Возможные движки

[Дмитрий Уваров]

Есть у меня фантастический (в смысле "вымысел", а не оценка качества) проект один на космическую тематику. Во что выродится - пока не понятно, может быть это будет что-то вроде Master of Orion, но амбициознее и правдоподобнее; может быть настольная РПГ в космическом будущем, может книжка, может быть ещё что-нибудь. Но информацию всё равно собираю. Высшего технического образования не имею, но в целом понимаю что и как, потому что с детства интересовался наукой, в первую очередь - астрономией. Вот и задаю вопросы, на которые большинству из здесь присутствующих, как я понимаю, ответить не сложно, а мне для самостоятельного выяснения ответа придётся перелопачивать зачастую массу специальной литературы, которую ещё непонятно где брать. Так что уж простите.

Какие вообще возможны движки для космических кораблей, каковы принципы их работы? Про химический всё понятно. Про парус вроде бы тоже. Что такое ионный и ядерный движки? А ещё что-нибудь пофантастичнее?

Скорее всего в этом проекте я рано или поздно сорвусь на "гиперпространство" в целях играбельности/читабельности, но, во-первых, не хотелось бы, может и обойдётся; во-вторых, хотелось бы попозже, выжав из "реальности" всё, что можно.

[kis]

 меня идея такая тоже была долго  но не смог из финансовых соображений реализовать проект. Но геймплей и "движки" а так же их расчетная геймовая математика есть и название красивое есть. Так что если есть желание пообщаться то напишите мне в личку. В "построенную" мной игру на бумаге ( компьютер использовался для расчета энергетики кораблей и генерации всяческих "космических неожиданностей" ) мы играли до весьма приклонного для таких забав возраста 23 - 25 лет. По итогам игры за 10 лет можно было фынтастическую сагу написать. Сам собой получившийся сценарий где то дома у родителей лежит.
Очень интересно было. Есть контакты почти со всеми издателями и несколькими командами разработчиков. Ориентировочный бюджет 300 - 400 тыс.

[bob]

Схемы нетипичных движков.
1. Нетрадиционные ТРД.
Для работы термохимического двигателя вовсе не обязательно нужны порох, гидразин или водород с кислородом. Например, в проектах освоения Луны, сотрудники НАСА предлагали металлические пары в качестве топлива. То есть, термитную взрывчатку, обычно применяемую в качестве оружия для прожигания бункеров. Магний, алюминий и пр. отлично горят. Плюс - высокая температура и скорость истечения. Минус - малый выход рабочего тела.

2. Электроракетные и ядерные двигатели.
2.1. Импульсные ЯРД.
Самым простым был американский проект "Орион". Задняя часть корабля представляет собой отражатель с большим демпфером, за которым периодически взрываются небольшие докритические атомные  бомбы 5-10 Кт, создавая тягу.
Как вариант рассматривалась и полная сфера из толстой термоустойчивой стали диаметром 200-300м, внутри которой взрываются малые термоядерные заряды 40-50 Кт. Тяга создаётся выбросом продуктов реакции из отверстия в сфере. Минус - огромный износ ходовой части, ударные нагрузки, огромное загрязнение окружающей среды. Непроизводительный расход топлива на нежелательный нагрев двигателя.

2.2. ЯРД Непрерывной тяги.
Проект "Фузилер".
Та же сфера, в которую нагнетается уран в порошковом виде или в растворе вплоть до возникновения критической массы. Большая часть топлива не может прореагировать. Гигантское загрязнение среды.
Схема "Ядерная лампа".
Ядерный реактор (твердофазный или газофазный) обтекается рабочим телом, например, водородом и нагревает его. Плюс - более низкая радиоактивность "выхлопа".


