Bun. Daca am vazut ce este cu atomul (aici si aici), acum sa vedem ce e cu rachetele. Ei bine, niste principii foarte fundamentale ale fizicii ne spun ca nu putem sa ne deplasam intr-o directie fara sa aruncam ceva in cealalta directie. Este legea actiunii si reactiunii si este ce se foloseste pentru practic orice forma de miscare. Cand pasim, impingem pamantul inapoi, si el ne impinge inainte. Cand folosim o elice, impingem fluidul inapoi, si el ne impinge inainte.
Un motor de racheta functioneaza fix la fel: se arunca ‘ceva‘ in spate, si restul rachetei este propulsata inainte. In esenta, este fix ca reculul unei arme.
Actiune și reactiune
‘Ceva’-ul acela poarta numele de ‘masa de reactie’ (din motive evidente). In general prin racheta, intelegem un sistem care isi produce propria sa energie (pentru a arunca acel ceva in spate) si isi cara propria masa de reactie dupa ea (spre exemplu, intr-un rezervor).
Ca sa contrastam, o barca is produce propria energie (arderea produsa in motor), dar masa de reactie este apa din jur; deci nu este racheta; in schimb, o racheta de artificii isi produce energia prin ardere si arunca gazele rezultate ca si masa de reactie. Totul e la bord si nu necesita nimic in jur.
Si asa am condensat ce este o racheta…dar nu e asa usor, ca doar nu s-au chinuit niste mii de oameni degeaba vreme de ani de zile sa le faca sa functioneze. 🙂
Treaba unei rachete este sa se miste pe ea si incarcatura sa (care poate fi orice; oameni, vehicule, sateliti, caini comunisti, etc). Deci sa produca o schimbare de viteza de la ‘stationar’ la ‘in miscare’. O diferenta de viteza, pe care o vom denumi delta-V sau \(\Delta v\). Vom reveni la ea.
In general, reactia masei si a rachetei nu se masoara in unitati de viteza, ci in ‘impuls’ (in engleza ‘momentum‘; a nu se confunda cu termenul de ‘impuls specific‘ de mai tarziu). Impulsul se calculeaza inmultind masa obiectului (rachetei) cu viteza de deplasare din urma reactiei. E un mod simplu de a spune ca o masa mica ce se deplaseaza cu viteza mare are acelasi impuls ca o masa mare ce se misca cu o viteza mica. In practica, asta inseamna ca putem propulsa o racheta foarte mare si grea folosind o cantitate mica dar rapida de masa de reactie.
Apare intrebarea: ‘ok, si care este legatura dintre viteza cu care aruncam ceva in spate si viteza noastra de deplasare finala?‘.
Ei bine, evident, cu cat aruncam ceva in spate mai repede, cu atat impulsul primit de racheta este mai mare. Daaaar, pe masura ce aruncam masa de reactie, racheta devine mai usoara, deci fiecare secunda de functionare adauga mai multa viteza decat ultima secunda. Si fiindca masa noastra de reactie este limitata (la un moment dat, nu mai avem ce arunca in spate) ajuta ca fiecare kilogram sau molecula pe care o evacuam sa se miste cat mai repede, sau sa avem cat mai multa masa de reactie. Astfel introducem conceptul de ‘impuls specific‘ si ‘procent masic‘.
Impulsul specific (prescurtat Isp) determina cat de eficienta e racheta, adica cat de repede arunca o cantitate standard de masa de reactie in spate. Se masoara in secunde (din motive matematice). Un impuls specific de 1 secunda inseamna ca o racheta va produce 1 Newton de forta vreme de 1 secunda. Un Isp de 100 secunde inseamna ca va produce 1 N forta vreme de 100 de secunde SAU 100 N forta vreme de 1 secunda.
In practica impulsul specific tine de viteza de evacuare. Astfel un impuls specific de 100 secunde corespunde unei viteze de evacuare de 981 m/s (se inmulteste Isp cu acceleratia gravitationala de 9.81 m/s^2). Ele sunt concepte interschimbabile.
Procentul masic sau raportul masic (notam Rm) este pur si simplu procentajul din masa totala a rachetei care este masa de reactie. Pentru ca, dupa cum am definit o racheta mai sus, ea isi cara dupa ea propria ei masa de reactie. O racheta care arunca inapoi apa putem spune ca foloseste apa ca si masa de reactie. Daca raportul masic este de 0.4 sau 40%, inseamna ca pentru o racheta de 100 tone, 40 vor fi apa. Sau ce doresti sa folosesti ca masa de reactie.
