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

[Skipper]

Ограничение по теплопроводности воздуха.

100 кВт/м2 - действительно серьезное ограничение. Но физический смысл непонятен.
Насколько я понял, Вы оцениваете скорость передачи тепла стенке через воздух, правильно?
Но в этой теме вроде рассматриваются другие схемы:
- либо лазер, отражаясь от зеркала на ракете, греет воздух возле нее,
- либо лазер греет стенку двигателя, которая греет рабочее тело.

В работе, на которую я уже ссылался выше:
 http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/897Kare.pdf
рассматривается второй случай. Поток мощности там порядка мегаваттов на кв.метр

[AlexAV]

Буран таки не развалился, да и шатлы США тоже много раз летали, и развалились только один раз на гиперзвуке.

Шаттл и буран работали как гиперзвуковые планеры не при взлёте, а при посадке. При этом время их пребывания в наиболее экстремальных режимах старались минимизировать. У вас же аппарат должен двигаться с гиперзвуковыми скоростями в сравнительно плотных слоях атмосферы намного дольше. Т.е. проблема экстремальных тепловых нагрузок становится куда существеннее.

у нас мощность (джоули в секунду) будут во много раз (на порядок?) меньше, чем ракеты-носителя, мы же не так энергично будем разгоняться, поэтому и тепла в секунду от подвода внешней энергии у нас будет меньше, чем от камеры сгорания ЖРД, значит и охлаждать даже радиатором будет проще, особенно пока набегающий поток воздуха будет греть не так сильно.

Да ни в коем случае. Нагрев набегающим потоком зависит только от скорости, плотности среды (высоты) и аэродинамического профиля. Если вы будите разгоняться медленнее -проблема от этого не уменьшится, а наоборот сильно увеличится, т.к. в режимах с экстремальными тепловыми нагрузками вам придется находиться намного дольше.

Я слышала, что ЖРД использует проценты(если не доли процентов!) криогенного топлива для охлаждения камеры сгорания.

Да охлаждение стенок самого двигателя – далёко не главная проблема. Основной вопрос  - как вы подведёте мощность луча к рабочему телу?

[AlexAV]

Насколько я понял, Вы оцениваете скорость передачи тепла стенке через воздух, правильно?

Наоборот. Воздуху от нагреваемой лазером стенки.

-либо лазер греет стенку двигателя, которая греет рабочее тело.

Вот именно для этого случая и есть ограничение порядка 100 кВт/м2.

- либо лазер, отражаясь от зеркала на ракете, греет воздух возле нее,

Воздух для лазера почти прозрачен. Как вы его сколько-нибудь существенно нагреете?

[Dem]

либо лазер, отражаясь от зеркала на ракете, греет воздух возле нее,

Если лазер будет той частоты которая греет воздух - он весь в атмосфере по дороге поглотится
Если нет - греть не будет.

[Грехов Михаил]

Если лазер будет той частоты которая греет воздух - он весь в атмосфере по дороге поглотится

Гы... а что, есть какая-то особая частота, которая греет воздух? 

[Dem]

Само собой есть. Хоть и вне видимого диапазона.
Спектр есть спектр

[ВадимZero]

Воздух для лазера почти прозрачен. Как вы его сколько-нибудь существенно нагреете?

Как то греют же...смотрим ответ 15

[Polnoch Ксю]

Да ни в коем случае. Нагрев набегающим потоком зависит только от скорости, плотности среды (высоты) и аэродинамического профиля. Если вы будите разгоняться медленнее -проблема от этого не уменьшится, а наоборот сильно увеличится, т.к. в режимах с экстремальными тепловыми нагрузками вам придется находиться намного дольше.

Имела ввиду нагрев от двигателя: в джоулях, деленных на массу ракеты он у нас будет меньше, чем жрд-ракеты. Если нагрев от движителя больше, чем от набегающего воздуха (а именно так и будет до поры до времени), то мы сможем охлаждаться даже набегающим потоком за счет все уменьшающейся, но все-таки разницы температур.
Поэтому рабочего тела на охлаждение движителя будет использоваться очень мало, сравнимо с ЖРД, где его и так используется немного.
Как видно, проблема нагрева от движителя не такая и острая: если даже КПД будет низким, и много тепла будет рассеиваться лазерным движителем, нас спасет то, что самого по себе тепла немного, сравнимо с ЖРД.
При КПД в десятки процентов, то на то и выйдет, по тому, что мощность движителя будет меньше на этот порядок (или еще меньше)

Ну и.. мне кажется, Вы утрируете проблему нагрева от разгона... Буран и Шаттл тормозили с восьми километров в секунду, а наша первая ступень будет разгоняться до меньшей скорости.

