質問:
「発熱化学反応ロケット」の最大Ispはありますか?
uhoh
2016-07-11 06:34:39 UTC
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質問最大の $ \ text {I} _ {sp} $ span>はありますか?は、私がかつてどこかでそれを読んだことを思い出しました発熱性の化学反応性推進剤によって駆動される膨張に基づくロケットエンジンの可能な最大の $ \ text {I} _ {sp} $ span> span> em>は約450秒です。

(実際には4500 m / sを読み取り、9.8で割る代わりにゼロをドロップしています。)

これは正しいですか?もしそうなら、それは実際にどのように決定されましたか? kCal / moleとkg / moleに制限があり、熱力学的知識などがありましたか?

注:「発熱化学物質」よりも受け入れられた簡潔な用語がある場合は、反応ロケット」または「発熱化学反応推進剤によって駆動される膨張に基づくロケットエンジン」教えてください! 「わかっている-通常のロケット」と言いたい。

編集:検索 site:space.stackexchange.com 4500 m / s が表示されるここにいくつかの場所があります。たとえば、この質問は次のように述べています。

$ \ Delta v $ span>からLEOまでは9000m /です。 s、

一般的な排気速度 $ v_e $ span> = 4500 m / s

しかし、これは実用的です制限? $ \ text {I} _ {sp} $ span>の化学エンジンが示した最高のものを意味するのではなく、化学に基づく熱力学的極限について学びたいと思います。と熱力学。

(また、Chemistry.SEで[ヘルパーの質問](http://chemistry.stackexchange.com/questions/54791/which-chemical-reaction-has-the-highest-specific-energy)を尋ねました)
@SF。 OK、それは本当に現実を囲みます。これは、反応生成物で構成される化学反応駆動推力の制約がある絶対的な上限と見なすことができます。これは、より適切な用語がないための「通常のロケット」です。また、以下の回答の引用についても説明します。ありがとう!
Thermodynamics of PropulsionのIIRCは、発熱化学ロケットの制限要因が最終的にノズルになります。これは、燃焼によって生成される高圧と温度を排気運動量に変える部分であるため、理にかなっています。関連する方程式のほとんどはhttp://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/UnifiedPropulsion6/UnifiedPropulsion6.htmにあります。
三 答え:
Russell Borogove
2016-07-11 08:38:41 UTC
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450-455s I sp sub> はH 2 sub> / O 2 sub>の典型です。 HuzelとHuangのデータによると、酸素と燃焼した水素とベリリウムの混合物は約540秒に達する可能性があります。その表の数値は、中程度のチャンバー圧力と膨張比のものです。より高い値が可能です。

ウィキペディアによると:

ロケットエンジンでこれまでにテスト発射された化学推進剤の最高比推力は542秒(5,320 m / s)で、三液推進剤はリチウム、フッ素、水素。

理論上の限界が何であるかわかりません。排気ガスに複雑な分子がある場合、かなりの運動エネルギーが分子結合内の振動の形で保持され、推力には寄与しないことを私は知っています-これがH 2 sub> / O 2 sub>エンジンは水素が豊富に動作します。 H 2 sub>は、H 2 sub> Oのように曲がることはありません。したがって、複雑な化合物で高エネルギー反応を探すと、収穫逓減が発生します。

yarchiveに関するBruceDunnの投稿は引用なしで主張しています:

700年代半ばのISPは、実用的な提案は言うまでもなく、理論的にも不可能です。

ブロッククォート>
OK!これは、化学物質の$ \ text {I} _ {sp} $の風景をうまく要約していると思います。 300の一般的な近隣には、ソリッド、ハイブリッド、LOX /灯油などの多くの可能性があります。低から中程度の400年代は、広く使用されている最高の$ \ text {I} _ {sp} $推進剤システムであるLOX / LH2の本拠地です。 500年代後半までのエキゾチック。 700未満の絶対上限(化学反応生成物の推力、より適切な用語がないため)。ありがとうございます。
ここで説明されているように、フッ素含有酸化剤はひどく実用的ではありません:http://space.stackexchange.com/questions/1415/why-are-hydrogen-fluorine-fuels-not-used-for-rockets-more-frequently--so in高いIspが必要な場合は、ハイドロロックスを使用して練習してください。それでも不十分な場合は、電気スラスターを使用して、非常に低い推力を犠牲にしてIspの桁違いの利点を得ることができます。
SF.
2016-07-11 13:25:23 UTC
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理論上の限界は、推進剤の燃焼反応の比エネルギーによって設定されます。