Bun, dar totusi pe masura ce pornim motorul si evacuam masa, racheta devine mai usoara. Procentul masic scade. Acceleratia tot creste, nu e liniara treaba. De unde stim care va fi viteza finala a unei rachete?
Ei bine, aici am sa introduc singura si cea mai importanta ecuatie din rachetistica – ecuatia lui Tsiolkovsky sau ecuatia rachetei:
\( \Delta v = I_{sp} \times g_0 \times ln(\frac{m_0}{m_f})\)
Raportul din paranteza este practic masa totala (\(m_0\)) a rachetei impartita la masa goala (sau uscata) a rachetei (adica fara masa de reactie, dar incluzand motoarele, rezervoarele goale, structura, avionica, chestiile pe care le caram, etc, notat cu \(m_f\) pentru ca e masa finala a rachetei dupa ce a terminat arderea). Putem sa scriem si viteza de evacuare ca fiind Isp inmultit cu acceleratia standard gravitationala si obtinem:
\( \Delta v = v_{evacuare} \times ln(1 – \frac{1}{R_m})\)
Hai sa o folosim nitel.
Ca sa ajungem de pe orbita terestra joasa (400 km inaltime) pe obita in jurul Lunii ne trebuie un delta-V de 3 km pe secunda. Avem o racheta cu hidrogen lichid si oxigen lichid (LH-LOX). O astfel de racheta are Isp de 450 secunde, deci o viteza de evacuare de 4,3 km/sec.
Facand impartirea rezulta valoarea logaritmului ca fiind 0.68. Si rezolvand, obtinem ca raportul dintre masa totala si cea goala este de aproximativ 2. Deci, racheta este 50 la suta combustibil si 50 la suta sarcina utila. Not bad.
Problema devine mult mai neplacuta pentru valori de delta-V mai ridicate. Pentru 9 km/sec, cat este necesar pentru a ajunge pe orbita, racheta transporta 7.4 ori mai mult combustibil decat cantareste (adica este 88 la suta combustibil, si asta fara a tine cont de frecarea cu aerul, si pierderile gravitationale, care depind de acceleratie). Practic, incercarea de a obtine viteze mult mai mari cu acelasi Isp iti transforma racheta intr-un enorm balon de combustibil (din care doresti sa arunci parti din rezervoare pe masura ce se golesc). Este fix principiul rachetelor moderne.
Ca sa facem o comparatie:
- o masina este cum 3-5 la suta combustibil. Deci 30-50 kg per tona;
- un avion este cam 30 – 35 – 40 la suta combustibil;
- o racheta moderna chimica este cam 90 la suta combustibil.
Dar pentru ca omenirea sa ajunga o specie multiplanetara, nu e suficient. Nu ne permitem sa ne dezintegram navele sau sa folosim sute de tone de combustibil pentru a duce cateva kilograme de material pe Marte. Pentru a obtine o dezvoltare ca lumea ne trebuie un raport masic mai degraba similar cu un avion (40-50 la suta). Ce e de facut?
Daca ne uitam la ecuatia de mai sus, vedem ca pentru a creste delta-V putem ori sa crestem raportul din paranteza (mai mult combustibil) SAU sa crestem viteza de evacuare.
Problema este ca rachetele chimice au viteze de evacuare reduse. Hidrogenul lichid plus oxigenul lichid mentionat mai sus are cea mai ridicata viteza teoretica de evacuare (450 sec Isp sau 4400 m/sec). Motivul pentru asta tine de mai multi factori, dar in principiu e vorba de faptul ca 1 kg de hidrogen are o energie de 141 Mj.
Ei bine 1 kg de uraniu 235 are o energie de 80,620,000 Mj. Deci de aproape 600,000 de ori mai multa energie! Acesta este motivul pentru care combustibilii nucleari sunt interesanti pentru aplicatii spatiale. Desigur, nu e atat de simplu, pentru ca reactia nucleara trebuie controlata. Dar interesul are o baza foarte solida.
Recapitulam pe scurt:
- scopul unei rechete este sa obtina delta-V, diferenta de viteza;
- delta-V-ul depinde de viteza de evacuare si raportul masic.
- raportul masic trebuie sa fie rezonabil (50 la suta sa zicem). Pentru asta
- ne trebuie o viteza de evacuare mare. Care depinde de
- entalpia combustibilului folosit. Si fiindca combustibilii nucleari au o energie mult superioara pot produce viteze de evacuare mult mai inalte teoretic.
