[AR] Re: Zubrin,

  • From: Christopher Buchanan Shay <chrisshay1@xxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Tue, 3 Sep 2019 13:50:44 -0400

God help me, below I modestly suggested my own vague electrical-propulsion
idea (which others, admittedly, have done actual research on)...  I had the
notion that the electricity generated from modified fuel cells would power
a solid-state acoustic thruster.  Still sorta think the idea has some
merit, perhaps as an active cooling system *cum* wallpapered thruster for
aerodynamic reentry.  Not sure what the best shape would be.  For purposes
of science fiction (a nascent novel called “Boy Gets Rocket” which I hope
to complete *after* my dissertation defense), it was, of course, a plot
point I have yet to address. Either a tic-tac shape or a DH-1 barn find...
       :-)
[image: image.png]

*Summary*

Currently, chemical rocket engines have a limited ISP.  Using a system
designed around acoustic waves could amplify and simplify applications
requiring conventional reaction energy.



*Introduction*

I propose to determine whether it is feasible to construct a reaction
propulsion system based around a hybrid electrical storage system centered
on acoustic technology with particular emphasis on using such a system to
construct a solid-state microthruster dependent on development of an
acoustic aerospike for both thrust and vectoring.

The concept of an acoustic reaction engine is a holistic one:  Such an
engine would maintain pressure (and superchill) for cryonic fuel using
thermoacoustics, following the work of Rott (1980) and Swift (1988).

Since principles of acoustic ignition (Campagna, 1975) are based on
acoustic technology, further research would seek to determine whether one
system could be modified to both cool propellant and ignite it.

A third step would be to link these two systems with an acoustic transfer
system such as NASA’s Bellocq Compression Wave Pump. Finally, research
would determine whether it is possible to actively (rather than passively)
shape a reaction engine exhaust jet using acoustic waves.  Is it possible
to, in effect, form a virtual (i.e. active acoustic) aerospike?

The sought-for outcome would be a system that could cool cryogenic
propellant, keep it under pressure, pump it to the ignition chamber, ignite
it, and vary the vector as well as ISP by using a single unified
(acoustic/electric) control system rather than multiple systems.

In this way the reaction system might be fabricated on a single die as part
of, for instance, a microthruster.  Such microthrusters could have many
commercial applications (in CubeSats, for example).

One counterintuitive idea which has appeal: if the fuel already has a
lithium pyroelectrical component (e.g. suspended in Triethylborane gel)
could the filled fuel tank itself also be utilized as the fuel cell for the
system?  (That is, utilized both as an electrical energy storage matrix and
as the primary source of cryonic fuel.)

If this system could be powered by turning the cryonic fuel tank into a
hybrid energy-storage unit for electrical power (i.e. a
superconductive/cryonic ultracapacitor) this might solve the problem of
high power requirements without resorting to an unconventional or nuclear
power source.

It might even be possible to scavenge electrical energy from the heat of
the reaction, depending on whether a pyroelectric substance was usable as a
fuel additive.

If thrust is controlled acoustically, this could also lead to control over
the sonic signature of the vehicle, potentially resulting in a stealthy
flight mode.  This potential for a suppressed launch signature might
eventually have appeal for urban areas (and special operations warfare).

The acoustic system described above could have advantages including robust
solid-state operation (with microthrusters contained on a single electronic
chip), as well as tangentally leveraging knowledge related to acoustics but
not yet associated with reaction engines.  This concept might serve in an
adaptive low- and high-bypass engine proposal but the possibility of
“wallpapering” the exterior skin of an aerodynamic vehicle for increased
maneuverability might be a more immediate application.



*Conclusion*

By pumping more (stored electrical) energy through a reaction system than
possible with a standard chemical system, ISP might be improved over a
non-nuclear chemical or nuclear reaction engine.