2.3. Электроракетные двигатели.
2.3.1. Ионный двигатель. Рабочее тело, как правило, тяжёлый металл в виде порошка или раствора.
Двигатель представляет собой лучевую пушку, как в ламповом телевизоре или мониторе. Только вместо электронов он ускоряет ядра атомов рабочего тела до околосветовых скоростей. Источник электроэнергии - бортовая АЭС или термитный химический реактор. Экономично, нерадиоактивно. Огромная скорость истечения, большой к.п.д. Минус - сильный износ катода и анода, затраты в электрических цепях, невозможность получения большого удельного импульса. Все двигатели - малой тяги. Реально применяются для некоторых современных АМС. Кстати - единственная из реально воплощённых схем.
2.3.2. Электродуговой двигатель. То же самое, но вместо ускорителя - мощная дуговая лампа, обтекаемая рабочим телом.
2.3.3. Электромагнитная схема. То же самое, но вместо ионного ускорителя - электромагнитная пушка. Рабочее тело - дробь из ферромагнетика. Плюс - холодная тяга. Однако термодинамический износ тоже велик за счёт нагрева магнитных катушек пушки.

[bob]

Забыл ещё одно. Все ЯРД подразделяются на твердофазные, жидкофазные и газофазные по состоянию ядерного топлива во время реакции. Догадываетесь, что последние два - летающие Чернобыли, причём очень грязные. Это одна из причин, почему их так и не стали производить, помимо огромной массы и технических проблем. Для жидкофазных есть улучшенный вариант "фузилера" - ЯРД с центробежным удержанием активной зоны реактора. Струя рабочего тела продавливается через активную зону, где расплавленное ядерное топливо прижато к стенкам вращением конструкции. Страшная вещь. Хорошо, что эта пакость ещё ни разу не летала.

[andrey.fedorov]

А фотонные двигатели? Большой такой фонарик!

[bob]

Их нельзя рассматривать серъёзно. Абсолютная фантастика. Приведённые мной схемы реальны на уровне современной технологии. Забыл - электродуговые двигатели тоже несколько раз были применены на спутниках в небольших двигателях для ориентации и коррекции траектории в маломощном варианте. Был ещё проект (тоже назывался "Дедал" и ещё "Орион", любят все это слово) в начале восьмидесятых. Термоядерный импульсный корабль с отражателем, за которым мощный газовый лазер периодически подрывает микроскопические капсулы с дейтерием. Абсолютный бред.

[Mase]

Пожалуй комбинация ионного и какого-нибудь обычного ракетного двигателя является оптимальной.
Ионный используется для основного движения в слабых гравитационных полях, а обычный, кратковременно, в сильных.

У ионного проблемы:
1. Само вещество расходуется продолжительное время. Хватит ли его.

2. Энергия для ионизации и ускорения ионов. Чем сильнее они ускорены тем больше импульс при том же количестве выбрасываемого вещества. На веществе можно экономить, ускорив его сильнее, но нужен хороший, стабильный источник энергии, хватит ли энергии реактора корябля на путешествие?

3. Остаточный заряд. Ионы выбрасываются с большой скоростью. Возможно они после ускорения рекомбинируют в нейтральные атомы проходя через искуственное электронное облако. Если да - это источник жесткого излучения.
Если нет - корабль будет мгновенно накапливать большой заряд. Емкость корабля в сотни метров размером - от десятков до сотни нанофарад, а ток заряда явно больше чем "несколько" ампер - легко посчитать скорость роста потенциала на корпусе корабля. Такой заряд должен стекать с острия пик - отстоящих далеко от корпуса. Пучок электронов выходящий из пик создает электронное облако, которое будет изнашивать пики, а также экранировать острие, что уменьшит его эффективность.
Значит, потенциал корабля может быть очень большим по модулю? Тем самым ионы вылетев могут потерять часть энергии, потраченной на их ускорение изза движения против притягивающего назад к кораблю электирческого поля, хотя, скорее всего это будет не очень сильный эффект, но износ оболочки корабля за счет стекания заряда может быть большим.

