Ракета,запитываемая лазером: способ вырваться из гравитационного колодца Земли?

[AlexAV]

Обсуждался. КПД СВЧ выше, но у него и расходимость выше. Так что, в общем, до фонаря, чем запитывать нагревательный элемент такой ракеты - лазером или СВЧ.

Наибольшая сложность не доставить луч до аппарата, а передать энергию луча рабочему телу.

[Polnoch Ксю]

ПД ЖРД рассчитывается как коэффицент использования внутреннего тепла топлива. На сегодня он достигает около 85-90%. Практически всё тепло от сжигания топлива преобразуется в скоростной напор на срезе сопла, который и даёт тягу. Остаётся совсем немного (потери+ работа турбонасосного агрегата). Для справок:

КПД угольного паротурбинного блока - 33...37%
КПД парогазовой установки                 - 55...60%
КПД средней солнечной батареи         - 20...25%

Так что у ЖРД довольно высокий КПД среди многих устройств.

Речь вообще не о том была, не о КПД сопла, не о КПД преобразования тепла в кинетическую энергию струи, а о удельном импульсе, который и есть настоящий КПД для ракетного двигателя как конструкции:
Если Вы потратите 99% тепловой энергии что бы всю массу рабочего тела сразу-сразу запустить медленно-медленно, у вас вроде бы и КПД, как Вы его считаете высокий, но УИ будет никакой... Зато если вы потратите даже 10% тепловой энергии(т.е. КПД 10%) на то, что бы 1% рабочего тела(а остальное оставить не потом) запустить с на три порядка большей скоростью истечения, у Вас УИ будет выше на порядки!  И такой ракетный двигатель будет лучше!
ЖРД очень неэкономно расходует рабочее тело.

[Polnoch Ксю]

При вращательном движении вся кинетическая энергия, запасённая на одном полувитке - теряется на следующем.

не вся, иначе самолеты бы не могли кружить над аэродромом

[bob]

не вся, иначе самолеты бы не могли кружить над аэродромом

А мы не самолёт обсуждаем. Кстати, самолёт при витке тоже теряет всю кинетическую энергию, но там её никто и не собирается запасать. Они кружат над аэродромом не ради энергетической выгоды, а как раз ради энергетических потерь - чтобы горючее лишнее дожечь. Вот для этого винтовая траектория как раз только и подходит. 

[Polnoch Ксю]

А мы не самолёт обсуждаем.

Почему бы первой ступени и не быть самолетом?

Кстати, самолёт при витке тоже теряет всю кинетическую энергию,

Уверены, что всю? Если даже всю, ну и ладно, значит, число витков нужно сократить, так как каждый виток умножает количество энергии, израсходованной на старт....

[alex_semenov]

С самого начала была предложена двухступенчатая схема: первая ступень использует рабочее тело-воздух, что бы добиться псевдобесконечного УИ, и обмануть формулу Циолковского, и питается от назменого лазера недалеко от точки старта, может быть в верхней части траектории от космического лазера (свч?), а вторая ступень везет рабочее тело с собой, и питается от космического лазера(свч?)

А стоит ли ВООБЩЕ овчинка выделки?
Что мы РЕАЛЬНО от этого всего выигрываем по сравнению с обычной ракетой?

Обычная ракета на ЖРД вообще говоря по всем параметрам как транспортное средство на орбиту очень близка к идеалу. Даже скорость истечения в 3000-3500 м/с  близка к идеальной скорости истечения для ракеты, разгоняющейся до 8000 м/с.
Там все почти идеально. За счет вертикального старта быстро проходит плотные слои, набирает высоту (которую и так придется набирать, то есть тратиться на mgh), потом  в безвоздушном пространстве ложиться на бок и разгоняется до нужной скорости.
Тут нечего улучьшать!

СВЧ запитка корабля лучом с орбиты интересна, скажем для спускаемых на планету аппаратов, в случае десантирования на чужую планету в чужой солнечной системе.
Здесь вам нужен относительно легкий одноступенчатый аппарат, который сядет в гравитационную яму, а потом поднимется из нее. Допустим,  вам это нужно по сюжету фантастического романа.
Что делать, если вы хотите быть предельно реалистичны?
Вот тогда можно представить себе этакую тарелку, которая спускается как обыкновенный утюг-безмоторный (пчти) спускаемый аппарат в атмосфере (без всякого топлива), садиться, а потом используя забортную атмосферу (не важно какую) и СВЧ энергию, поданную ей по лучу с орбиты (с базового корабля) взлетает и выходит на орбиту.
Но в любом случае такое транспортное средство будет очень дорогим именно как транспорт.
Это как вездеход на серевный полюс.
Для коммерческих перевозок не годится. Для коммерческих нужны все же "рельсы" как не крути. То есть астросооружение.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/surfaceorbit.php

Если не лифт или ОТС, то  хотя бы петля Лофстрома или этот, любимый Гансов "Йо-Йо". В общем нужна капитальная инженерная деятельность людей за пределами Земли. Нужны АРХИТЕКТУРНЫЕ решения а не чудо-машины.
Никакими чудо-играшками проблему выхода из грав. ямы не решить.