Inainte sa intram in detaliile proiectelor in sine, mai trebuie sa mentionam niste caracteristici ale rachetelor care ne intereseaza:
Tractiunea: este marimea de care depinde acceleratia rachetei. Cu cat motorul are o tractiune mai mare, cu atat acceleratia este mai buna, si timpul in care se atinge un delta-V dorit este redus. Problema este ca tractiunea mare se realizeaza folosind multa masa de reactie. Ele tind sa fie direct proportionale, si deci este posibil sa-ti termini masa de reactie foarte repede si in final delta-V-ul sa fie mic. Motivul tine de urmatoarea marime.
Puterea: este cantitatea de energie pe care o genereaza motorul si se masoara in Watt, kW, MW, etc.
Problema este ca nu toata puretrea motorului ajunge in jetul de evacuare. Ce ramane se depoziteaza in structura motorului sau trebuie radiata in spatiu. Si ce ramane poate fi foarte mult.
Spre exemplu, un motor poate sa absoarba 5 MW de putere continuu.Daca presupunem o eficienta de 80 la suta, la o putere de 5 MW, va absorbi 1 MW sub forma de caldura sau vibratii. La o putere de 30 de MW, va absorbi 6 MW si va incepe sa se topeasca sau sa explodeze!
De putere se leaga si puterea jetului care este de fapt puterea raportata la greutatea motorului. Se masoara in W/kg. Este de fapt marimea care ne arata cat de multa energie produce motorul pentru fiecare kilogram al sau, si ne da o idee cam cata caldura va absorbi. 100 W per kilogram nu e mult, dar 20 MW per kilogram duce la vaporizare rapida daca nu putem radia caldura reziduala.
Iar caldura reziduala este o problema pentru ca vidul este un extrem de bun izolator termic. Practic cel mai bun!
La fizica am invatat ca sunt trei mecanisme de a transporta caldura:
- conductie: miscarea termica a atomilor se propaga din aproape in aproape prin ciocnire fizica a acestora. Ei vibreaza (asta inseamna caldura) si transmit vibratia atomilor inconjuratori.
- convectie: caracteristica fluidelor, in care o masa de atomi calzi se ridica si se imprastie, ducand cu ei si caldura lor.
- radiatie: atomii incalziti emit fotoni pierzand astfel caldura. Fotonii sunt particulele de lumina pomeniti mai sus, si in acest caz, sun in spectrul infrarosu.
Ei bine, spatiul e vid, iar in vid nu avem fluide in jur care se se ridice (convectie) si nici material care sa permita transmiterea caldurii prin coliziune atomica (conductie). Ramane numai radiatia, care este si de departe cel mai slab mecanism de racire. Radiatia depinde de temperatura materialului si de suprafata sa. O sfera va radia incet caldura sa, iar o foaie sau un fir va radia mult mai mult, chiar daca au aceeasi masa si temepratura initiala.
Pentru navele spatiale se folosesc radiatoare. Ele pot sa fie de diferite marimi, dar in general sunt suprafete sau substante subtiri, intinse, prin care circula un fluid da racire. Fluidul trece prin motor si se incalzeste, apoi ajunge in radiator, care emana energia primita, racind-ul din nou.
Problema cu radiatoarele, pe care o vom vedeam mai pe larg, este ca sunt grele, mari, relativ fragile si foarte complicate (vorbim de tubulaturi micrometrice intinse pe suprafete masive). Ele taie adanc in acel raport de masa de mai sus, si trebuie sa fie incluse in masa motorului (care nu poate functiona fara ele).
Aspectele ce tin de acesti parametrii mai sus prezentati vor fi explicati pentru fiecare tip de motor in parte, pe masura ce le vom discuta.
Acestea fiind spuse … sa incepem!
Va urma.
