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Roadmap della NASA per la propulsione nucleare

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Offline IK1ODO

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Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« il: Lun 07/09/2015, 18:17 »
Questa piacerà a manoweb...  :mrgreen: Alessio, la NASA dice di avere una roadmap per un dimostratore di propulsione nucleare in tecnologia NTR.
Il dimostratore prevede un reattore da centinaia di MW termici, che surriscalda un flusso di idrogeno liquido iniettato da una turbopompa. La tecnologia si basa su elementi di combustibile ad elevato arricchimento (93%, molto più dei reattori civili) incapsulati in grafite per sostenere l'elevata temperatura (molte migliaia di gradi, ovviamente). Il reattore mi pare avere una densità di potenza paurosa, il volume è nell'ordine del metro cubo. Il "tappo" conico in alto è il riflettore di neutroni che ripara il payload.



(a me sembra un caso di vaporware, specialmente se il reattore diventa critico ;) )
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Offline manoweb

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #1 il: Mar 08/09/2015, 04:06 »
Molto bene! Si tratta di un reattore a "core" solido. IK1ODO tu hai accesso a quella rivista online? Oppure sai se ne esiste una scopiazzata su Internet?

Le mie domande sono: che temperature si aspettano di conseguire? Il trasferimento di calore sara' piu' a conduzione o irraggiamento? Perche' idrogeno, non ha una densita' molto bassa, e poi serve pure lo sforzo per lavorare a temperature molto criogeniche con tutte le difficolta' del caso? Quando sarebbe l'idea di farlo volare, fra quanto tempo insomma? Sarebbe utilizzato come primo stadio oppure solo come stadio una volta gia' in orbita? Nel primo caso chiedo gia' le ferie per andare ad assistere al lancio. Parli di densita' di potenza - ti riferisci al "thrust" molto elevato in rapporto alla dimensione del motore? Quella parte "exit diameter" e' il flusso di idrogeno surriscaldato o una continuazione dell'ugello? Ciao grazie

Online albyz85

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #2 il: Mar 08/09/2015, 09:41 »
Le mie domande sono: che temperature si aspettano di conseguire?
3000k come ordine di grandezza

Citazione
Quando sarebbe l'idea di farlo volare, fra quanto tempo insomma?
E' uno studio!

Citazione
Sarebbe utilizzato come primo stadio oppure solo come stadio una volta gia' in orbita?

E' un motore per utilizzo al di fuori dell'atmosfera

Citazione
Parli di densita' di potenza - ti riferisci al "thrust" molto elevato in rapporto alla dimensione del motore?
E' della classe da 35.000 lbf di spinta e ISP circa doppio rispetto ai propulsori attualmente in uso.

EDIT: nell'articolo linkato da IK1ODO si parla di propulsore da 7.500 lbf, forse dallo studio allegato ad oggi è stato ridimensionato...

Citazione
Quella parte "exit diameter" e' il flusso di idrogeno surriscaldato o una continuazione dell'ugello?
E' l'ultima sezione dell'ugello

http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20150016484.pdf
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20150016563.pdf

(a me sembra un caso di vaporware, specialmente se il reattore diventa critico ;) )

Assolutamente!  :mrgreen: :mrgreen:
« Ultima modifica: Mar 08/09/2015, 09:56 da albyz85 »
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Offline IK1ODO

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Offline manoweb

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #4 il: Mar 08/09/2015, 19:11 »
Domani rimuovo il file .... :)

Thank's! :D

Offline Buzz

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #5 il: Sab 26/09/2015, 11:58 »
Perche' idrogeno, non ha una densita' molto bassa, e poi serve pure lo sforzo per lavorare a temperature molto criogeniche con tutte le difficolta' del caso?
È proprio la massa molto bassa la ragione per cui si usa l'idrogeno.
L'impulso specifico è pari alla velocità di uscita del propellente, quindi più veloce esce il propellente e meno consumi.
Considerando che la spinta è pari alla variazione di quantità di moto, io posso ottenere la stessa spinta da un atomo che pesa 1 ed esce a velocità 100 o da un atomo che pesa 100 ed edsce a velocità 1. La spinta è la stessa, ma nel primo caso la velocità di uscita è molto maggiore e quindi il consumo è minore.
« Ultima modifica: Sab 26/09/2015, 12:00 da Buzz »
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Offline sinucep