[AlexAV]

Мы:

1) разгоняемся(увеличиваем кинетическую энергию) в обход формулы Циолковского
2) повышаем высоту(увеличиваем потенциальную энергию) в обход формулы Циолковского

Ага. А ничего, что для этого потребуется три абсолютно различных двигателя. ТВРД до 2 махов, СПВРД до ~5 махов. ГПВРД далее. Понятно, что каждый весьма тяжёлый и очень дорогой. Это даже не касаясь вопроса о том, как хотя бы теоретически преобразовать  в них сотни мегаватт лазерной мощности в тепло рабочего тела.

Кроме того планера способного работать на скоростях более 5М длительное время – попросту не существует. Даже если его можно создать то, очевидно, что получится нечто очень дорогое и с весьма незначительным ресурсом (тепловые и механические нагрузки однако).

Т.е. вместо одного ракетного двигателя и бочки с керосином ставим три различных воздушно-реактивных (каждый из которых сложнее и дороже ракетного) на ещё более дорогой планер и ещё добавляем сложнейшую стартовую инфраструктуру из этих лазеров.

И всё ради того чтобы сэкономить керосин, стоимость которого хорошо если пара процентов от стоимости пуска? Ничего себе экономия.

[Грехов Михаил]

Если Вы потратите 99% тепловой энергии что бы всю массу рабочего тела сразу-сразу запустить медленно-медленно, у вас вроде бы и КПД, как Вы его считаете высокий, но УИ будет никакой... Зато если вы потратите даже 10% тепловой энергии(т.е. КПД 10%) на то, что бы 1% рабочего тела(а остальное оставить не потом) запустить с на три порядка большей скоростью истечения, у Вас УИ будет выше на порядки!  И такой ракетный двигатель будет лучше!

УИ и КПД - принципиально разные вещи. УИ обеспечивается калорийностью топлива, теплоёмкостью продуктов сгорания и их молекулярным составом. На сегодняшний день УИ ЖРД весьма высок. И скорость истечения может быть на срезе сопла в 3.5 км/сек. Рекорд по УИ держи водород и фтор. И именно цель сопла Лаваля получить высокую скорость истечения и мксимально использовать тепло топлива. Дальнейшее значительное повышение УИ невозможно. Но это не значит, что КПД низок.

не вся, иначе самолеты бы не могли кружить над аэродромом

Кружа, самолёт тратит топливо. Все манёвры требуют дополнительного топлива.

[Polnoch Ксю]

Обычная ракета на ЖРД вообще говоря по всем параметрам как транспортное средство на орбиту очень близка к идеалу. Даже скорость истечения в 3000-3500 м/с  близка к идеальной скорости истечения для ракеты, разгоняющейся до 8000 м/с.
Там все почти идеально. За счет вертикального старта быстро проходит плотные слои, набирает высоту (которую и так придется набирать, то есть тратиться на mgh), потом  в безвоздушном пространстве ложиться на бок и разгоняется до нужной скорости.
Тут нечего улучьшать!

Ничего не идеально, ракета находится в жестких рамках формулы циолковского. Лазерная ракета из под нее выведена (первая ступень полностью, вторая, которая везет рабочее тело с собой, частично)

Ага. А ничего, что для этого потребуется три абсолютно различных двигателя. ТВРД до 2 махов, СПВРД до ~5 махов. ГПВРД далее. Понятно, что каждый весьма тяжёлый и очень дорогой. Это даже не касаясь вопроса о том, как хотя бы теоретически преобразовать  в них сотни мегаватт лазерной мощности в тепло рабочего тела.

Вы про первую ступень? Так там подъем, с точки зрения ракеты, выведен из-под формулы циолковского и закона сохранения энергии! Мы хоть десять перетяжеленных разных двигателей можем поставить! И тащить с собой другой мусор!
А наземная энергия очень дешевая, см. предварительную прикидку: главное, что бы был излучатель с высоким КПД, ну и "камера сгорания", преобразователь хороший.

[Dem]

99% - это помоему вы слишком. Но 80-90 - да, я слышал о таких цифрах. Самый дрянной мазер имеет КПД до 30%. А наиболее крутые до 70%.

