Domanda:
I razzi possono volare senza bruciare carburante con l'aiuto di gas sotto pressione estrema?
Ankit
2020-08-31 11:35:40 UTC
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Perché è necessario bruciare il combustibile idrogeno che esce dal motore per il sollevamento dei razzi?

Se viene fatto per creare una forza di reazione maggiore sul razzo, perché non possiamo fare lo stesso sollevamento regolando semplicemente la velocità del gas idrogeno che esce dal motore come se potessimo rilasciarlo a una grande pressione (e anche regolando la dimensione dell'apertura dell'ugello) e quindi ad una velocità maggiore?

È possibile che i razzi volino senza bruciare il carburante e rilasciando semplicemente il carburante con una grande forza?(So che i razzi sono troppo massicci.)

Come si confronta l ' I SP dei normali motori a razzo con quello nella mia domanda?La maggior parte delle risposte ha fatto il confronto (e un grande grazie per questo), ma aiutami con la differenza numerica negli I SP .

(Confrontalo utilizzando i valori desiderati della quantità di carburante e altre cose necessarie per il decollo.)

I commenti non sono per discussioni estese;questa conversazione è stata [spostata in chat] (https://chat.stackexchange.com/rooms/112528/discussion-on-question-by-ankit-can-rockets-fly-without-burning-any-fuel-with-th).
È abbastanza ovvio che per i razzi più leggeri questo può essere fatto.-1
Cosa si intende per più leggero?
@descheleschilder Volevo dire uno con un carico utile inferiore.
@descheleschilder L'ho modificato ora.Sì, l'affermazione era abbastanza ovvia.
Bene allora!+1 (dovrò prima fare una modifica minore; dopodiché, passerai da 13 a 15).
Hai mai giocato con un [razzo ad acqua] (https://en.wikipedia.org/wiki/Water_rocket).?Scarso impulso specifico, ma nessun bruciore.
Mi sembra abbastanza strano che solo una risposta finora menzioni il termine "impulso specifico" e nessuna di esse lo spieghi.Spiegare un impulso specifico è assolutamente cruciale per rispondere a questa domanda.
Dodici risposte:
#1
+40
BowlOfRed
2020-08-31 12:35:29 UTC
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Perché è necessario bruciare l'idrogeno che esce dal motore per il sollevamento dei razzi?

L'idrogeno non è l'unico carburante possibile, quindi presumo che la tua domanda sia più generale, perché viene bruciato del carburante?

Se viene fatto per creare una forza di reazione maggiore sul razzo, perché non possiamo fare lo stesso sollevamento regolando semplicemente la velocità del gas idrogeno che esce dal motore come se potessimo rilasciarlo a una grande pressione e quindi a una velocità maggiore?

Hai bisogno di due cose per un razzo: una massa di reazione da espellere e una fonte di energia per accelerarlo. I razzi a combustione combinano questi due in un'unica fonte. Il combustibile / ossidante brucia generando energia. L'energia della combustione si riscalda e quindi, tramite la configurazione dell'ugello, accelera i prodotti della combustione come massa di reazione.

Quasi tutto potrebbe essere messo a bordo come massa di reazione, ma ottenere la potenza per accelerare è molto più difficile. Le batterie e il gas compresso trattengono un po 'di energia, ma la densità è molto inferiore a quella dei combustibili per missili. I pannelli solari possono raccogliere una quantità quasi illimitata di energia, ma devi aspettare molto tempo per raccoglierla. I combustibili nucleari potrebbero rilasciare molta energia, ma mettere un reattore nucleare su un razzo richiede molta massa ed è difficile convincere tutti che può essere fatto in sicurezza.

Anche se disponi di energia elettrica sufficiente, convertirla in spinta non è semplice. È possibile utilizzare motori a ioni, ma hanno una spinta inferiore di ordini di grandezza rispetto a un razzo chimico. L'accelerazione può essere utile nello spazio, ma è troppo piccola per aiutare a sollevare un razzo dalla superficie terrestre.

Quindi il carburante viene bruciato perché può essere immagazzinato sul razzo con una densità di energia abbastanza elevata e la reazione può avvenire a una velocità elevata, dando grandi quantità di spinta.

Inoltre, anche se hai serbatoi infinitamente potenti, sarà molto meglio bruciare il carburante, poiché c'è un limite alla velocità di scarico del gas a qualsiasi data temperatura, vedi https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine_nozzle# de_Laval_nozzle_in_1_dimension, un propulsore a gas freddo avrà un impulso specifico molto più basso
Ma cosa considereresti "bruciare"?- Consideri che l'idrazina si scindesse in più particelle "bruciando"?- Non è una reazione con l'ossigeno, quindi le persone non lo considererebbero bruciare.Ma è una reazione endotermica quindi crea (molto) calore.Ci sono parecchi razzi mono propellenti, a base di idrazina o perossido di idrogeno.
#2
+26
Adrian Howard
2020-08-31 12:08:14 UTC
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Il rilascio di gas compresso produrrà una certa spinta.Ma quando i gas vengono bruciati si espandono molto di più.Questo produce una velocità di scarico molto più elevata che fornisce una spinta molto maggiore.