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #6 il: Sab 26/09/2015, 14:11 »
Per non saper né leggere né scrivere mi viene da pensare che puoi usare un propellente più leggero oppure meno propellente. Che siano molti atomi leggeri o pochi pesanti non drovrebbe fare differenza

Offline IK1ODO

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #7 il: Sab 26/09/2015, 15:25 »
Per non saper né leggere né scrivere mi viene da pensare che puoi usare un propellente più leggero oppure meno propellente. Che siano molti atomi leggeri o pochi pesanti non drovrebbe fare differenza

stavo pensando la stessa cosa. f=m*a, o qualcosa mi sfugge. Alla fine devi espellere massa accelerandola.
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Offline Buzz

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #8 il: Sab 26/09/2015, 15:40 »
Stavo pensando la stessa cosa. f=m*a, o qualcosa mi sfugge. Alla fine devi espellere massa accelerandola.
Lo so che non è per niente intuitivo, ma non è così.
F = m x a, ma a parità di spinta e quindi di impulso totale (Forza per tempo) a noi interessa quanto peso è servito per ottenere quell'impulso (l'impulso specifico appunto), che è quello che indica il consumo. Meno consumo significa più peso disponibile per il payload.

Il fatto è che la velocità di uscita del propellente in un ugello è inversamente proporzionale (sotto radice) alla massa molecolare, il che significa che un gas più leggero esce dall'ugello più velocemente. E come avevo scritto qui, più velocemente esce il gas e più alto è l'impulso specifico, e quindi più basso è il consumo.

Per questo motivo si cerca sempre di avere propellenti con peso molecolare basso.
Ad esempio, nel caso del LOX/LH2 non si fanno reazioni stechiometriche (ovvero in cui tutto l'ossigeno reagisce con tutto l'idrogeno) ma si preferisce mettere un eccesso di Idrogeno. Questo perché, anche se si "spreca" una parte di idrogeno non facendolo reagire e quindi ottenendo minore energia termica dalla reazione, il fatto che propellente in uscita è un misto di idrogeno e vapore acqueo ed è quindi più leggero dell'acqua pura fa ottenere al netto un impulso specifico maggiore e quindi un consumo minore.

Detto questo, il peso molecolare basso ha anche lo svantaggio che la densità del gas è minore, quindi per avere la stessa spinta bisogna avere un missile più grande (ugello più grande, motore più grande, serbatoio più grande, etc.), il che comporta un aumento di peso strutturale che fa diminuire il vantaggio del risparmio di propellente. Come sempre bisogna fare dei trade off di tutti i vari fattori e vedere nella somma del totale quale soluzione conviene :)

Nel caso di un motore orbitale (come questo motore) e non di un lanciatore, ove quindi non si deve sconfiggere la forza di gravità per sollevarsi da terra, la spinta non è così importante quanto l'impulso specifico. Anche se il gas ha densità di minore e quindi si ottiene una densità di spinta minore, non c'è bisogno di fare il motore più grande: si accetta una spinta minore, il che significa che bisognerà mantenere acceso il propulsore per più tempo, ma in cambio si riduce di molto il consumo di propellente.
« Ultima modifica: Sab 26/09/2015, 15:53 da Buzz »
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Offline Vittorio

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #9 il: Sab 26/09/2015, 18:21 »
Allora ecco che si spiega come mai il Saturn V aveva il primo stadio a cherosene/LOX e gli altri stadi a LOX/LH2.
Vittorio

Whoopee! Man, that may have been a small one for Neil, but that's a long one for me.

Offline sinucep

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #10 il: Sab 26/09/2015, 20:37 »
Grazie davvero Buzz per la spiegazione, mi ha intrigato su più fronti. Approfondirò

Offline Buzz

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #11 il: Sab 26/09/2015, 20:58 »
Allora ecco che si spiega come mai il Saturn V aveva il primo stadio a cherosene/LOX e gli altri stadi a LOX/LH2.
Quella più che una questione tecnica fu una questione storica, a Von Braun non piaceva il LOX/LH2 e storicamente aveva sempre usato il cherosene. E ha fatto lo stesso per i propulsori F1 del primo stadio sviluppato dal suo gruppo.
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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #13 il: Lun 12/10/2015, 14:12 »
Mi sono imbattuto in questo: http://www.nasa.gov/content/pulsed-fission-fusion-puff-propulsion-system

e poi in un'altra curiosità: http://www.nasa.gov/exploration/home/antimatter_spaceship.html

