Плотность энергии.

[avmich]

Внимательно читаем, что выше написано ;-) Цель - получить максимум ХС. ХС расчитывается исходя из соотноений начальной и конечной массы. Допустим, у нас есть ускоритель для космической пыли на 15 км/с со 100% КПД. Согласно закону сохранения энергии, чтобы ускорить 1 кг космической пыли, нужно потратить 9 кг водород-кислородной смеси в топливном элементе - чисто из соотношения скоростей. Потом водичка сбрасывается за борт - не тащить же ее с собой? В результате полученная ХС на данный расход топлива оказывается втрое НИЖЕ, чем если бы мы просто подали эту топливную пару в ЖРД.

Сразу замечу, пурга в этой теме знатная :) .

Хкуб, ты исходишь из предположения постоянства доступной энергии. В то время как сычбёд апеллирует к различным КПД разных процессов, проводимых с одинаковыми исходными материями. Поэтому у сычбёда запас энергии, вообще говоря, непостоянен, и твои выкладки оказываются не о том.

[Птыц]

Большое спасибо, sychbird, за подробное описание. Теперь мне понятно, что вы предлагаете.

[sychbird]

Внимательно читаем, что выше написано ;-) Цель - получить максимум ХС. ХС расчитывается исходя из соотноений начальной и конечной массы. Допустим, у нас есть ускоритель для космической пыли на 15 км/с со 100% КПД. Согласно закону сохранения энергии, чтобы ускорить 1 кг космической пыли, нужно потратить 9 кг водород-кислородной смеси в топливном элементе - чисто из соотношения скоростей. Потом водичка сбрасывается за борт - не тащить же ее с собой? В результате полученная ХС на данный расход топлива оказывается втрое НИЖЕ, чем если бы мы просто подали эту топливную пару в ЖРД.

Сразу замечу, пурга в этой теме знатная .

Хкуб, ты исходишь из предположения постоянства доступной энергии. В то время как сычбёд апеллирует к различным КПД разных процессов, проводимых с одинаковыми исходными материями. Поэтому у сычбёда запас энергии, вообще говоря, непостоянен, и твои выкладки оказываются не о том.

Замечание очень верное. Точно по сути. Но должен сказать, что и Хкуб своими коментариями заставил меня задуматься. :roll:

У меня, к сожалению, нет профильной инженерной подготовки по основам проектирования ракет. Я интуитивно исходил из того, что борьба за максимализм удельного импульс имеет высший приоритет. Пока для себя я пришел к выводу, что все-таки высокий удельный импульс позволяет получить необходимую  целевую ХС при меньшей стартовой массе. Нельзя забывать и о том, что высокий УИ, полученный за счет "утежеления" инженерных решений может подкосить удельную стоимость вывода ПН на орбиту.

Буду рад услышать другие мнения по данной проблематике.

[Chilik]

Посчитайте по уравнению Саха при какой температуре достигается ионизационное равновесие - обычно это 0.1-0.2 от потенциала ионизации. В этом и экономия. Хотя конечно даже при 2 эВ держать плазму по сути нечем.

Вот в этом-то и проблема. Уточню, что эти 0.1 от потенциала ионизации - это не ионизационное равновесие (оно есть при любой температуре, естественно), а переход к степени ионизации больше 50%. Неважно. В данном случае при ~2 эВ чем плазму держать? Если мы хотим поиметь выигрыш по сравнению с обычным сжатым газом (даже не со стандартными компонентами ракетного топлива, а тупо, пытаемся получить энергии больше, чем в баллоне гелия под давлением), то должны довести газокинетическое давление плазмы до тех же 400 ати, до которых газ сжимают. Тогда типа будет ещё пятёрка-десятка в ионизации. Так? Ну вот и можно прикинуть плотность плазмы для этих 2 эВ и 400 ати. Много. Столько не бывает. Чем держать? Там такая частота столкновений, что наверняка и магнитная термоизоляция работать не будет при доступных полях. А контакт со стенкой всё охладит в момент. Про излучение (лениво считать, но есть подозрение, что это будет почти излучение чёрного тела из-за сильного штарковского уширения линий) даже не говорю. И всё ради чего? Поиметь плотность запасённой энергии меньше, чем в керосине?

[hcube]

Тут даже думать нечего - законы физики - не игра в покер, от смены комбинации операций с веществом энергии из него больше извлечь не получится ;-). Есле у нас нету подкачки энергии снаружи - вполне реальной подкачки, а не собирания виртуальных гравитонов, то ЖРД - наилучший способ распорядиться наличной энергией. Точнее - наилучший в отсутствии внешней среды. Если есть - можно ее на малых скоростях использовать как рабочее тело и поднять УИ на этих скоростях - примерно до 8-12М работает, дальше выгоднее опять же ЖРД.