#3
+13
Vid
2020-08-31 12:42:08 UTC
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Sicuramente puoi.La potenza (spinta) del motore a razzo nel primo ordine dipende solo dalla velocità e dal flusso di massa del gas che esce dal motore:

$$ F = \ Phi_m v $$

Dove $ \ Phi_m $ è il flusso di massa dal motore e $ v $ è la velocità diflusso relativo al razzo.

Ma dobbiamo in qualche modo produrre questo flusso di massa, ad es.dobbiamo produrre alta pressione di gas.Questo può essere fatto comprimendo il gas nel contenitore.Ma possiamo ottenere una pressione ancora maggiore, se bruciamo il carburante.

In realtà utilizziamo la reazione chimica, che produce calore e di conseguenza una pressione più elevata (tenete presente l'equazione di stato per il gas ideale).Quindi la combustione viene utilizzata solo per aumentare la temperatura e di conseguenza una maggiore pressione. $$ P = \ frac {n R T} {V} $$

Inoltre, il combustibile a idrogeno agisce principalmente come agente riscaldante nei razzi.Un atomo di ossigeno è 16 volte più pesante di un atomo di idrogeno, quindi solo 1/9 della massa espulsa da un razzo idrogeno / ossigeno proviene dall'idrogeno.I restanti 8/9 provengono dall'accelerazione degli atomi di ossigeno fuori dall'ugello.L'idrogeno fornisce solo l'energia chimica per farlo.
@cmaster-reinstatemonica: Non così.Funzionano con motori hydralox ricchi di idrogeno per migliorare l'ISP.
@Joshua Non importa quanto siano ricchi di carburante, l'impulso proviene principalmente dagli atomi di ossigeno accelerati.
#4
+10
Acccumulation
2020-09-01 00:25:30 UTC
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C'è un limite alla quantità di gas che puoi pressurizzare. Oltre un certo punto, cessano di essere gas e si trasformano in liquidi. I razzi hanno già raggiunto questo limite; l'ossigeno viene immagazzinato come un liquido. E sebbene sia possibile immagazzinare energia nei liquidi pressurizzandoli, questo è molto più difficile da fare che con i gas.

e anche regolando la dimensione dell'apertura dell'ugello

Il gas pressurizzato ha solo così tanta energia. Non è possibile ottenere più dell'energia immagazzinata, indipendentemente dalle dimensioni dell'ugello, e diminuendo le dimensioni dell'ugello si riduce la quantità di gas rilasciata ogni volta.

È possibile che i razzi volino senza bruciare il carburante e anche senza influire sul volume del carburante totale, ovvero con la stessa quantità di carburante utilizzata nelle eliche generali ??

È formulato in modo confuso, ma sembra che tu ti stia chiedendo se è possibile ottenere la stessa energia senza bruciare il carburante. Rilasciare la pressione di un gas e bruciarlo rilascerà più energia del semplice rilascio della pressione, quindi ovviamente la quantità di carburante necessaria aumenterà se non viene bruciata. È possibile far volare un razzo a breve distanza solo dal rilascio della pressione (ci sono razzi giocattolo che hanno l'acqua come propellente e l'aria pressurizzata come carburante), ma non credo sia possibile raggiungere l'orbita da essi.

(So che sono troppo massicci, ma ne considero uno più leggero.)

Non è davvero chiaro a cosa si riferisca qui "loro".

Per la maggior parte dei gas di interesse, la compressione senza raffreddamento non produce un liquido, ma produce un [fluido supercritico] (https://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid).
#5
+9
jamesqf
2020-09-01 03:35:41 UTC
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Ovviamente un razzo, vagamente definito, può accelerare solo sotto la pressione del gas. Questo è ciò che fa gonfiare un palloncino e lasciarlo andare.

Il problema è che non c'è abbastanza energia nel gas compresso per fornire molta spinta. Prendiamo ad esempio le bombole per immersioni, forse l'esempio più familiare di gas ad alta pressione per la maggior parte di noi. Un tipico serbatoio (numeri approssimativi perché ci sono molte variazioni) peserà circa 30 libbre / 15 kg a vuoto e conterrà 4-6 libbre / 2-3 kg di aria compressa a 3000/3500 psi. Quindi hai un contenitore che pesa circa 5 volte il gas che contiene.