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. Jungmin Kang, Frank N. von Hippel – U-232 and the Proliferation Resistance of U-233 in Spent Fuel, Science & Global Security, Volume 9 pp 1-32, 2001
2. http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq6.html#nfaq6.2
3. https://science.sciencemag.org/content/160/3831/953
4. https://www.osti.gov/servlets/purl/1132518
5. TRW Space Technology Laboratories – Mission oriented advanced nuclear system parameters study, 1965
6. https://www.osti.gov/servlets/purl/4098602
7. Bussard report, 1953
8. W.H. Robbins, H.B. Finger – An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program, 1991
9. James A Dewar – To the end of the solar system : the story of the nuclear rocket, 2015
10. Solid Core NTR ( https://beyondnerva.com/nuclear-thermal-propulsion/solid-core-ntr/ )
11. NTR Hot Fire Testing Part I: Rover and NERVA Testing ( https://beyondnerva.com/2018/06/18/ntr-hot-fire-testing-part-i-rover-and-nerva-testing/ )
12. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php#id–Nuclear_Thermal
13. David S. Portee – Think Big: A 1970 Flight Schedule for NASA’s 1969 Integrated Program Plan ( https://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/01/thinking-big-traffic-model-for-nasa.html )
14. David S. Portee blog ( http://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/02 )
15. Scott Lowther Nerva articles ( http://www.aerospaceprojectsreview.com/blog/?s=nerva&searchsubmit= )
16. Nuclear weapon design ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design )
Nice one. 🙂
Multumesc, dar imi pare bine ca nu mai incerc sa corectez cu noaptea-n cap…. Aparent nu mere 🙂
Foarte frumos
La mintea mea, ar mai trebui adaugat ceva legat de caldura generata de amestecul carburant-comburant, tb sa fie cat mai mare
Cresterea temperaturii inseamna cresterea vitezei
Ca la postcombustie la turboreactoare
Pe de alta parte, desi poate este prematur, legat de tema articolului, la mintea mea, in afara orbitei terestre pt misiuni interplanetare si in afara sistemului solar doar materialelele radioactive pot produce suficienta energie pt ducerea si controlul continuu al unei traiectorii care presupune o durata lunga de timp
Actualele rachete si vehicule interplanetare au traiectorii balistice, bazate si pe concursul gravitatiei terestre sau a gravitatiei celorlalte planete
In plus in spatiu supraconductorii pot functiona mult mai usor datorita temperaturii
Supraconductorii fuctioneaza foarte greu pe pamant motivat de faptul ca supraconductorii au eficienta cat mai aproape de 0 Kelvin, temperatura foarte greu de obtinut pe pamant
Energia nucleara-i viitoru
Ca va fi de fisiune sau de fuziune, vom.vedea
Ai dreptate! Viteza de evacuare depinde de masa moleculara a masei de reactie si de temperatura de evacuare.
Am evitat sa spun exact ca mai sus, insa, pentru ca e adevarat numai pentru o racheta termica.
Vehiculele spatiale nucleare pot fi termice, electrice sau hibride (sau… nimic usor de categorisit). Dar am sa vb despre asta la momentul potrivit.
Ai drepta cu supraconductorii, dar fac o adaugare: exista unii care functioneza la tempertauri apropiate de azot lichid, numiti de „temperatura inalta”. Deci, da, umbriti de Soare, ii poti mentrine la temperaturi f scazute (nu zero, dar cam 20-30 ar fi trivial).
DAR, daca ii folosesti la un motor, trebuie sa-i ecranezi de caldura motorului. Si cand motorul are putere de ordinul gigawatilor, si reactia se petrece in vreo zona la cativa metri de magneti…. ei bine, sa tii materialele alea reci devine o propunere interesanta.
Multumesc de lectura! 🙂
Multumesc pentru articol. Abia astept continuarile.
Astept continuare, pana acum am doar felicitari pt autor.
Multumesc pt articol.
Instructiv .Scris sa priceapa si nepriceputul. ?
Mulțumim @Checkmate!
Încă o serie extrem de interesantă!!
Abia aștept continuarea!!
Keep on rockin’
Parca zburam toti cu balonu si aruncam saci de nisip sa inaintam
Cand te deplasezi prin casa la bucatarie ce arunci in cealalta directie?
Principiul ala e strict tehnic
Un deltaplan ce arunca sa inainteze?
🙂 M-ai facut sa zambesc, pai baloanele nu zboara ci plutesc, folosind acelasi principiu ca o nava pe apa. Inainteaza doar atunci cand sunt luate de vant (se deplaseaza in interiorul masei de aer aflate in miscare), neavand sursa proprie de propulsie ci doar de… plutire. Densitatea aerului din balon este mai mica decat densitatea aerului dinprejur, adica balonul este mai usor decat acelasi volum de aer. Legea lui Arhimede. Un pilot de aerostat (balon) inainteaza pe orizontala schimband altitudinea si incercand sa gaseasca un curent de aer care sa-l impinga in directia dorita. Pt a schimba altitudinea el creste sau scade volumul balonului cu ajutorul aerului cald (de densitate mai mica) generat cu ajutorul arzatorului. Sacii sunt folositi doar in cazuri de urgenta cand balonul are tendinta de a se apropia de pamant cu o viteza nedorit de mare.
Delataplanul nu zboara ci cade continuu, adica planeaza pe curentii de aer ascendenti, precum condorii, daca vrei.