[Дмитрий Уваров]

Об экологии.
Ладно, отрываемся от земли мы, видимо, на "экологически чистых" химических, потому что остальное - это ужас какой-то. Дальше, допустим, начинаем летать на всём подряд - большие крейсера на ядерных, мелкие челноки на ионных и прочих электроракетных. В космос выбрасываются облака радиоактивной дряни. Сильно ли это чревато чем-нибудь нехорошим? Пространства-то вроде много... Я про солнечную систему, в основном интересуют маршруты Земля-Луна и Земля-Марс.

[Mase]

Об экологии.
Ладно, отрываемся от земли мы, видимо, на "экологически чистых" химических, потому что остальное - это ужас какой-то. Дальше, допустим, начинаем летать на всём подряд - большие крейсера на ядерных, мелкие челноки на ионных и прочих электроракетных. В космос выбрасываются облака радиоактивной дряни. Сильно ли это чревато чем-нибудь нехорошим? Пространства-то вроде много... Я про солнечную систему, в основном интересуют маршруты Земля-Луна и Земля-Марс.

В солнечной системе пока только обычные двигатели эффективны.

Ионный безопасен, но слишком слаб - его хорошо использовать для развития больших скоростей только вдали от тяготеющих тел, а так - только для небольших коррекций полета ...

Реально, конечно, ядерные двигатели могут оказаться не такими уж и опасные, если радиоактивная струя достаточно быстрая и узконаправленная, то если ускорение включать только в те моменты когда в хвост не видны планеты и астероиды, то она покинет пределы солнечной системы и рассеится в космосе. За этим можно поручить компьютеру бортовому следить, чтобы не кого не "продихлофосить".
Тогда их вполне можно использовать и для межпланетных перелетов, начиная с орбиты земли. В атмосфее, конечно, будет очень вредно такое запускать.

[bob]

1. Само вещество расходуется продолжительное время. Хватит ли его.
2. Энергия для ионизации и ускорения ионов. Чем сильнее они ускорены тем больше импульс при том же количестве выбрасываемого вещества. На веществе можно экономить, ускорив его сильнее, но нужен хороший, стабильный источник энергии, хватит ли энергии реактора корябля на путешествие?
3. Остаточный заряд. Ионы выбрасываются с большой скоростью. Возможно они после ускорения рекомбинируют в нейтральные атомы проходя через искуственное электронное облако. Если да - это источник жесткого излучения.
Если нет - корабль будет мгновенно накапливать большой заряд. Емкость корабля в сотни метров размером - от десятков до сотни нанофарад, а ток заряда явно больше чем "несколько" ампер - легко посчитать скорость роста потенциала на корпусе корабля. Такой заряд должен стекать с острия пик - отстоящих далеко от корпуса. Пучок электронов выходящий из пик создает электронное облако, которое будет изнашивать пики, а также экранировать острие, что уменьшит его эффективность.
Значит, потенциал корабля может быть очень большим по модулю? Тем самым ионы вылетев могут потерять часть энергии, потраченной на их ускорение изза движения против притягивающего назад к кораблю электирческого поля, хотя, скорее всего это будет не очень сильный эффект, но износ оболочки корабля за счет стекания заряда может быть большим.

1-2. Для чего  хватит? Чтобы долететь до звёзд за приемлемое время - не хватит. Так как всё определяется энергоресурсом АЭС и износостойкостью ускорителя, а не теоретическими параметрами движка.
3. Электростатика в космосе - действительно проблема. Вакуум - идеальный изолятор.
Излучение от ускорителя, конечно, есть. сама реактивная струя - поток околосветовых ионов тяжёлых металлов (тоже не сахар), поперёк неё - жёсткий рентген. Но из всех ЯЭРД это самый чистый из реализованных. Однако я - за электромагнитную тягу. Выхлоп чистый, холодный. Но направлять его в обитаемые области тоже нехорошо. Так как он представляет собой скоростной метеоритный поток. И , опять же магнитной стали немного жалко.