Quella quantità di gas compresso contiene circa 1 kWh di energia. (Il compressore relativamente piccolo di un tipico negozio di immersioni può riempire un serbatoio in 15 minuti circa.) Non è molto se paragonato all'energia generata bruciando la stessa massa di idrogeno (o altro carburante) e ossigeno.

C'è un secondo problema con il gas compresso. La compressione di un gas crea calore. (Uno dei motivi per cui i negozi di immersione riempiono i serbatoi d'acqua è per mantenerli freschi.) Al contrario, per decomprimere quel gas è necessario assorbire calore dall'ambiente. Con le bombole da sub, la decompressione è lenta (almeno lo speri!), E la vasca è in acqua da cui può assorbire il calore. Prova a decomprimere il gas rapidamente, in atmosfera o sotto vuoto, e raffredderà il gas rimanente fino al punto in cui non evapora più. In effetti, questo è il principio su cui funzionano molti frigoriferi, condizionatori d'aria e liquefatori di gas.

Per le discussioni sulla propulsione è sempre meglio se puoi esprimere l'effetto del rilascio del gas compresso come * forza * o * impulso * piuttosto che come energia, poiché la massa di un razzo cambia nel tempo e c'è un telaio in movimento / accelerazione.La velocità di scarico del razzo è compresa tra 3.000 e 4.000 m / s e da qualche parte tra il 95% e il 99% della massa del razzo deve sfuggire a quella velocità entro pochi minuti, quindi l'argomento della temperatura e del tasso di evaporazione funziona ancora bene.
@uhoh: Beh, l'avrei fatto se avessi potuto farlo senza scavare nei vecchi libri di testo di fisica.Sto solo evidenziando ciò che sembra ovvio dall'esperienza ordinaria, almeno dalla mia esperienza.Se qualcuno vuole fare i calcoli, sarebbe fantastico.Si noti inoltre che il razzo utilizza quel 95-99% della sua massa iniziale per la propulsione, mentre la bombola per immersioni (o qualsiasi contenitore simile di gas compresso) utilizza solo il 20%.
Questo è lo stesso motivo per cui le lattine dello spolverino si raffreddano quando vengono utilizzate.Se ne usi uno per un lungo tratto iniziano a perdere potenza perché il contenuto rimanente si raffredda al punto da smettere di evaporare molto bene.Potresti usare uno di quegli spolverini come propulsione ma non durerebbe molto a lungo
#6
+6
DKNguyen
2020-08-31 23:03:50 UTC
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Produrrà spinta, ma pensaci in questo modo:

Devi comunque gettare un po 'di massa fuori dalla schiena.Se riesci a far reagire la massa con se stessa in modo che si riscaldi e aumenti la sua velocità, tanto meglio.

si può pressurizzare lo stesso volume di gas (utilizzato nelle eliche di reazione) in modo tale da raggiungere la sua destinazione in sicurezza?
@Ankit A parità di volume, per compensare la mancanza di velocità è necessaria più gas.Riempire più gas nello stesso volume ti dà più velocità e più massa ma non penso che funzionerebbe solo perché dovresti continuare a pressurizzare qualcosa di più e ad un certo punto tutti i tubi e le valvole sarebbero troppo spessi e pesanti.Raggiungeresti un limite tecnico prima del limite teorico (quando il tuo serbatoio è pieno di gas nell'idrogeno in fase liquida o solida), a quel punto non potresti più pressurizzare).Ora, se potessi avere idrogeno liquido o solido, non so se sia sufficiente.
Affidarsi solo alla pressione significa anche che la tua accelerazione diminuisce man mano che il tuo serbatoio viene svuotato.
Oh, e il serbatoio sarebbe spesso e pesante, ovviamente.Non so perché ho elencato tubi e valvole ma non il serbatoio.
#7
+6
user1998586
2020-09-01 05:49:35 UTC
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I propulsori a gas freddo, che generalmente utilizzano azoto compresso, vengono talvolta utilizzati per il controllo, come la regolazione dell'orientamento in orbita. In tal caso, la spinta ridotta è semmai un vantaggio, poiché facilita il controllo preciso.

#8
+3
Keith Knauber
2020-09-01 07:06:06 UTC
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Tutte le altre risposte qui riportate rappresentano punti importanti.

Un modo per pensare a questa domanda in termini semplici è pensarla semplicemente in termini di temperatura .

La temperatura è la velocità media delle particelle (siano esse un solido, liquido, gas o plasma).

Quindi da qui in poi userò i termini temperatura e velocità in modo intercambiabile.