Deplasarea umana, bipeda, se manifesta ca fenomen fizic prin dezechilibrari spre inainte. Piciorul stang, sa zicem, impinge spre inainte dezechilibrand corpul, piciorul drept se deplaseaza in fata, preia dezechilibrul si – folosind inertia corpului uman dezechilibrat (aflat in cadere)- impinge la randul sau inspre fata. Picioarele se imping in pardoseala, daca nu au in ce se sustine nu poti merge, cazul clasic al unui corp in impoderabilitate. Cand te deplasezi prin casa spre bucatarie arunci de fapt energia pe care masa musculara o consuma pentru a se contracta. E lucru mecanic cu degajare de caldura. Forta si contra-forta, cu ce forta impinge piciorul in pardoseala cu aceaasi forta impinge pardoseala in picior…
Exact
Exista tehnica militara care nu utilizeaza tehnologia
Nu spun de veliere, ca se supara Nicolae
Un articol bun altfel si instructiv
Pana la urma si balonul sau deltaplanul sunt niste dispozitive care au la baza tehnologia, chiar daca una mai mult inuitiva decat educata. cand prima maimuta a ridicat o piatara sa sparga ceva cu ea, Voila! avem tehnologie.
Macar ca vorbim de tehnologie industriala: materialele folosite.
Btw, ai idee, a lansat Arca satelitul?
🙂 Tu chiar vrei sa ma bine-dispui azi? Care satelit nene?! Ala lansabil cu covorul lui Aladin?!
Chiar imi doream sa ne inselam toti si sa-l lanseze sa ne dea cu tifla
„Parca zburam toti cu balonu si aruncam saci de nisip sa inaintam”
Ar fi mai curat aerul in Bucuresti… dar cam discutabila circulatia pe trotuar.
„Cand te deplasezi prin casa la bucatarie ce arunci in cealalta directie?”
Podeaua, care e conectata la Pamant. Deci, Pamantul. Si el te arunca inapoi. Numa’ ca tu esti mic si el mare, asa ca ce e o deplasare sesizabila pt tine nu e deloc pt el.
„Principiul ala e strict tehnic”
Uhm….da. De acord.
„Un deltaplan ce arunca sa inainteze?”
Deltaplanul zboara pe curenti de aer. Curentii se misca singuri, exteriori deltaplanului. Ca si curiozitate, un deltaplan fara curenti cade (lent, dat cade). Doar ca e asa optimizat, ca in genere gaseste „ceva” curent oriunde s-ar afla. Atmosfera nu e statica.
Deltaplanul „cade” pt a inainta. Ceea ce-ti scapa din privire este ca el deja „a aruncat” ceva ca sa poata sa ajunga la inaltimea de decolare. De acolo, nu face decat sa se joace cu aerul care e „aruncat” in directia lui independent de el.
Deltaplanul nu e racheta.
Suna tehnic, dar nu ma interesa sa descriu sisteme pamantesti. Tot ce urmeaza e pt spatiu. Fara apa, aer si alte smecherii. Tot ce ai e ce ai la bord in rezervoare. Asta e definitia unei rachete.
Intr-un tren daca alergi in directia contrara mersului mergi inainte sau inapoi? E tot fizica
Sau daca stai pe loc te misti?
Tehnic da, se roteste Pamantul.
Practic nu
@vlad…in functie de sistemul de referinta ales, te misti inainte, inapoi sau stai pe loc. Pt tot ce tine de mecanica clasica.
viteza inertiala a ta incetineste
@Vlad urca intr-o barca (aflata pe apa), ridica-te si mergi 🙂
Vezi ce se intampla cu barca. D-aia atunci cand un camion coboara de pe o gabara care nu-i amarata salupa isi ambaleaza motoarele catre mal ca altfel barca pleaca de la mal.
Nu ti se deplaseaza casa cnd te duci la bucatarie pt ca ai casa mare, grea (cu inertie mare) si ancorata-n pamant. Nu inseamna ca fortele respective nu apar. Ce, daca nu-ti vezi casa cazand (Doamne-feri) atunci gravitatia nu actioneaza asupra casei?