Noi siamo qui ancora a discutere se sia il caso di andare prima sulla luna, o sugli asteroidi, che bello se uscisse all'improvviso una nave sperimentale del genere.
<ISAA n°119> | È vero, ho scalato montagne e ho camminato in luoghi remoti. Ma come avrei potuto vedervi se non da una grande altitudine o da una grande distanza? In verità, come si può essere vicini se non si conosce la lontananza? (Khalil Gibran)

Offline IK1ODO

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #14 il: Lun 12/10/2015, 16:20 »
Ca...spita, c'è gente che fuma roba pesante, in NASA! Non siamo capaci di tenere assieme più di qualche centinaio di positroni per qualche secondo, e c'è chi parla di metterli in un serbatoio. Robb de matt.
Il PUFF... è ancora più vaporware, IMHO.
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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #15 il: Lun 12/10/2015, 20:28 »
Ca...spita, c'è gente che fuma roba pesante, in NASA! Non siamo capaci di tenere assieme più di qualche centinaio di positroni per qualche secondo, e c'è chi parla di metterli in un serbatoio. Robb de matt.
Il PUFF... è ancora più vaporware, IMHO.

Marco, negli anni 60 erano convinti che nel 2000 saremmo stati in stazioni spaziali, su Marte, con colonie sulla luna, con computer pensanti etc. E non lo diceva il volgo: lo dicevano molti scienziati. Quindi il criterio metodologico predittivo empirico "oggi non si riesce, ma domani con le nuove tecnologie sarà possibile" c'é sempre stato.
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Offline IK1ODO

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #16 il: Lun 12/10/2015, 21:09 »
Sì, ma io vorrei vedere più studi seri, e meno boiate campate per aria come quella dell'antimateria. Che potrebbe aver senso solo se qualcuno dicesse "abbiamo inventato un sistema di confinamento sicuro al 99,9999999%, che non richiede terawatt di energia elettrica per fare i campi magnetici. Vi può servire?"
Dài, sono stufo di leggere robe così spacciate per studi scientifici. Sarà che divento vecchio.
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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #17 il: Mar 20/10/2015, 01:28 »
Ho citato il secondo link solo come curiosità.
Il primo link mi era parsa una proposta molto concreta: ho capito male?
« Ultima modifica: Mar 20/10/2015, 01:50 da Peter Pan »
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Offline Nansuchao

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #18 il: Mar 27/10/2015, 14:16 »
Una curiosità, come mai a proposito di propellenti in campo nucleare non si nomina praticamente mai l'Idrazina?
Se quel poco che ho capito non è sbagliato, avrebbe un ISP inferiore all'Idrogeno, ma non di tanto, ma una spinta decisamente maggiore.
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Offline mcarpe

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #19 il: Mar 27/10/2015, 17:10 »
Una curiosità, come mai a proposito di propellenti in campo nucleare non si nomina praticamente mai l'Idrazina?
Se quel poco che ho capito non è sbagliato, avrebbe un ISP inferiore all'Idrogeno, ma non di tanto, ma una spinta decisamente maggiore.

OK, ma che c'entra l'idrazina con la propulsione nucleare?
Matteo Carpentieri

Offline paolo_a

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #20 il: Mar 27/10/2015, 17:16 »
Da buzz c'è sempre da imparare.. che bruciare carburante in eccesso di idrogeno fosse conveniente come ISP non me lo aspettavo proprio, avrei detto il contrario!
Holy shit
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Offline Nansuchao

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #21 il: Mar 27/10/2015, 18:27 »
Una curiosità, come mai a proposito di propellenti in campo nucleare non si nomina praticamente mai l'Idrazina?
Se quel poco che ho capito non è sbagliato, avrebbe un ISP inferiore all'Idrogeno, ma non di tanto, ma una spinta decisamente maggiore.

OK, ma che c'entra l'idrazina con la propulsione nucleare?