与えられた物質の比エネルギー$ e $がわかれば、得られる比推力$ I_ {に上限を設けることができます。 sp} $化学エネルギーから運動エネルギーへの変換を100%と仮定します。

$$ I_ {sp} = {v_e \ over g_0} $$

$$ E_ {chem } = em \ geqslant E_k = {1 \ over 2} {m v_e ^ 2} $$

$$ v_e \ leqslant \ sqrt {2e} $$

$$ I_ {sp} \ leqslant {\ sqrt {2e} \ over g_0} $$

この理論上の限界にどれだけ近づくことができるかは、エンジンのエンジニアリングと構造の問題です。たとえば、一般的なLH2 + LO2クライオ燃料の場合、比エネルギーは 13.43MJ / kgです。

$$ I_ {sp} \ leqslant {\ sqrt {2 \ cdot 13430000 {J \ over kg}} \ over 9.8 {m \ over s ^ 2}} = 528.8s $$

スペースシャトルで実際に得られる455秒の比推力は、SSMEが理論上の最大値の86%を達成したことを意味します(残りは明らかに排気ガスの熱として放散されます)。

最もエネルギッシュな反応は(主張は出されていないが)ベリリウムの酸化 23.9MJ / kgで、純粋に理論的には 705秒の比推力。純粋に理論的には、酸化ベリリウムは粉末であるため、推進力を生み出すガスの断熱膨張はありません。

ここで「理論的に」よりも良い言葉があればいいのにと思います。思いつかないのですが、絶対的な上限です。よく知られているように、避けられない熱力学的現実はおそらく間違いなくより少ない数につながるので、705になる可能性があるという実際の「理論」はありません。しかし、人々はこのように「理論的に」頻繁に使用します。運動エネルギーを使って上限を設定しようとは思ってもみませんでしたが、それは理にかなっています。これをとても素敵で量的な言葉で表現してくれてありがとう!
@uhoh:排気ガスの温度がエンジン内での加速を停止する前に基板温度まで下がると(推進力を提供する)、上限に達する可能性があります。非常に高温の推進剤とかなり低温の排気ガスから始めたとしても、上限を超える可能性があります。 (技術的には、これが蒸気ロケットの仕組みです。)しかし、排気ガスは非常に高温であり、十分な長さのノズルを構築することは完全に逆効果(表面の流れの摩擦!)になるため、これは起こりません。
Professor O
2018-02-21 04:38:08 UTC
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Cosgrove and Snyder(1952)は、酸素ガス中でのベリリウム箔の燃焼によるBeOの生成熱が143.1kcal / molであることを発見しました。これは、「標準生成熱」とよく一致します。 Wikiの酸化ベリリウムの「熱化学」セクションに記載されている599kJ / mol。それぞれが23.9MJ / kgに相当し、3つの有効数字があります。

ご回答有難うございます。この値は、[この回答](https://space.stackexchange.com/a/17132/12102)で、反応生成物BeOが(非常に高温でも)固体であるという記述とともにすでに報告されています。これは、特に膨張後、反応が高速排気を生成しないことを意味します。そして、高いIspがなければ、これは実際には質問に対する答えではありません。
@uhoh:あなたのリンクは「主張は出所がない」と述べています。追加の検証とともに、ソースを提供しました。
ああ!わかりました。これは良い有益なコメントですが、Stack Exchangeインターフェースでは、自分以外の投稿にコメントを残し始めるには、50のレピュテーション(ポイント)が必要です。これは私が知っている少しイライラすることがあります。一般に、SEで回答としてコメントを投稿することは許可されていません。誰かがやって来て、この回答をコメントに移動するか、(方法はわかりませんが)これを適切なSEの回答に拡張してみてください。質問は賛成票ごとに「+5」、回答は「+10」になるため、50に到達するのにそれほど時間はかかりません。
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