Nu sunt convins ca analogia cu barca este cea mai potrivita: atat barca cat si racheta se deplaseaza in masa unui fluid, in care apar frecari (la barca sunt mai complexe, fiind atat frecarea cu apa, cat si cu aerul). La racheta apare max Q (momentul din timpul zborului, in care presiunea dinamica exercitata de aer, atinge pct maxim si acesta determina, printer altele rezistenta structural a rachetei) care depinde de densitatea aerului si viteza rachete (Q=1/2 x d x v2 unde d=densitatea aerului si v=viteza rachetei) – http://www.rocketmime.com/rockets/RocketEquations.pdf
Ai facut comparatie intre masina, avion si racheta, insa ca aceasta comparatie sa fie relevanta cred ca trebuia sa mentionezi eficienta fiecarui motor : ciclu otto / diesel cca 50% eficienta mecanica; ciclu bruton cca 30% eficienta mecanica; ciclu motor racheta (topping cycle / stage combustion cycle) cca 60% eficienta
Eficienta motoului chimic, depinde nu doar de combustibilul utilizat ci si de forma “clopotului”ajutajului (cca jumatate din forta de impingere / thrust este exercitata in interiorul camerei de ardere unde energia termica este transformata in energie cinetica, restul fiind exercitata pe peretii ajutajului)
Ai dat densitatea energetica a hidrogenului de 142 de MJ/kg (care este pt puterea calorifica superioara) fata de exemplu a gazului natural (LNG, CNG inclusiv) care este de doar 53 MJ/kg sau a kerosenului care este de cca 43 MJ/kg . Problema hidrogenului este la densitatea energetica volumica nu masica ( la -253 °C densitatea este de doar 2.63 kWh/l fata de densitatea energetica masica care este de 33.3 kWh/kg)
Cred ca am lasat o impresie gresita aci. Pe mine nu ma intereseaza racheta f mult. Ma intereseaza motorul. Vasta majoritate a conceptelor ce urmeaza fi prezentate sunt pt uz spatial.Ca sa-l citez pe Zubrin: „Motorului nu-i pasa cum arata racheta sau prin ce mediu trece. El stie numai cata viteza adauga.” Max Q nu ma intereseaza (de altfel, erau tot un articol din seriile spatiale care vb despre asta, dar mi-i lene sa-l caut acu 🙂 )
Comparatie cu masina si cu avionul sunt ca sa arat de ce e important impulsul specific. Pt ca scade masa de reactie si-ti permite sa nu-ti transformi vehiculul spatial intr-un rezervor ambulant. Si e motivul pt care asta nu se intampla pe Pamant.
Ca si regula generala, pt sisteme de LANSARE te intereseaza 1) tractiunea; 2) impulsul specific ; 3) puterea (la o mare distanta de celelalte doua)
pt sisteme SPATIALE, in schimb, te intereseaza : 1) Impulsul specific; 2) puterea; 3) tractiunea (mai mult pentru manevre Oberth, dar pe masura ce sistemul tau e mai bun, te intereseaza asta din ce in ce mai putin). De asemenea, nu te intereseaza forma rezervoarelor, pot sa fie si sferice daca vrei, si diafame ca o lenjerie. Nu treb sa-si suporte propria greutate.
Stiu ca hidrogenul nu e dens, si urmeaza sa vb despre asta, dar nu asta era ideea. Ideea era sa compar densitatea energetica a unui combustibil nuclear cu unul chimic. Era pt ilustrarea diferentei discrepante. 1 kg de uraniu bate tot (dar sesizezi si tu ca vb de putere aici; kg ala e inutil daca nu are ce arunca in urma, si aici intra hidrogenul pur in ecuatie).
Sunt curios de unde ai numerele alea asa mari pt eficienta rachetelor. Link?
Pai, cred ca e o contradictie: spui ca motorul nu te intereseaza insa vorbesti de propulsie nucleara, adica vrei nu vrei tot la motor ajungi.
Referitor la hidrogen: inclusiv pt un motor cu fisiune tot la hidrogen ajungi, asa incat nu poti sa neglijezi problemele ridicate de acesta (faptul ca trebuie sa il stochezi la presiuni ridicate si temperaturi scazute, diferite de cele ale oxidantului in cazul motorului chimic, de unde alte probleme constructive – http://www.braeunig.us/space/index_top.htm )
Motorul tau atomic degeaba impachteaza un combustibil cu densitate energetica ridicata, pt ca genereaza doar caldura care fara hidrogen nu prea ai cum sa o utilizezi (cu tehnologiile mature din ziua de astazi, in cazul NTP – nuclear thermal propulsion – https://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-85-2442 ), cu atat mai mult cu cat hidrogenul iti asigura si racirea reactorului, nu doar generarea propulsiei (este agentul de propulsie / propellant) . In final si cu motorul cu ionizare ajungi tot la un gaz care trebuie stocat intr-un recipint sub presiune, si argonul sau xenonul necesar ionizarii, nu il poti ïmpacheta”la fel de facil ca si hidrogenul – https://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/Ion_Propulsion1.html )
Referitor la eficienta: gasesti suficiente site-uri unde ai formulele (exemplu – https://www.mpoweruk.com/rockets.htm ), si asa cum am mentionat depinde de multi factori . Eficientele date de mine sunt foarte generale, gandeste-te doar la cate tipuri de motoare cu turbina sunt, ca subtipuri a celor 6 principale tipuri (turbojet, turbofan, turboprop, turboshaft, scramjet, ramjet) functie de tipurile de compresoare si turbine (radiale /axiale) nr de trepte, etc. Idem pt motorul racheta (am pus mai sus un site unde t-i se explica destul de simplu cum tipul de motor stage sau expander, tipul de combustibilul, a camerei de ardere, a clopotului / nozzle, influenteaza eficienta)
Umh…
„spui ca motorul nu te intereseaza insa vorbesti de propulsie nucleara, adica vrei nu vrei tot la motor ajungi.”