даже у обычной бытовой микроволновки до 85%.

Минус СВЧ - огромный размер излучателя. Он линейно больше с увеличением длины волны.

Угу. Но мы передаём мощность - поэтому всё равно большой размер потребуется, там ватты на м2 ограничены. А когерентность обеспечить проще.

Обсуждался. КПД СВЧ выше, но у него и расходимость выше. Так что, в общем, до фонаря, чем запитывать нагревательный элемент такой ракеты - лазером или СВЧ.

Нагревательный - да. Но если с преобразованием на ракете в электричество и т.д. - то уже разница есть.

[Polnoch Ксю]

УИ и КПД - принципиально разные вещи. УИ обеспечивается калорийностью топлива, теплоёмкостью продуктов сгорания и их молекулярным составом.

Зачем Вы пишите то, что все и так знают? Из чувства личной неприязни?

На сегодняшний день УИ ЖРД весьма высок.

Рекорд по УИ держи водород и фтор. И именно цель сопла Лаваля получить высокую скорость истечения и мксимально использовать тепло топлива. Дальнейшее значительное повышение УИ невозможно.

Это просто неправда. Ну, точнее правда, но в рамках ЖРД. Поэтому его и нужно выкинуть на помойку, заменив двигателем, с УИ как у плазменников, или хотя бы ионников.

Из википедии:

Двигатель                                                                Удельный импульс
м/сек   сек
Газотурбинный реактивный двигатель                      30 000(?)   3 000(?)
Твердотопливный ракетный двигатель                  2 650   270
Жидкостный ракетный двигатель                                   4 600   470
Электрический ракетный двигатель                        10 000—100 000[4]   1000 — 10 000
Ионный двигатель                                                        30 000   3 000
Плазменный двигатель                                                 290 000   30 000

И это Вы называете "высоким" УИ? Хорошим для сегодняшнего дня? Да ЖРД это траш, который используется только по тому, что больше нет ничего лучше, с большим УИ, что бы смогло дать тягу, сравнимую с весом ракеты.

У нас УИ у первой ступени вообще псевдобесконечный!

[Skipper]

В википедии пишут, что  военные самолеты маневрируют с перегрузками под десять g. Поправьте меня, если ошибаюсь, но 1g (и даже 2g)  скорее всего, не проблема для конструкции, хотя для пассажиров может быть некомфортна перегрузка в 2-3g, и лучше ~ на полутора остановиться, наверное....

Я имел в в иду не чрезмерную перегрузку. Как ракета будет сопротивляться центробежному ускорению? Смог придумать три варианта:
1) Крылья. Ракета превращается в самолет, летящий под углом к горизонтали. Растет сопротивление, масса, сложность и т.п.
2) Тяга. Ракета летит боком, повернув нос внутрь спирали. Думаю, все понятно, можно не обсуждать. 
3) Трос. 100км*1см^2*8т/м^3 = 80 тонн. Тоже не обсуждаем. (для скептиков - прошу не бить ногами, честно пытался рассмотреть все варианты).
А главное, расчет я привел, чтобы показать, что 1g возникает при скорости всего 1км/сек. А нам надо в 8 раз больше.

[bob]

С самого начала была предложена двухступенчатая схема: первая ступень использует рабочее тело-воздух, что бы добиться псевдобесконечного УИ, и обмануть формулу Циолковского, и питается от назменого лазера недалеко от точки старта, может быть в верхней части траектории от космического лазера (свч?), а вторая ступень везет рабочее тело с собой, и питается от космического лазера(свч?)

А стоит ли ВООБЩЕ овчинка выделки?
Что мы РЕАЛЬНО от этого всего выигрываем по сравнению с обычной ракетой?

Во первых, ув. Полночь хочет сделать ракету ядерной (у неё АЭС питает лазерочки). Во вторых - без баков с рабочим телом, использовать принцип ПВРД, но без топлива. В любом случае, даже если энергопитание будет идти от обычной ТЭЦ, это тоже дешевле (топливо дешевле ракетного и оптом). Минусы идеи следующие: низковатый к.п.д. энергопередачи, сложность удержания и фокусирования луча и главное - слишком большие начальные капиталовложения в наземную инфраструктуру, которые могут окупиться только при регулярных массовых запусках, не сравнимых с современной их плотностью. НАСА рассматривало аналогичный проект (выше в теме есть ссылки), но отбросило его по всем этим причинам.

[Dem]

Да ещё, лазером газ греть проблемно - прозрачный он. А вот СВЧ можно и резонансной частоты использовать.