[Monoceros]

Интересно, какую максимальную энергию на кг можно вытянуть с вращающегося маховика?
Раскрутить гипотетический маховик из нанотрубок в глубоком вакууме подвешеный в магнитном поле + подавать туда водород, по-чучуть
+ сопло, вот и двигло %) Это все в космосе, конечно...

[RadioactiveRainbow]

Тут даже думать нечего - законы физики - не игра в покер, от смены комбинации операций с веществом энергии из него больше извлечь не получится ;-).

Именно поэтому я сформулировал вопрос именно так, а не иначе )
Бо космический двигатель - это источник энергии + преобразователь энергии в кинетическую. Причем для получения преимущества перед ЖРД, удельная энергия энергоносителя должна быть по крайней мере не меньше чем у жидкого топлива. Это условие категорически недостаточное, но строго необходимое.

[avmich]

Тут даже думать нечего - законы физики - не игра в покер, от смены комбинации операций с веществом энергии из него больше извлечь не получится ;-).

Строго говоря, получится, если 1) конечные состояния вещества разные или 2) КПД преобразований разный.

[zyxman]

ЖРД - наилучший способ распорядиться наличной энергией. Точнее - наилучший в отсутствии внешней среды.

Не только внешней среды, а также и существенной гравитации - поэтому ЭРД дают весьма заметный выигрыш уже на средних орбитах.

Кроме того, у ЖРД принципиальное ограничение на возможную ХС - грубо говоря вот как только произведут высадку на Европу - все, больше на ЖРД летать некуда вообще.

[hcube]

ЭРД дают выигрыш в случае наличия неограниченного источника энергии. Если его нету - то повышать УИ за счет отброса только ЧАСТИ массы - полный бред, потому что получаемая ХС ПАДАЕТ прямо пропорционально росту УИ ;-).

[sychbird]

Тут даже думать нечего - законы физики - не игра в покер, от смены комбинации операций с веществом энергии из него больше извлечь не получится ;.

Заявление лихое, спору нет. Но так ли оно бесспорно, если смотреть на проблему вне наезженной колеи подходов термодинамики  и физики ЖРД.  :roll: Полное содержание химической энергии в суммарной массе РЗТ отнюдь не исчерпывается экзоэнергией теплоты горения при оптимальном стехиометрическом соотношении.
В действительности оно  равно суммарной удельной энальпией этих веществ. И если скажем брать пару кислород /керосин, то  соотношение теплотворной способности керосина и суммарной удельной энтальпии кислорода и керосина, то разница этих величин весьма ощутима.

Можно ли вскрыть этот резервуар с остаточной частью энтальпии? Вот в чем первая часть проблемы. Вторая часть проблемы, можно ли сделать это с затратой энергии, меньшей чем выделиться в результате вскрытия. Иначе говоря имеется ли в этом процессе потенциальный барьер, после преодоления которого процесс пойдет самопроизвольно?.

И такой процесс имеется! Он чисто физический: каскадный ударный электрический пробой в плотной низко-ионизованной плазме. И если вести его вне КС, за критическим сечением сопла, то вопросы удержания, на  которые справедливо указывают специалисты-плазменьщики, можно обойти, ИМХО.

Получаем некую комбинацию ЖРД с электротермическим РД и гипотетической возможностью добавить сюда электромагнитный доразгон за срезом сопла.

И никто не мешает после использования части РЗТ в ЭХГ высокой удельной мощности вернуть его в КС, тем более что есть варианты с выделением водорода в ЭХГ.

[hcube]

Энтальпия - это другое название теплоты химической реакции. Реакция горения при стехиометрическом отношении - полная, т.е. при ней в тепло переходит ВСЯ теплота химической реакции данной топливной пары. После этого с хорошим КПД эта теплота переводится в энергию поступательного движения.

Допустим, мы взяли ТЭ и вместо сжигания одного компонента в другом, направили их в ТЭ. На выходе мы получили воду при температуре исходных компонентов плюс энергию химической реакции.

Если мы эту энергию направим на нагреватель и ускорим им полученное количество рабочего тела, то получим аналог ЖРД. Честно говоря, я сомневаюсь, что выигрыш будет хотя бы и 5% ХС ;-).

Можно направить энергию на механический разгон рабочего тела - но это опять же не идеал - чтобы разогнать РТ до величины порядка УИ, нужно иметь лопатки насоса, движущиеся с такой скоростью ;-)

ЭРД - вообще не вариант. Энергия, затраченная на ионизацию РТ, не возвращается - не может быть использована для доразгона РТ при рекомбинации. А это большая энергия - сопоставимая с теплотой сгорания ;-).

[sychbird]

Энтальпия - это другое название теплоты химической реакции. ).

