Über Arbeitsgase für nicht konventionell beheizte Raketen

Zusammenfassung

Nach einer systematischen Übersicht über die verschiedenen möglichen Raketentypen und die mit ihnen erreichbaren spezifischen Impulse, sowie einer Bestimmung des Begriffes „Arbeitsgas“ und seiner Funktionen, werden als Teilergebnisse eines umfangreichen Rechen-programmes die thermodynamischen Gemisch-Funktionswerte bei Gleichgewichtseinstellung für einige Wasserstoff-Sauerstoff-Arbeitsgasmischungen bekanntgegeben und daraus mittlere Molekulargewichte, Ionisationsgrad und erreichbare spezifische Impulse für Aufheizungs- und Strömungsvorgänge mit verzögerungsfreier Gleichgewichtseinstellung abgeleitet.

Anschließend werden die Vorgänge bei Aufheizung der Arbeitsgase durch Korpus-kularstrahlbeschuß, die keine völlige Gleichgewichtsanpassung zulassen, erörtert und ein systematisches Untersuchungsprogramm vorgeschlagen. Einige Zahlenergebnisse werden nach überschlägiger erster Abschätzung hierzu angegeben.

Zusammenfassend läßt sich sagen: Für Aufheizung auf Feuergastemperaturen, deren Wärmeübergänge an die Behälter noch rein thermodynamisch, ohne Zuhilfenahme elektrischer oder magnetischer Felder beherrscht werden können, erscheinen nach wie vor die wasserstoffreichsten Arbeitsgase als die besten wegen ihrer geringen Strahlung, geringen Ionisierung, niedrigen Molekulargewichte und hohen spezifischen Impulse. Da, wo man die Vorteile hoher Ionisierung, wie bei den Ionenraketen, ausnutzen möchte, erscheinen Alkalimetalle, deren Verbindungen, oder Mischungen mit ihnen geeigneter als Mischungen mit Sauerstoff.

Abstract

A systematic review has been made, concerning the various rocket types possible and their attainable specific impulses, as well as a definition of the term “working fluid” and its functions. Following this, the values of the functions of thermodynamic mixtures, as a partial result of an extensive computation program are presented for equilibrium conditions of some hydrogen-oxygen working fluid mixtures. Mean molecular weights, degree of ionization, and specific impulses obtainable for processes of heating-up and flow are derived therefrom, with equilibrium attained without delay.

Thereupon the processes are considered which take place while the working fluids are heated up through bombardment by corpuscular beams, and which do not permit a complete equilibrium adjustment, also a systematical investigation program is suggested. In this connection some numerical results are given, resulting from a first estimate.

Summarizing, it may be stated that the working fluids rich in hydrogen contents still appear to be the best for the heating-up to combustion gas temperatures whose heat transfer to the combustion chamber walls can be controlled by purely thermo-dynamical means without taking recourse to electric or magnetic fields. This is due to the low radiation of hydrogen, its low ionization degree, low molecular weight, as well as to its high specific impulses. Wherever one wishes to make use of the advantages offered by a high degree of ionization — as for instance with ion rockets — alkali metals, the compounds of these metals or mixtures with them, appear to be superior to mixtures with oxygen.

Résumé

On donne un aperçu systématique des différents types possibles de moteur-fusée, des impulsions spécifiques qu’ils peuvent fournir, ainsi qu’une définition de la notion de “gaz de travail” et de ses fonctions. Comme résultats partiels d’un vaste programme de calcul, on présente les valeurs des fonctions thermodynamiques pour quelques rapports du mélange hydrogène-oxygène, dans l’hypothèse d’un établissement instantané de l’équilibre, ainsi que les poids moléculaires moyens, le degré d’ionisation et les impulsions spécifiques qui en découlent.

On discute ensuite les processus physiques lors d’une élévation de température par bombardement corpusculaire, dans lesquels l’équilibre n’est pas complètement atteint. Un programme de recherche systématique est proposé et quelques résultats numériques sont fournis sur la base d’une première estimation.

En conclusion: Pour une élévation de température modérée, où le contrôle des échanges de chaleur aux parois peut se faire par des moyens purement thermodynamiques (sans utilisation de champs électriques ou magnétiques), les gaz de travail riches en hydrogène semblent toujours les plus intéressants. Ceci provient de leur faible rayonnement, de leur degré d’ionisation modéré, de leur faible poids moléculaire et de leurs impulsions spécifiques importantes. Dans le cas, où on veut tirer profit des degrés d’ionisation élevés, comme dans le cas de la fusée ionique, les métaux alcalins ou les mélanges avec ceux-ci semblent plus appropriés que les mélanges avec l’oxygène.

Erschienen in Astronaut. Acta 5, 97-115 (1959).