[存档]关于23AD等离子燃料推进做为飞船动力理论情况的简报

关于23AD等离子燃料推进做为飞船动力理论情况的简报
等离子燃料推进
等离子燃料推进是指用约束等离子体储存能量,并通过引擎使其回归正常态从而释放能量,并加速其正常态产物作为工质喷射,从而推进飞船的推进方式。
等离子的能量可以认为源于由其完全电离电子相对原子核的电势能。当等离子回归正常态时,电子回到低能量的原子轨道从而释放能量。
化学能可以认为是分子参与化学反应的电子的电势能。由于完全电离态的电子能量高于任何常态分子中(轨道上)的电子,因此等离子的能量密度理论上高于任何一种化学燃料(注意:化学燃料在计算能量时一般不计入氧化剂(通常是空气中的氧气)的质量,因此在此比较能量密度时请把氧化剂质量加回来)
氢等离子是量密度较高而易获取的等离子。每个氢原子有一个电子,电离电子的能量为Ea,每克氢含一摩尔Na个氢原子。可得氢等离子的能量密度为:
E(氢等)=1EaNa1000=约1.310^9焦/千克
相比之下,高标聚变燃料为约6.310^14焦/千克,约为其48万倍,氢-氧为1.5810^7焦/千克(单氢为1.43*10^8焦/千克)

以理想状况,其能量全部赋予产物(氢)转化为动能,代入动能定理式得喷气速度约为1.7空间节。
代入火箭方程, 氢等离子燃料推进的载荷/总质量比(2次加速)分别约为:
21%,1.3节(三个月地火)
1.1%,3.8节(一个月地火)
相比之下,高标聚变的荷总比均超过99%。
很明显,使用氢等离子燃料推进即使在最慢速度下,也远超33%燃料比例的可接受范围。涉及的大量设备基础,加之长时间约束等离子的需求等,可以认为其存在经济性优势的可能性渺茫。
而化学燃料、电池的效率还远在此之下。因此, 等离子燃料及以下的推进方式,在23AD大规模用于飞船是难以接受的。

化学推进是能量和动量一起在推进剂中体现。等离子是吧能量和动量分开,本身只提供动量,能量需要另外输入。
考虑核燃料(哪怕聚变)的稀缺性,等离子的优势仍然非常明显:彻底把核燃料封闭在飞船系统内部只提供能量,提供动量的燃料可以用非常廉价而多样化的来源。

@23snowtiger 这里说的不是等离子推进,而是将等离子做为储能载体
一般把引擎喷射物质直接称为工质
核聚变直接推进将反应产物直接做为工质喷出,相比需要外部工质的间接推进,可以节省大量质量和空间

@那柯 不管聚变还是裂变,直接喷射核反应物质的效率都太低了。罗伯特祖布林那个核盐水火箭,裂变物质利用率只有百分之一。聚变其实也是差不多的。

@23snowtiger
核盐水火箭喷射的水是减速剂,裂变堆很难及时将反应产物(核废料)从反应中移出。聚变堆可以(也必须)由偏滤器将反应产物排出反应堆,反应产生的能量可以用于将产物加热或等离子化做为工质喷出。
关于裂变能量利用效率:
如果是发动机效率(核能量利用效率):只是技术问题,利用效率高的设计多的是,可见过哪座核电站会丢掉99%的能量?
如果是推进效率:关于喷气速度越快推进效率越低的问题:这个结论只适用于大气层内喷气引擎
Screenshot_20210322_150549.jpg
在真空中,基于火箭工式,等质量工质喷气速度越快,反而越有优势

@那柯 所有的民用压水堆核电站在一次通过燃料模式下都会丢掉95%的铀好不好,限制燃料棒寿命的真不是燃料快要烧完了

喷气速度越快效率越低的前提是能耗(油耗)固定,慢速驱动大量空气比快速驱动少量空气能够产生更大的推力
在太空中,到底是低工质消耗重要,还是短时间大推力重要,是个讨论起来非常复杂的问题

@23snowtiger 你是想把能量损耗提升到最大吗?开尔文直呼内行

@23snowtiger 你确定那个丢掉95%的铀235的核电站其实不是把核燃料送给伊朗了(笑),还是说你觉得铀238也应该算进燃料里

@23snowtiger 那个不叫能量利用效率,那个是质能转化率,如果这个比例能到20%的话我想人类就不需要其他能量来源了(笑)

@23snowtiger 实际上,因为我们无法制造出机械效率100的引擎,所以你增加越多复杂的步骤,我们就会在这些愚蠢的地方浪费更多的能量,而不是向你说的更节能,并且我认为在太空中直接使用核燃料功质比使用你所谓的更廉价多样化的材料更好,因为聚变所需的轻元素非常广泛的分布在宇宙里,远大于你认为更廉价的功质

@23snowtiger
乏核燃料中的96%的质量是剩余的未反应的铀,大多数是铀-238,一小部分是铀-235。通常情况下,铀-235的质量分数小于0.83%,铀-236的质量分数大约是0.4%。但是U-238并不是核燃料,因为它无法参与裂变反应,所以敢问95%的核燃料都被丢弃的结论是怎么来的?

Log in to reply