физика
энергетика
техника
химия
биология
медицина
математика
информатика
О Земле
философия и религия
психология
история
Экономика
политика

устройство вселеннойсистемы единицклассическая механикаквантовая механикаспециальная теория относительностирелятивистская квантовая теориявзаимодействиеэлементарные частицыгравитациякосмоcядерная физикагазы и жидкоститвердое телонаноструктурыплазмаатомы и молекулыэлектричествомагнетизмоптикатеоретическая физикатермодинамикалазерная физикарадиофизикатеории эфираспектроскопияакустикагеофизикапрочность материаловастрономия

гидроэнергетикагелиоэнергетикаветроэнергетикаатомнаяводороднаятермоядернаяальтернативнаябиоэнергетика

двигателидвигатели внутреннего сгоранияпаровые двигателикосмическаяавтомобилиавиацияприборысудабытоваявоеннаяоружиеоптическаяфото и видеоэлектроникаподводнаямедицинскаявело мотостроительствометаллургия

неорганическая химияорганическая химияхимия высокомолекулярных соединенийбиохимия

происхождение жизнибиоритмымолекулярная генетикабиоэнергетикабиофизикабиотехнологиинейрокибернетика

теория чиселалгебрагеометрияматанализматематические моделичисленные методытеория вероятностей

научные и технические библиотекиинформационный поискхранение информациикибернетикабиокибернетикасамоорганизующиеся системыискусственный интеллектробототехникавычислительная техникараспознавание образовэвристические методынейронные сетиквантовые компьютеры

геологиягеографияметеорологиякартографияокеанографиявулканологиягеодезияминералогиядругие

бытие, материя, сознаниемирозданиетеофизикатрактовка Библиинаука и религияэтика ученоголичность, массы и общество

управление сознанием

археологияхроноголиясоциологиядемографияистория науки

финансыРоссиярегионы Россиипромышленностьсельское хозяйствоКитаяСШАЕвропыдругих стран

право

Концепт применения гиперзвукового ПВРД для КА-накопителя газов PROFAC

Редакция: 20:51:26 31.3.2015; Рубрика: Статьи/Изобретения и инновации; Прислал: MAO ; Тема: техника|космическая; Просмотров: 2046; Оценка:    3.1
Ссылка на ресурс в Интернете: https://youtu.be/QWq-26MyC0g ;
Режим просмотра: Flash  |  HTML  |  Текст  |  Видео  | Скачать: >>в Избранное | Закладка
Loading the player ...

Концепт работы гиперзвукового прямоточного двигателя орбитального КА-накопителя газов (и аэрозолей) с искусственной подачей окислителя при помощи многоразовой суборбитальной ракеты.

Кислород заключен в газ-холдер - тонкостенную цилиндрическую оболочку из сверхпрочного полиэтилена. Плотность газообразного кислорода 0,01 кг/м3. Масса оболочки - 6-10% массы кислорода. Оболочка одноразовая - разрушается ударной волной (в анимации во второй сцене условно показана неразрушаемой). Стоимость материала оболочки 15 долл./кг.

Для повышения эффективности гиперзвукового прямоточного двигателя, газ-холдер должен быть разогнан в горизонтальном направлении до 3000 м/с, что бы КА проходил оболочку с газом с относительной скоростью 5000 м/с (~17 М). Это желательно по следующей причине. Уменьшение относительной скорости важно, т.к. в случае использования в газ-холдерах, к примеру, не чистого кислорода, а воздуха, кинетическая энергия воздуха, поступающего в гиперзвуковой двигатель, является большей по сравнению с энергией, выделяющейся в результате сгорания топлива в атмосферном воздухе. При скорости 25М тепло, выделяющееся в результате сгорания топлива в воздухе, составляет только около 10% от общей энтальпии потока, а при использовании баллонов с чистым кислородом доля тепла составит уже 45%. При приблизительно 17 М (~5000 м/с) кинетическая энергия окислителя и теоретическая полезная тепловая энергия от сгорания топлива будут равняться друг другу, тогда как при использовании атмосферного воздуха равенство энергий ограничивается 8 М.

На видео-схеме суборбитальная ракета-носитель поднимает свернутую оболочку на заданную высоту, где её разворачивают и наполняют газом из микробалонов, прикрепленных к оболочке (ракета возвращается на стартовую площадку). К моменту достижения наивысшей точки подъема, оболочка максимально наполняется. В точке остановки подъема включаются коррекционные двигатели, размещенные равномерно вдоль оболочки, чтобы обеспечить зависание на заданной высоте, которая соответствует высоте орбиты КА с прямоточным двигателем. Время зависания - 5-10 секунд. В таком положении оболочка образует газонаполненный канал на пути КА с прямоточным двигателем. КА проходит оболочку и получает разгонный импульс за счет тяги прямоточного двигателя, питаемого кислородом из газ-холдера. Диаметр оболочки больше диаметра КА и поэтому масса оболочки не используется в качестве рабочего тела двигателя.

