Снова в космос: зуд оптимизаторства

Часто можно встретить утверждение о том что мол у ракетного двигателя КПД крайне мал. Так ли это? Я решил взять и построить график КПД от скорости истечения для достижения дельты в 3 км/с. Почему именно такой дельты? Потому что это близко к тому что требуется от многоразового челнока Луна-Лагранж-1. Для других дельт сместится максимум графика, но не изменится форма. КПД я считал делением кинетической энергии конечной массы на кинетическую энергию улетевших газов масса которых считалась по формуле Циолковского. По-идее я должен был вычесть массу баков, но она зависит от плотности топлива и имеющихся технологий.

И так, мы видим что КПД системы довольно высокий - на графике не проценты, а доли 1. В процентах будет от 46 до 65. И что в системе Земля-Луна менять "химию" есть смысл только на безракетный запуск - оптимальное значение скорости истечения соответствует вообще гидразину-монотопливу. Причем оптимум примерно 60 % от дельты так что пожертвовав возвратом мы сможем запускать с Луны груз на Землю с помощью производимых Луной одноразовых ракет "Пергидроль-1" на перекиси водорода. Производится из той же воды что и водород-кислород. А вот на этапе запуска с Земли удельный импульс по-больше не помешал бы ибо даже полностью водородный одноразовый носитель имеет скорость истечения чуть менее 50 % от дельты, многоразовый еще меньше, Старшип - еще еще меньше. Ниже график для дельты 9.5 км/с (синий) и 10 км/с (зеленый)

Но опять-же разница между КПД для Раптора (55 %) и водородного (60 %) с максимальным КПД достижимым при 6 км/с (65 %) не принципиальна.

КПД выше был посчитан при условии что КПД двигателя 100 %. Но может там не 100? При сгорании водорода в кислороде выделяется 16.7 МДж на килограмм стехиометрической смеси. Скорость истечения от 4.4 до 4.6 км/с. В 7 кг ракетно-оптимальной смеси горит 6.75 кг. Вооружившись этим знанием находим КПД преобразования химической энергии в энергию струи кислород-водородного двигателя в 60 %. В любом случае общий КПД системы в интервале 30-40 % и для Луны и для Земли. Переход на ЯРД скорее всего опять не поможет ибо проблема в самом устройстве преобразования тепла в кинетическую энергию - сопле Лаваля. Которому безразлично как именно был нагрет газ. Поможет увеличение степени расширения сопла Лаваля, но это приведет к переутяжелению двигателя.

А вот слишком сильно повышать скорость истечения относительно дельты лучше не надо:

График продлен для дельты 9.5 км/с

Переход к системам безракетного старта позволить увеличить КПД максимум в 3 раза - больше 100 % не бывает. Но на самом деле бывает если использовать правильные системы и иметь близкий по массе грузопоток в обе стороны. Физика на самом деле ни чего не запрещает, если уметь ей пользоваться. Дело в том что при посадке на небесное тело мы должны куда-то деть свою кинетическую энергию, в то время как при взлете - наоборот откуда-то достать. Хорошо бы не переводить энергию в энтропию, а положить в банк. Такие системы возможны. Это ротоватор и черная лента. Но переход к их использованию опять означает что в системе Земля-Луна химии нам хватает за глаза - дельты не покрытые безракетными системами совсем маленькие. В принципе ее же хватает и до Марса с Венерой и околоземными астероидами если мы не торопимся. Если торопимся то, как видно из графиков, при превышении дельтой скорости истечения КПД падает быстрее чем когда наоборот и нам требуется иметь скорость истечения одного порядка с желаемой дельтой.