Dar ce am spus eu mai sus este:
” Pe mine nu ma intereseaza racheta f mult. Ma intereseaza motorul.”
Adica… citeste bre 😛
„asa incat nu poti sa neglijezi problemele ridicate de acesta”
Poi n-am apucat inca sa le neglijez, ca n-am prezentat nici un concept pe tema asta inca :)))) .
Eu fac misto dar stiu ca nu sunt neglijabile….
” genereaza doar caldura”
Aici ai dreptate… dar asta e un feature, nu un bug. Ce-mi place la motoarele nucleare cu fisiune e flexibilitatea lor. Poti folosi tot felul de mase de reactie (nu doar hidrogen, el e doar cel care permite ISP mare; apa, CO2, amoniac, azot, practic orice fluid poate fi folosit ca si masa de reactie; tocmai pt ca nu trebuie sa reactioneze chimic ca sa produca caldura, acea caldura vine de la un metal care se autoincalzeste; vezi conceptul NIMF, despre care vom vorbi), si il poti folosi pt generare electrica pe drum si la destinatie (fara sa consumi ceva dintr-un rezervor). Multa energie si mult timp.
De asemenea, poti sa folosesti diverse trucuri ca sa maresti eficienta motorului (aici vom vb despre Scorpion; dar toate la timpul lor 😛 )
E mai simplu cand ai energia aia la dispozitie. Ca sa-ti dau un exemplu mai pe zona ta de interes: tehnologia zero-boil off. Rezervoare speciale de hidrogen menite sa nu piarda mult material pt perioade lungi de timp.
De ce nu e folosita tehnologia asta momentan? Pt ca foloseste un sistem de racire ca sa supra-raceasca hidrogenul. Iar sistemul ala foloseste energie, pe care un motor de racheta clasic nu are de unde sa ti-l dea. Un reactor, in schimb, nu are problema asta. Un loop de racire, un Brayton micutz, si voilla! Energie.
toate rezervoarele rachetelor actuale au ventile de siguranta pt boil off gas (BOG) care purjeaza excedentul de presiune creat prin trecerea din stare lichida in stare gazoasa (in special cele prevazute de SpaceX si mod particular cele prevazute a functiona cu metan, de unde si protocolul lor de lansare: intai urca astronautii dupa care incarca combustibilul si oxidantul, tocmai pt a pierde cat mai putin din ele datorita fenomenului respectiv in special in zilele f.calduroase)
actualmente acea energie (rezultat in urma vaporizarii si eliminarii excedentului de vapori) este utilizata: mai toti producatorii de motoare de nave de transport LNG, utilizeaza acesti vapori pt a genera energie (motoarele vapoarelor ce transporta LNG, utilizeaza ca si carburant tocmai gazul pe care il transporta – https://www.wartsila.com/twentyfour7/in-detail/boil-off-gas-handling-onboard-lng-fuelled-ships ) iar energia disipata sub forma de caldura este utilizata in continuare (https://www.wartsila.com/media/news/09-09-2010-wartsila-and-turboden-sign-agreement-to-launch-wartsila-marine-ecc ) fie in motoare stirling fie in ORC (organic Rankine cycle)
Deci la cum ai construit vorbirea, pari sa sugerezi ca energia boil-off-ului de la un Starship e folosita pentru alimentarea navelor de transport 😛
E fascinant ce-mi spui, dar ce legatura are cu ce spun eu? Get to the point 😀 .
Boil-off-ul o fi pierdere acceptabila pe Terra, in industrie, dar nu pe o nava spatiala. Acolo conteaza fiecare gram. Nu-ti permiti sa-ti pierzi 10 la suta din masa de reactie pana ajungi pe Marte, ca nu mai ai destul ca sa faci insertia si circularizarea orbitala.
Iar hidrogenul are o rata de boil-off al naibii de mare, si are prostul obicei de a-si croi drum prin peretii rezervoarelor.
Da, hidrogenu incanta la prima vedere prin Isp mare dar rata aia de boil off plus densitatea mica plus infiltrarea prin pereti care inseamna si ca-ti strica peretii (hydrogen embrittlement), deci se complica alegerea & tratamentu materialelor, incurca reutilizarea, metanu merge mai bine (cred, depinde si unde vrei sa mergi) cu In Situ Resource Utilization.