Приращение скорости КА используется для компенсации тормозного импульса, возникающего при заборе и накоплении аппаратом (типа PROFAC) части кислорода из газ-холдера. Рекомендуемая схема позволяет в 100-1000 раз увеличить удельную массу двигательной установки КА по сравнению с ДУ на основе электрореактивного двигателя.
=
Рассмотрим пример орбитального КА-накопителя водорода с тепловым реактивным двигателем, использующим водород в качестве рабочего тела и тепловой (графитовый и т.п.) аккумулятор тепла.

Параметры системы. Скорость КА-накопителя на орбите около 7800 м/с. Скорость газ-холдера с водородом относительно поверхности планеты равна 4400 м/с, и, соответственно, относительно КА-накопителя равна 3400 м/с.  Скорость истечения реактивной струи из двигателя КА-накопителя – 8000 м/с. Рабочее тело двигателя водород, температура нагревателя около 3300 К.

Согласно условиям водород, захватываемый накопителем из газового баллона имеет кинетическую энергию 5,78 МДж на каждый 1 кг. Выделяемая в форме тепла она накапливается в тепловом аккумуляторе с кпд 75% (в количества 4,335 МДж). Для уравновешивания силы торможения необходим выброс массы величиной 0,425 кг при скорости 8000 м/с. Уравновешивающая реактивная струя из водорода имеет 13,6 МДж на каждую порцию в 0,425 кг. При кпд 75% необходимый подвод энергии от теплового аккумулятора равен 18,135 МДж на порцию. Таким образом, разница составляет 13,8 МДж на каждый 1 кг поступающей массы водорода или на 0,425 кг массы водорода, выбрасываемого в виде реактивной струи.  Выигрыш массы здесь 0,575 кг из каждого одного килограмма, поступившего в КА-накопитель. Показатели отличные и недостижимые для других видов ракетно-космического транспорта.

Откуда берем тепло для теплового аккумулятора? Есть два основных варианта.

В первом варианте, источником тепла являются радиоизотопный нагреватель, ядерный реактор или гелиоконцентратор (концентратор солнечного излучения).

Во втором варианте, источник тепла – часть груза, захватываемая КА-накопителем. Например, если помимо, газообразного водорода, КА-накопитель периодически получает возможность захватывать другие вещества, например, кислород и отдельно бериллий или гидрид бериллия, то стехиометрическая порция кислорода и бериллия массой 0,575 кг выделяет при сгорании требуемые 13,8 МДж. В результате система будет качать вещество с Земли на орбиту, в данном случае оксид бериллия. Если использовать литий и фтор, с чуть меньшей энергоёмкостью, то в качестве итогового продукта транспортировки будет фторид лития.

Бериллий удобно поставлять в виде порошка гидрида бериллия, который находится в форме аэрозоля, создаваемого в газ-холдерах с водородом в момент предшествующий захвату. Кислород может поставляться в газ-холдерах, аналогично водороду. На борту КА-накопителя бериллий отделяется от водорода, складируется, обрабатывается и затем используется в качестве горючего в топке теплового аккумулятора. Литий также поставляется в форме аэрозоля гидрида лития в водородных газ-холдерах.

Зачем на космические станции поставлять оксид бериллия и фторид лития? Ответ простой – по той же причине по которой специалисты НАСА планируют поставлять воду, а не раздельно кислород и водород. Соединения кислорода и фтора – это более удобные формы хранения кислорода и фтора, чем чистые кислород и фтор. Воду, оксид бериллия и фторид лития не так сложно разделить на компоненты для использования в космосе, по сравнению с проблемами хранения кислорода и фтора на борту космических аппаратов.  А бонусом является бериллий, который после отделения от кислорода может использоваться в качестве конструкционного материала (компонента алюминиевых сплавов) – благо 3D-принтеры для космоса, печатающие металлом агрегаты КА, уже апробированы и продолжают совершенствоваться.

Какие еще бонусы дает космонавтике схема с энергоснабжением за счет поставляемых грузов? Их много, но главный – это возможность использовать не тяжеловесные ЭРД с удельной массой порядка 1 кг/кВт, а в 100-1000 раз менее массивные термические водородные двигатели. Это значит, что доставка топлива и других грузов на орбитальные станции при помощи данной схемы может превзойти все ожидания практиков. Готовы ли эксплуатационники к ожидающему их прекрасному будущему?
Оцените документ:

Обсуждения

Оставить комментарий

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий от своего имени!

aaa