Либо опять же в качестве двигателя малой тяги при межпланетном перелете.

[Вадим Семенов]

Однако скорее всего всётаки ничего не выйдет. Счас на станции нет замкнутого цикла по воде и её приходится возить. Если сделать полную регенерацию воды из конденсата и из урины то воду возить не надо будет...

Полностью замкнуть цикл по воде не получится, если только не разлагать углекислый газ на кислород и углерод. Потому что часть поступившего с водой кислорода в процессе метаболизма превращается в углекислый газ, а он отправляется за борт. Соответственно, неизбежно придется  отправлять за борт  соответствующую ему часть водорода. Либо возить недостающий кислород в баллонах, что еще хуже, чем в виде воды. Даже реакция Сабатье лишь уменьшит потери по воде в два раза, но не исключит полностью - там часть водорода выбрасывается в виде метана. Только разложение углекислого газа на катализаторе при температуре ~1000К на кислород и сажу с выбросом чистой сажи за борт может замкнуть цикл. Но это еще тот геморой. Так что можно смело считать, что источник водорода в том или ином количестве на борту есть