Per il fatto che sento nominare Idrogeno principalmente come combustibile e poche altre sostante, ma praticamente mai l'Idrazina. Quindi mi chiedevo se ci fosse un perché o semplicemente l'idrogeno è il combustibile di riferimento.
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Offline Buzz

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #22 il: Mar 27/10/2015, 18:31 »
Da buzz c'è sempre da imparare.. che bruciare carburante in eccesso di idrogeno fosse conveniente come ISP non me lo aspettavo proprio, avrei detto il contrario!
Una delle prime lezioni del corso di propulsori astronautici del prof. Casalino al PoliTo, direi una di quelle lezioni che mi ha fatto lasciare il mondo aeronautico e prendere la deriva "spaziale" :)

Per il fatto che sento nominare Idrogeno principalmente come combustibile e poche altre sostante, ma praticamente mai l'Idrazina. Quindi mi chiedevo se ci fosse un perché o semplicemente l'idrogeno è il combustibile di riferimento.
Per il discorso che ho fatto sopra, l'idrazina (N2H4) è molto più pesante dell'idrogeno, quindi avrebbe impulso specifico molto piu' basso.
In base a cosa dici che avrebbe una spinta decisamente maggiore?
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Offline Nansuchao

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #23 il: Mar 27/10/2015, 20:56 »
Avevo visto degli studi, ero affascinato dalla propulsione spaziale nucleare, e per vari tipi di motore (Plasma, VASMIR, Nerva) erano indicate anche le varie statistiche di Isp/thrust in base ai diversi propellenti. Ricordo di essere rimasto colpito da come l'Idrazina ha si un Isp inferiore all'Idrogeno, ma anche un thrust decisamente superiore.

Se ricordo dove avevo visto le cifre linko il sito...
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Offline Buzz

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #24 il: Mar 27/10/2015, 21:06 »
Ricordo di essere rimasto colpito da come l'Idrazina ha si un Isp inferiore all'Idrogeno, ma anche un thrust decisamente superiore.
È legato a quello che ho scritto sopra: propellente più leggero significa più Isp ma meno densità di spinta.
Non vuol dire spinta in assoluto maggiore, ma spintà maggiore a parità di dimensioni del propulsore (dell'ugello). Bisogna vedere se ci sono dei limiti alle dimensioni del propulsore o meno, e bisogna vedere qual'è il profilo di missione.

In generale è sempre un trade-off di questo tipo: più Isp significa meno spinta, quindi significa meno consumo di propellente ma tempi di percorrenza più lunghi. Ovviamente meno propellente si consuma e meglio è, ma bisogna vedere qual'è il tempo di percorrenza massimo che ci si può permettere e che impatti questo ha sulla missione stessa.
Questo tipo di decisione va preso in fase di progettazione, quando si fa la mission analysis.

Faccio un esempio: se per risparmiare 1000 kg di propellente devo tenere gli astronauti nello spazio un anno di più, e questo comporta consumare 2000 kg di cibo in più, allora la cosa non ha senso e quindi mi conviene consumare più propellente ma arrivare a destinazione prima.
Oppure può anche significare che se ci metto troppo tempo perdo l'appuntamento col pianeta che passa, e quindi non raggiungo l'obiettivo di missione.
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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #25 il: Mar 27/10/2015, 21:17 »
Chiarissimo, grazie della spiegazione.

Quindi in base a questo ragionamento, ecco spiegati i vari motori a Ioni per le sonde automatiche, mentre per le missioni manned serve qualcosa di magari meno efficiente ma più performante.
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Offline Buzz

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #26 il: Mar 27/10/2015, 21:49 »
Tieni anche presente che qui stiamo parlando di propulsione nucleare termica, ovvero l'energia che scalda il gas arriva esclusivamente dal reattore nucleare e non c'è reazione chimica. L'Isp quindi in questo caso dipende molto da come è fatto il reattore e che temperature fa ricevere al gas, ma per quel che riguarda il propellente solo da quanto è "pesante".

L'idrazina in genere si usa nella propulsione chimica, in cui l'idrazina viene fatta reagire con l'ossigeno e quindi il calore arriva dalla reazione chimica stessa e non da un agente esterno come il reattore nucleare. E in quel caso, è vero che l'Isp è di poco più basso rispetto alla reazione Idrogeno/Ossigeno, oltre al fatto che l'idrogeno ha sempre i problemi legati al criogenico. Probabilmente gli articoli che hai letto si riferivano a questo tipo di propulsione, non a quella nucleare.
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Offline Nansuchao

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Re:Roadmap della NASA per la propulsione nucleare
« Risposta #27 il: Mar 27/10/2015, 22:01 »
Non ricordo esattamente e quindi non insisto. Ti ringrazio ancora per le informazioni, sono sempre le benvenute!
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