[Mase]

Однако я - за электромагнитную тягу. Выхлоп чистый, холодный. Но направлять его в обитаемые области тоже нехорошо. Так как он представляет собой скоростной метеоритный поток. И , опять же магнитной стали немного жалко.

Боб, мне тоже нравится эл-я тяга. Вспомнил, что есть более эффективный и много более простой метод.

Если же ускорять частички металла в градиенте магнитного поля, то я с Вами соглашусь, что это метод чистый и интересный. Единственное - это очень сложно эффективно ускорять такие частички до сверхбоььших скоростей. Магнитная проницаемость материала с частотой резко упадет, кроме того, начинают преобладать токи фуко в проводящих частичках (Eddy currents), которые как раз имеют противоположный эффект ферромагнетизму, создавая тормозящую силу.

На такой силе тоже можно сыграть, сделав "РЕЛЬСОТРОН". (См. в интернете с ключевым словом "рельсотрон" или "railgun" )
Эффективно природу ускорения можно описать несколькими эквивалентными выражениями, одим и простых объяснений является действие силы на проводник с током в магнитном поле.

На две хорошо проводящие рельсы ложится кусок металла, замыкая их.
К рельсам прикладывается источник напряжения с низким внутренним сопротивлением (заряженная конденсаторная батарея, например).
Через такой контур (рельса-закоротка-рельса) идет огромный ток, 

+ о----------------- I----------
                           I =>
-  о------------------I----------

Через кусок металла, лежащего на рельсах течет ток, который перпендикулярен магнитному полю, создаваемому током в замкнутом контуре. Это создает бешенную силу на кусок металла, заставляя его ускорятся до умопомрачительных скоростей.
В лабораторных условиях уже научились получать скорости в 2-3 км/с для кусков металла весом в 1.5 кг на открытом воздухе.
Массы весом в 1г разгоняются до 16км/с, нужно учеть, что это делается на воздухе, где сопростивление воздуха играет большую роль.

Если рельса длинная и в вакууме, то можно добиться очень больших скоростей за короткое время.
Дальше, при больших скоростях, нужно рассматривать всякие высокочастотные эффекты в проводниках, типа "скин-слоя".

Но это, несомненно более быстрая вещь, чем магнитные таблетки, и позволяет получить много большие скорости, значит съекономить на выбрасываемом металле.
КПД также выше у таких систем.

Главным же недостатком пока считается износ рельс.
Также сложно сделать генератор бешенных токов с долгой продолжительностью жизни, но это думаю, как-нибудь решится.

[bob]

Согласен. Это хорошо для однократного выстрела. Генератору и рельсам сразу хана. Соленоид всё-таки обеспечивает не только разгон, но и защиту стенок от контакта со снарядом. Паразитные токи тоже сильно греют, но равномернее распределяются. Максимальная скорость снаряда, достигнутая на испытаниях около 8 км/с. Так что ваше решение в исходном его виде годится только для береговой батареи с частой сменой стволов.
Ещё в 60ых годах прошлого века были проекты по запуску транспортных спутников из электромагнитной пушки.

[Lynn]

А еще есть электрогидравлический эффект. Причем его можно реализовать в домашних условиях. 

[Anton Pronyaev]

А я слышал, что на Кассини, есть тридцать с чем-то килограммов плутония, он нужен из-за того, что солнечного света мало, и когда его запускали в 1997 году, столько было протестов, правда ли это, если да, то объясните где, что и зачем.

[Major]

Еще один важный тип движка забыли - гидро-пневматический. Заливаем в ракету воды (примерно на 1/2 объема), и велосипедным насосом накачиваем воздух. Летит метров на 70 вверх .
 В фильме "Незнайка на Луне" фигурировала модификация такого движка - на газировке.