[bob]

Да ещё, лазером газ греть проблемно - прозрачный он. А вот СВЧ можно и резонансной частоты использовать.

Не, там идея не газ исходно греть, а камеру сгорания. То есть это во всём - обычный ПВРД, но где стенки греются не горящим топливом, а внешним лучом.

[Грехов Михаил]

Это просто неправда. Ну, точнее правда, но в рамках ЖРД. Поэтому его и нужно выкинуть на помойку, заменив двигателем, с УИ как у плазменников, или хотя бы ионников.

Ионники работаю в вакууме-это первое. Они требуют электрической энергии-это второе (на борту надо иметь источник). Тяга их мала (десятки грамм. Не поднимут даже ведро воды) - это третье.  Поэтому и применяются на спутниках уже за атмосферой. Понемногу, месяцами работая разгоняют аппарат.

[Polnoch Ксю]

Ионники работаю в вакууме-это первое. Они требуют электрической энергии-это второе (на борту надо иметь источник). Тяга их мала (десятки грамм. Не поднимут даже ведро воды) - это третье.  Поэтому и применяются на спутниках уже за атмосферой. Понемногу, месяцами работая разгоняют аппарат.

Михаил, все, я Вам больше отвечать не буду, пока Вы не прочитаете, наконец,  то, что критикуете. Извините Именно эти тезисы были разжеваны на первых двух страницах темы
Вы лично меня настолько, по всей видимости не уважаете, что Вам сложно даже их было прочитать Неужели сложно пробежаться по 15 страницам хотя бы по-диагонали?

[alex_semenov]

ЖРД очень неэкономно расходует рабочее тело.

Рабочее тело - мусор. Нечего его экономить. Кстати, и энергия при таких скоростях ( 8 км/с) не бог весть какие расходы. Не звездолет. Можно было бы и не экономить.
Но как раз у ЖРД соотношение скорости истечения к конечной скорости ракеты не так уж и далеки от идеала. Кстати, идеал как раз находится в диапазоне 5 000 - 7000 м/с. То есть на порядки увеличивать истечение для экономии энергии явно нет смысла. Это будет перерасход именно энергии и куча проблем (излишняя энергия содает массу проблем).
Так что игра на снижении цены килограмма на орбите идет отнюдь не вокруг скорости истечения или отношение массы топлива к массе ракеты (посчитайте цену топлива у Сатурн-5 и сравните с ценой самой раекеты! Это считанные проценты!).
Битва скорей идет вокруг снижения издержек на изготовление носителя и обслуживание стартового комплекса. И я не думаю что радикальная смена двигателя тут что-то может улучшить. Тем более в случае лазеров, мазеров и т.д. и т.п.
Современные ракеты в этом смысле очень близки идеалу и выжимать что-то тут бессмыслено.

Разумеется, если бы пускали чаще и ракеты готовились на потоке (а у французов на Куру был одно время организован такой конвейер для их "драгоценных" серий носителей) то некоторые издержки можно было бы снизить значительно (но не все, разумеется).
Почему Шаттлы так и не вышли на запланированную цену?
Не научились их запускать по одному в неделю.
Не осилили.
Да и не надо было никому так часто.
А значит все оборудование месяцами простаивает. А содержать его в порядке - ой как дорого стоит.
В общем тут проблема не столько техническая, сколько экономическая. Цивилизационная.
Я понимаю, что есть желание решить глобальную проблему чудо-изобретением. Свалить с больной головы на здоровую.
Но у всех чудес есть пределы.
Увы!

[Polnoch Ксю]

1) Крылья. Ракета превращается в самолет, летящий под углом к горизонтали. Растет сопротивление, масса, сложность и т.п.

Речь была да, именно о крыльях. Нужна какая-то форма с высоким аэродинамическим качеством, и удобная для поглощения лазера (свч?) что бы разместить большую площадь приемников. Это летающее крыло? Наверняка есть и другие, более эффективные формы

[Polnoch Ксю]

Так что игра на снижении цены килограмма на орбите идет отнюдь не вокруг скорости истечения или отношение массы топлива к массе ракеты (посчитайте цену топлива у Сатурн-5 и сравните с ценой самой раекеты! Это считанные проценты!).

Вы правы до тех пор, пока мы не везем на орбиту тысячу туристов по $200 за билет. Как только повезем, цена рабочего тела сразу станет сравнимой
Не будет никакой массовой космонавтики, пока несколько вагонов будут везти на орбиту содержимое шкатулки!
Алекс, прочитайте, пожалуйста, хотя бы первый пост, там про формулу циолковского, и что именно мы выигрываем. А лучше всю тему, я знаю, что у Вас достаточно времени, что бы прочитать 15 страниц