Haios e ca Ula isi da foc la racheta Delta inainte de lansare (hidrogen scurs in exterior, scapam de el dandu-i foc inainte de lansare, racheta pleaca cu funingine pe ea :))
La SLS vor sa faca aprox la fel dar mai putin spectaculos: https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/nasas-flair-for-flare-engineers-test-hydrogen-burn-off-igniters-for-space-launch-system.html
Cum faceau si cu navetele, cam ce face si Ariane 5…
La hidrocarburi (kerosen, nush in ce masura metan) se aduna reziduuri in tubulatura motorului care pt reutilizare trebuie curatata.
Scuzati ca continui offtopicu, fun fact anumite tancuri LNG inca mai folosesc motoare cu abur (turbine, inca se mai construiesc pare-se: http://global.kawasaki.com/en/mobility/marine/machinery/steam_turbine.html) care ard LNGu evaporat.
Culmea e ca ai ISP bunicel si cu metan pe post de remass, ca la temperaturile unui NTR se disociaza entuziast (in chestii usoare). Depunerile de carbon sunt problema (nu doar infunda tevi; e moderator, schomba neutronicitatea, si-alte chestii naspa pe care le vom vedea in curand 😉 ).
Dar nu scrie nicaieri ca nu poti folosi emergie nuclear pt sintetizarea unui combustibil chimic din gaze atmosferice.
Da… Energie & putere = posibilitati galore, de ex. – ca vb de gazele atmosferice – NTR air-breathers (care-l entuziasmeaza si pe Putin cu Burevestniku lui; si pe altii in anii ’50, aia macar s-au potolit la timp).
Putem imagina NTR care asigura propulsia interplanetara si pe urma in interiorul atmosferei la destinatie.
Sau misiuni catre planete la conjunctie / conjunctie superioara.
Sau remorchere spatiale. Sau fascicule laser sau de particule pt accelerarea / franarea navelor „client” cu panze optice / magnetice.
Transmitere de energie la Pluto de ex. de pe orbita prin laser / microunde.
Plus alti mari / multi consumatori: radare, extragerea resurselor, metalurgie, electroliza, campuri magnetice pt protectia impotriva radiiatilor (a unui habitat sau a atmosferei martiene cum a propus cineva).
Cu radiatoarele treaba tine si de masura in care masa de reactie poate sa asigure racirea.
In fine…. Energie & putere = optiuni.
Doar d-aia aveau rusii sateliti radar cu reactoare (seria Cosmos parca). Da, sunt riscuri, un Cosmos d-ala a cazut peste Canada. Dar baietii rai si le asuma si aia buni se kk pe ei.
Si inca suntem la inceput de drum inclusiv in reactoarele cu fisiune, inca n-am trecut decat f timid de combustibil solid; d-abia am reusit niste reactoare cu neutroni rapizi, cateva racite cu sodiu si plumb – mai mult rusii. Ne e frica (poate nu chiar fara motiv) de reciclarea combustibilului si de noi tehnologii da ne plangem ca ce sa facem cu deseurile. Pai reciclezi, faci reactoare cu ardere mai completa, reactoare cu temperaturi inalte (eficienta termica mai mare, deci acelasi combustibil & aceleasi deseuri iti dau mai multa energie), faci reactoare (inclusiv accelerator-driven, hibrizi fuziune-fisiune posibili ACUM) care transmuteaza actinidele in elemente (aproape) ne-radioactive… Faci ceva, nu stai sa te plangi sau incanti niste universitati cu studii pe care nu le mai folosesti pe urma.
E drept ca si uraniul ieftin si in curand poate si toriul (ala si mai ieftin) pe de o parte si supra-supra-reglementarea (care oricum iti pierde surse de radiatii de pe la spitale & industrie) pe de alta inseamna ca nu prea are nimeni interesu sa bage bani in generatii & concepte noi.
Mulțumesc de articol aștept următoarea parte
Stau si ma intreb, daca arunc o piatra cu putere… Se duce inainte, da care e reactiunea?C
Depinde pe cine nimeresti
Vladut a aruncat o maslina si s-a trezit aruncat cu capul de toti peretii.
In consecinta a vazut stele verzi si titlul articolului l-a manat sa ne impartaseasca din experienta lui.
Ar fi mai de folos sa-si dea cu cartea de fizica in cap, poate, cine stie, pe langa stele verzi mai, vede si altele.
De exemplu, Vladut, deschide la capitolul cu legea conservarii impulsului si da tare de tot, c-o sa fie cu folos.