Safety-minded aversion to storing large electrical charges in the immediate
vicinity of fueled rockets leads the author to wonder if this particular
line of thought has ever been actively pursued…





*References*

Rott (1980)

Swift (1988)

Campagna (1975)



*Contact:*

Christopher B. Shay

Cloudface/Aerospace

chrisshay1@xxxxxxxxx

(321) 443-1451


Sound increases the efficiency of boiling

May 24, 2012 <http://phys.org/archive/24-05-2012/>

*Scientists at the Georgia Institute of Technology achieved a 17-percent
increase in boiling efficiency by using an acoustic field to enhance heat
transfer. The acoustic field does this by efficiently removing vapor
bubbles from the heated surface and suppressing the formation of an
insulating vapor film.*

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As reported in the American Institute of Physics' (AIP) journal the *Physics
of Fluids*, bubble removal was enhanced because the acoustic field induces
capillary waves on the bubble, causing its contact line to contract and
detach the bubble from the surface.

The mechanisms associated with these interactions were explored using three
acoustic experiments: an air bubble on the underside of a horizontal
surface, a single vapor bubble on the top side of a horizontal heated
surface, and pool boiling from a horizontal heated surface.

The researchers were able to isolate and identify the dominant forces
involved in these acoustically forced motions
<http://phys.org/tags/motions/> by measuring the capillary waves induced on
the bubbles, bubble motion, and heat transfer during boiling.

*More information:* Acoustically Enhanced Boiling Heat Transfer, by Zachary
Douglas et al. *Physics of Fluids*, 2012.



On Mon, Sep 2, 2019 at 5:08 AM John Schilling <john.schilling@xxxxxxxxxxxxxx>
wrote:

On 8/28/2019 10:58 AM, Henry Vanderbilt wrote:
On 8/28/2019 10:01 AM, Uwe Klein wrote:
Am 28.08.2019 um 17:43 schrieb Henry Vanderbilt:
Knowledgeable reduction of my ignorance RE electric propulsion much
appreciated - thanks!

So, all other electric-propulsion things being equal, in terms of
overall efficiency of converting electrical energy in to thrust energy
out, the ionization energy requirement favors  heavier atomic-weight
propellants and higher isp's.


What do I get from putting a charge on fine dust?
You obviously have to increase acceleration time/length
due to less applyable force per mass.

A 20 km/s sandblaster?  Drives that emit discrete particles rather
than self-dispersing individual molecules would be a hazard to
navigation at some large distance, I would think.  Perhaps not good if
the object is vastly increased space traffic.

Beyond that, I might guess that you could reduce the charge energy
required if not every molecule must be charged, but as you imply at
cost of heavier/longer acceleration machinery for a given exhaust
velocity.  Whether that's a good trade depends on the circumstances,
of course.


There are systems that electrostatically accelerate small charged liquid
droplets; the terms you want to search for are colloid thruster or
electrospray thruster.  Acceleration distance doesn't have to be very
long because they all exploit the very high field gradients you get near
the tip of a needle-shaped anode or cathode to simultaneously extract,
charge and accelerate the droplets. Also, the geometric size and
throughput constraints on electrostatic thrusters are mostly set by
space charge density rather than mass density, so putting e.g. half a
dozen surplus charges (positive or negative) on a 10,000 AMU blob of
some liquid salt solution is pretty appealing.

Unfortunately, thrust *per needle-shaped emitter* is measured in
micronewtons, and when you call machining and tell them your Mars
mission needs a precise array of a hundred million needles hooked to a
high-voltage grid and a capillary feed system they tend to start
giggling.  Mumble something 3-D printing lithography nanomagic, but the
needles need to be really sharp.  And stay really sharp in operation.
So far, this is mostly for microsatellites or for precision
stationkeeping on larger satellites.

         John Schilling
         john.schilling@xxxxxxxxxxxxxx
         (661) 718-0955



-- 

*Christopher Buchanan Shay*

*(321) 443-1451*




* "One today is worth two tomorrows."-Benjamin Franklin*

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