Вы говорите об  энтальпии реакции, которая есть разница энтальпий начальных и конечных компонентов реакции, а я о полной   энтальпии вещества. Последняя есть энергия связи всех электронов в атоме или молекуле, после удаления их на бесконечное расстояние от ядра. Этот термин не имеет очень широкого хождения, но тем не менее употребляется.
Возможно мне стоило его пояснить в  свое посте. :cry:

[sychbird]

. Энергия, затраченная на ионизацию РТ, не возвращается - не может быть использована для доразгона РТ при рекомбинации. А это большая энергия - сопоставимая с теплотой сгорания ;-).

Это мне кажется спорным. ИМХО, зависит от того, как организованы процессы в объеме и пространстве. А вот то, что это большая энергия, меня и влечет.

[hcube]

Ага. И откуда вы возьмете исходные компоненты в ПОЛНОСТЬЮ ионизированном состоянии? ;-) Наилучшее возможное приближение - это озон вместо кислорода. Усе, остальные варианты еще хуже ;-).

[sychbird]

Ага. И откуда вы возьмете исходные компоненты в ионизированном состоянии? ;-) Наилучшее приближение - это озон вместо кислорода. Усе, остальные варианты еще хуже ;-).

Я же написал - ударный пробой в плотной плазме за критическим сечением сопла. Возможно даже за срезом тарельчатого сопла или сопла внешнего расширения. На изолированный от сопла электрод.

[Ark]

После этого с хорошим КПД эта теплота переводится в энергию поступательного движения.

Может я ошибаюсь?
Сравнил - энергию полезной нагрузки mv2/2 + потенциальная энергия mgh  и теплоту сгорания керосина - получил КПД всего 5%.

[Андрей Суворов]

После этого с хорошим КПД эта теплота переводится в энергию поступательного движения.

Может я ошибаюсь?
Сравнил - энергию полезной нагрузки mv2/2 + потенциальная энергия mgh  и теплоту сгорания керосина - получил КПД всего 5%.

В энергию поступательного движения продуктов сгорания, а не полезного груза, к сожалению... Но тут уж фундаментальное ограничение принципа реактивного движения - сначала мы вынуждены разгонять то, что будем потом отбрасывать назад...

[hcube]

Я об этом и говорю - энергию где взять? Чтобы ионизировать газ, нужна энергия. При рекомбинации он в лучшем случае эту энергию вернет - причем если исходную энергию мы можем скажем потратить на подогрев компонентов ДО двигателя, то после ионизациии она уже совершенно бесполезна, бе тяга двигателя создается ДО критсечения и сразу после него, а широкая часть сопла добирает жалкие ошметки УИ ;-), поэтому ионизация газа после сопла только УХУДШИТ работу двигателя, потому что повысит давление на выходе сопла и может 'запереть' поток газа.

[Гость 22]

Полное содержание химической энергии в суммарной массе РЗТ отнюдь не исчерпывается экзоэнергией теплоты горения при оптимальном стехиометрическом соотношении.

Если в исходном состоянии компоненты топлива не ионизированы, то именно теплотой сгорания всё и ограничивается.
 

В действительности оно  равно суммарной удельной энальпией этих веществ. И если скажем брать пару кислород /керосин, то  соотношение теплотворной способности керосина и суммарной удельной энтальпии кислорода и керосина, то разница этих величин весьма ощутима.

Вообще-то, сама по себе энтальпия ничего не обозначает, поскольку выбор нуля в общем случае произволен. Важна разница энтальпий веществ в начальном и конечном состояниях. Теплотворная способность - это тепловой эффект реакции полного сгорания, что есть разница энтальпий исходных веществ и продуктов сгорания. Поэтому при полном сгорании веществ никакого неиспользованного запаса химической энергии не остаётся.

Можно ли вскрыть этот резервуар с остаточной частью энтальпии?

Если Вы говорите о теплоте рекомбинации, то нельзя. Точнее, было бы можно, если бы компоненты топлива были уже ионизированы в исходном состоянии, в баках.

Вторая часть проблемы, можно ли сделать это с затратой энергии, меньшей чем выделиться в результате вскрытия. Иначе говоря имеется ли в этом процессе потенциальный барьер, после преодоления которого процесс пойдет самопроизвольно?.

И такой процесс имеется! Он чисто физический: каскадный ударный электрический пробой в плотной низко-ионизованной плазме.

Что-то я не понял, откуда прибавка появится.

На ионизацию нужно сначала затратить определенную энергию (независимо от того, как именно эта энергия подводится), которая выделится при рекомбинации. Самопроизвольно ионизация никогда не происходт. Поэтому нужно либо постоянно подводить электрическую энергию для поддержания пробоя, либо тратить на это часть тепловой энергии сгорания топлива, что в повлечет снижение скорости истечения.