[Samvlamix]

 :)Я расскажу о двигателе с новой концепцией точней, о связке нескольких двигателей.
Не так давно сотрудники Американской Лаборатории элементарных частиц университета Пенсильвании предложили использовать для корабля помимо обычного всем уже известного ЯРД еще и термоядерный реактор. Концепция двигателя основана на использовании в качестве топлива - плазму, состоящая из ядер дейтерия и гелия-3 – это легко радиоактивного изотопа гелия. При слияние таких ядер рождаются протону и альфа-частицы, которые обладают вполне солидной суммарной кинетической энергией, равной около 18,3 МэВ. Для запуска термоядерного синтеза, плазму нужно нагреть, чтобы выполнить так называемое условия Лоусона. Эта задача решается при помощи использования сверхмощных магнитных полей. Для запуска реактора плазму следует разогреть до 100000000 градусов и сильно сжать магнитными полями.
Где её изолируют с помощью сильных магнитных полей, которые препятствуют разогретой плазме падению на стенки реактора.
Подобная схема реактора была предложена еще Сахаровым и Тамма. Именно на её основе были созданы многочисленные реакторы-токамаки, к числу которых относиться и ITER.
Но здесь еще возникает 2 проблемы:
Для создания такого реактора требуется громоздкое оборудование (вес одного только этого реактор может превышать 2500 тонн) и огромное количество энергии.
Правда, не хватку этой энергии можно решить мини АЭС (эта проблема уже решена). Также реакцию можно зажечь и в не большой камере, но при условии: насытив дейтериев – гелиевую плазму антипротонами. При их аннигиляции должно рождаться ударные волны, которые и дожмут плазму до нужного критерия. Антипротоны предполагается хранить в электромагнитной ловушке и закачивать их в реактор по мере необходимости. 
 В общем, удельный импульс двигателей получается 61000 секунды с ресурсом вещества 22 года, с максимальной скоростью разгона 1000км/с, дальностью полета более 1500 астрономических единиц!     

[Samvlamix]

К этому можно добавить, что на межпланетном космическом корабле (МКК) с ТДР двигателями можно свободно путешествовать и исследовать солнечную систему.
Для этого на МКК можно разместить взлётно-посадочные исследовательские челноки и не только, но правда общая Масса такого корабля может составить больше 10000т! (Может и меньше нужны более точные просчёты). Конечно, строительство такого корабля нужно осуществлять, прямо на орбите.

Вполне возможно наступит, временя когда:
Человек заходит в тур-агентство и спрашивает:
 До луны далеко?
- нет, 6 часов лета!                                               
А до Марса далеко?
- нет, дня 2 лета!
А до Колец Сатурна?
- ну, побольше будет…

[dims]

Есть ещё "вихреводы" (не знаю, как перевести warp drive), которые искривляют пространство и таким образом осуществляют своё движение.

Ещё можно предположить реактивный двигатель на тёмной материи. Ведь её, по-видимому, гораздо больше, чем видимой материи и она заполняет всю галактику. Можно её как-то улавливать и с силой отбрасывать назад...

[bob]

  В общем, удельный импульс двигателей получается 61000 секунды с ресурсом вещества 22 года, с максимальной скоростью разгона 1000км/с, дальностью полета более 1500 астрономических единиц!     

У двигателя не бывает дальности полёта. У корабля с этим двигателем она тоже лимитирована сопутствующими проблемами. Сама возможность управляемого термояда с положительным энергетическим выходом весьма сомнительна. Схема типа токамака или стелларатора не может дать положительного выхода. Поэтому и родился миф о применении гелия-3, как панацее против проблем. В любом случае, положительный выход будет ничтожным.

[bob]

Есть ещё "вихреводы" (не знаю, как перевести warp drive), которые искривляют пространство и таким образом осуществляют своё движение.

Ещё можно предположить реактивный двигатель на тёмной материи. Ведь её, по-видимому, гораздо больше, чем видимой материи и она заполняет всю галактику. Можно её как-то улавливать и с силой отбрасывать назад...

В "старкрафте" - есть...