¿Pueden volar los cohetes sin quemar combustible alguno con la ayuda de gases sometidos únicamente a una presión extrema?

Question

¿Por qué es necesario quemar el combustible de hidrógeno que sale del motor para la elevación de los cohetes?

Si se hace para crear una mayor fuerza de reacción en el cohete, entonces ¿por qué no podemos obtener la misma sustentación con sólo ajustar la velocidad del gas hidrógeno que sale del motor como si pudiéramos liberarlos a una gran presión (y también ajustando el tamaño de la abertura de la tobera) y por lo tanto a una mayor velocidad?

¿Es posible que los cohetes volar sin quemar el combustible y solo soltando el combustible con una gran fuerza ? (Ya sé que los cohetes son demasiado grandes).

¿Cómo funciona el I _SP de los motores de cohetes ordinarios comparar con el de mi pregunta? La mayoría de las respuestas han hecho la comparación (y un gran agradecimiento por ello), pero me ayude con la diferencia numérica en el I _SP 's.

(Compárelo utilizando cualquier valor deseado de la cantidad de combustible y otras cosas necesarias para el despegue).

Answer 1

¿Por qué es necesario quemar el hidrógeno que sale del motor para elevar los cohetes?

El hidrógeno no es el único combustible posible, así que supongo que su pregunta es más general: ¿por qué se quema cualquier combustible?

Si se hace para crear una mayor fuerza de reacción en el cohete, entonces ¿por qué no podemos hacer la misma elevación con sólo ajustar la velocidad del gas hidrógeno que sale del motor como si pudiéramos liberarlos a una gran presión y por lo tanto a una mayor velocidad?

Para un cohete se necesitan dos cosas: una masa de reacción que expulsar y una fuente de energía que la acelere. Los cohetes de combustión combinan estas dos cosas en una sola fuente. El combustible/oxidante arde generando energía. La energía de la combustión calienta y luego, a través de la configuración de la tobera, acelera los productos de la combustión como masa de reacción.

Como masa de reacción podría embarcarse casi cualquier cosa, pero conseguir la potencia para acelerarla es mucho más difícil. Las baterías y el gas comprimido contienen algo de energía, pero su densidad es mucho menor que la de los combustibles para cohetes. Los paneles solares pueden reunir una cantidad casi ilimitada de energía, pero hay que esperar mucho tiempo para recogerla. Los combustibles nucleares podrían liberar mucha energía, pero poner un reactor nuclear en un cohete requiere mucha masa y es difícil convencer a todo el mundo de que se puede hacer de forma segura.

Aunque tuvieras suficiente energía eléctrica, convertirla en empuje no es sencillo. Se pueden utilizar motores iónicos, pero su empuje es mucho menor que el de un cohete químico. La aceleración puede ser útil en el espacio, pero es demasiado pequeña para ayudar a levantar un cohete de la superficie de la Tierra.

Así, el combustible se quema porque puede almacenarse en el cohete con una densidad de energía bastante alta, y la reacción puede producirse a gran velocidad, proporcionando grandes cantidades de empuje.

Answer 2

La liberación de gas comprimido producirá algo de empuje. Pero cuando los gases se queman se expanden mucho más. Esto produce una velocidad de escape mucho mayor que proporciona un empuje mucho mayor.

Answer 3

Seguro que sí. La potencia (empuje) del motor cohete en primer orden sólo depende de la velocidad y del flujo másico del gas que sale del motor:

$$ F=\Phi_m v $$

Dónde $\Phi_m$ es el caudal másico del motor y $v$ es la velocidad del flujo respecto al cohete.

Pero tenemos que producir de alguna manera este flujo de masa, por ejemplo, tenemos que producir una alta presión de gas. Esto se puede hacer comprimiendo el gas en un recipiente. Pero podemos obtener una presión aún mayor, si quemamos el combustible.

En realidad, utilizamos la reacción química, que produce calor y, en consecuencia, una mayor presión (tenga en cuenta la ecuación de estado para el gas ideal). Así pues, la combustión se utiliza únicamente para aumentar la temperatura y, en consecuencia, la presión. $$ P=\frac{n R T}{V} $$

Answer 4

Hay un límite para la presión de la gasolina. Pasado cierto punto, dejan de ser gases y se convierten en líquidos. Los cohetes ya han alcanzado este límite; el oxígeno se almacena como líquido. Y aunque es posible almacenar energía en líquidos presurizándolos, esto es mucho más difícil de hacer que con los gases.

y también ajustando el tamaño de la abertura de la boquilla

El gas a presión sólo tiene un límite de energía. No se puede obtener más que la energía almacenada, independientemente del tamaño de la boquilla, y la disminución del tamaño de la boquilla disminuye la cantidad de gas liberado por tiempo.

¿Es posible que los cohetes vuelen sin quemar el combustible y también sin afectar al volumen del combustible total, es decir, con la misma cantidad de combustible utilizada en las hélices generales?

La redacción es confusa, pero parece que preguntas si es posible obtener la misma energía sin quemar el combustible. Liberar la presión de un gas y quemarlo va a liberar más energía que sólo liberar la presión, así que por supuesto la cantidad de combustible necesaria aumentará si no se quema. Es posible hacer volar un cohete una distancia corta sólo a partir de la liberación de presión (hay cohetes de juguete que tienen agua como propulsor y aire presurizado como combustible), pero no creo que sea posible alcanzar la órbita a partir de ellos.

(Sé que son demasiado masivas, pero considera una más ligera).

Realmente no está claro a qué "ellos" se refiere aquí.

Answer 5

Por supuesto, un cohete, vagamente definido, puede acelerar sólo con la presión del gas. Eso es lo que hace inflar un globo y soltarlo.

El problema es que no hay suficiente energía en el gas comprimido para proporcionar mucho empuje. Tomemos como ejemplo las botellas de submarinismo, quizás el caso más familiar de gas a alta presión para la mayoría de nosotros. Una botella típica (cifras aproximadas porque hay muchas variaciones) pesa unos 15 kg en vacío y contiene 2,3 kg de aire comprimido a 3.000 psi. Así que tenemos un recipiente que pesa unas 5 veces más que el gas que contiene.

Esa cantidad de gas comprimido contiene aproximadamente 1 kWh de energía. (El compresor relativamente pequeño de una tienda de buceo típica puede llenar un depósito en 15 minutos más o menos). Eso no es mucho si se compara con la energía generada al quemar la misma masa de hidrógeno (u otro combustible) y oxígeno.

Hay un segundo problema con el gas comprimido. La compresión de un gas genera calor (una de las razones por las que las tiendas de buceo llenan las botellas con agua es para mantenerlas frías) y, a la inversa, la descompresión de ese gas requiere absorber calor del entorno. Con las botellas de submarinismo, la descompresión es lenta (¡al menos eso esperamos!), y la botella está en agua de la que puede absorber calor. Intente descomprimir el gas rápidamente, en atmósfera o en vacío, y enfriará el gas restante hasta el punto de que ya no se evapora. De hecho, éste es el principio por el que funcionan muchos frigoríficos, aires acondicionados y licuadores de gas.