Il progetto di un motore a razzo cerca di ottimizzare i seguenti parametri:

  1. massimizza la potenza espellendo il numero massimo di particelle al secondo alla massima velocità possibile. Una maggiore velocità delle particelle equivale a una temperatura più alta.

  2. non fondere il motore aumentando la temperatura del motore oltre i 3000 gradi Celsius. Tutti i materiali iniziano a trasformarsi in plasma sopra i 3000 ° C.

  3. il motore stesso non può essere troppo pesante in rapporto al carburante che espelle

Se aumenti la velocità del carburante che stai espellendo oltre i 3000 gradi, il carburante inizierà a sciogliersi / vaporizzare il motore.

I motori a razzo ionico accelerano il carburante ad alta velocità (una temperatura di circa un milione di gradi). Tuttavia, le parti stesse del motore a razzo ionico, che stanno accelerando il combustibile ionico al plasma, possono essere riscaldate solo fino a circa 300 gradi Celsius prima di guastarsi. Quindi i razzi ionici sono molto più efficienti, ma possono espellere solo una piccola quantità di carburante al secondo prima di surriscaldarsi.

In confronto, i materiali vicino all'ugello di un motore a razzo a combustione di idrogeno / ossigeno possono resistere a circa 3000 ° C prima di guastarsi. Questi motori possono espellere molto più carburante al secondo prima di surriscaldarsi.

Quindi, in risposta alla tua domanda, i razzi ionici non possono essere utilizzati per lanciare razzi da terra perché si surriscaldano troppo facilmente.

Il problema con i motori a ioni (almeno a quanto ho capito) non è il riscaldamento.Dati conduttori efficienti & c puoi ridurre l'energia sprecata come calore quanto vuoi.Il problema è innanzitutto ottenere l'energia per accelerare gli ioni.Ad esempio, la missione DAWN ha utilizzato celle solari per fornire l'energia: https://solarsystem.nasa.gov/missions/dawn/technology/ion-propulsion/ Fai praticamente la stessa cosa con un cannone ferroviario o un acceleratore di particelle, ma non farlo.Non è necessario accelerare anche l'alimentazione :-)
Non posso essere in disaccordo con le tue affermazioni.L'accelerazione degli ioni è solo uno dei problemi dei razzi ionici.Il mio unico contrappunto sarebbe, perché non iniziare con una camera piena di plasma ad alta pressione a 1 milione di gradi?Perché nessun vaso leggero può contenere plasma.
A meno che tu non possa sviluppare un contenimento magnetico leggero, nel qual caso avresti un reattore a fusione decente.Non totalmente handwavium ...
#9
+2
Russell Borogove
2020-09-01 23:57:17 UTC
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I propulsori "gas freddo" (cioè gas pressurizzato rilasciato attraverso un ugello senza combustione) sono utilizzati per il controllo dell'assetto su alcuni razzi (in particolare sul primo stadio Falcon 9, per il controllo dell'assetto in fase di recupero), ma hanno unimpulso specifico molto inferiore rispetto alla combustione idrogeno-ossigeno.Il loro vantaggio è la loro estrema semplicità nei piccoli sistemi.

Impulso specifico dell'idrogeno freddo: ~ 270 sec;combustione idrogeno-ossigeno: ~ 440 sec.L'azoto è più comunemente usato nelle configurazioni a gas freddo (più facile da produrre e immagazzinare, più spinta per volume di cisterna) ma produce solo circa 70 secondi.

Aumentare la pressione per ottenere prestazioni migliori richiede più peso nel serbatoio per contenere la pressione, quindi si ottiene una perdita netta di prestazioni.

#10
+1
Protein
2020-08-31 11:53:38 UTC
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Sì, un razzo alimentato da qualsiasi gas pressurizzato può volare (devi aver fatto esplodere i palloncini e lasciarli volare), ma il problema è la distanza da percorrere e la capacità di carico massima .

#11
+1
Bloke Down The Pub
2020-09-02 17:42:39 UTC
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La terza legge di Newton si applica qualunque sia l'azione.Potresti generare spinta lanciando rocce, ma non sarebbe molto efficiente.

#12
  0
Keith McClary
2020-09-02 08:42:06 UTC
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L'energia che può essere immagazzinata in un serbatoio a pressione è limitata dalla resistenza del materiale del serbatoio, che in ultima analisi dipende dall'energia necessaria per rompere i legami chimici tra le sue molecole.

L'energia che può essere immagazzinata in un razzo a propellente chimico è limitata dall'energia dei legami chimici dei prodotti della combustione.

In entrambi, l'energia (per molecola) dei legami chimici è di grandezza simile, ma sono abbastanza sicuro che il razzo a combustione vince, per lo stesso motivo per cui non abbiamo auto a gas compresso.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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