[AlexAV]

Ну и.. мне кажется, Вы утрируете проблему нагрева от разгона... Буран и Шаттл тормозили с восьми километров в секунду, а наша первая ступень будет разгоняться до меньшей скорости.

Да ни в коем случае. Корпус обычного сверхзвукового самолёта на скоростях порядка 2,5М нагревается до 300 градусов. А у вас скорости должны быть раз в пять больше, и тепловые потоки соответственно в 25.

Имела ввиду нагрев от двигателя: в джоулях, деленных на массу ракеты он у нас будет меньше, чем жрд-ракеты. Если нагрев от движителя больше, чем от набегающего воздуха (а именно так и будет до поры до времени), то мы сможем охлаждаться даже набегающим потоком за счет все уменьшающейся, но все-таки разницы температур.

Уже при скоростях более 3М вы будете не охлаждать набегающим потоком, а спасаться от нагрева им.

[AlexAV]

Как то греют же...смотрим ответ 15

Так там оптический пробой. А это способ крайне неэффективный, на нагрев газа пойдут единицы процентов энергии луча, остальное будет просто рассеяно. Конус запустить летать так конечно можно (что там и продемонстрировано), но строить что-то более серьёзное…

[Skipper]

-либо лазер греет стенку двигателя, которая греет рабочее тело.

Вот именно для этого случая и есть ограничение порядка 100 кВт/м2.

Понял, спасибо.
Попробовал посчитать, что дает это ограничение.

Пусть стенка сопла сделана из титана толщиной всего 1мм.
Квадратный метр этой стенки весит 4,5кг.
Чтобы этот кусок оторвался от земли, тяга F должна быть не менее 45Н.
Предположим, мы хотим получить импульс I=3км/сек.
Тогда секундный расход рабочего тела F/I=0.015кг/сек.
Если нагретая лазером стенка передает рабочему телу 100кВт, то на нагрев 1кг раб тела тратится 10^5 Вт / 0,015 кг/с ~ 7*10^6 Дж.
Если наше рабочее тело - водород с теплоемкостью 30 Дж/(К*моль), или 1,5*10^4 Дж/(К*кг),
он успеет нагреться на 7*10^6 Дж/кг / [1,5*10^4 Дж/(К*кг)] ~ 500 кельвинов.
Чего явно недостаточно для получения такого импульса.

Вывод: схему с нагревом топлива через стенку нельзя использовать для первой ступени.
При условии, что ограничение 100кВт/м2 действительно фундаметально.
При всем уважении к AlexAV, в этом остаются некоторые сомнения. Повторюсь, в работе, на которую я уже дважды ссылался, рассматриваются мегаватты на м2.
Попробую еще порыться в сети на эту тему.

[AlexAV]

При всем уважении к AlexAV, в этом остаются некоторые сомнения. Повторюсь, в работе, на которую я уже дважды ссылался, рассматриваются мегаватты на м2.

Я посмотрел. Они учитывают только теплопроводность стенки, а теплопроводность газа (которая намного ниже) не рассматривают и почему-то считают, что если они нагрели внутреннюю сторону стенки, то газ нагреется автоматически. А это как бы не соответствует действительности. Стенка действительно выдержит несколько мегаватт на м2 мощности… и успешно полностью сольёт его в излучение, но газу больше этих 100 кВт не достанется.

Вот смотрите, при скорости потока в 1 км/с в системе с характерной длинной в 1м в воздухе нормальной плотности на границе с поверхностью образуется пограничный слой толщиной около 0,6мм, через который тепло передается теплопроводностью (т.е. турбулентное перемешивание роли не играет). Учитывая теплопроводность воздуха, это значит, что тепловой поток от стенки к газу будет составлять 43 Вт/(м2*К). Если принять разницу температуру стенки в 3500К (большей не выдержит ни один материал), а температуру газа 1000К (греть газ меньше – бессмысленно, ускорение потока будет слишком низким), то как раз и получим около 100кВт/м2.

[AlexAV]

При условии, что ограничение 100кВт/м2 действительно фундаметально.

Уточнение. Схемы двигателя с внешним источником энергии могут быть различны. Это ограничение относится только к ГПВРД с нагревом газа лучом через стенку.

Если вы везёте рабочее тело с собой (скажем водород), а не используете воздух, то его в принципе можно обойти (скажем, отводя тепло от стенки жидким металлическим теплоносителем и нагревом газа через него с помощью радиатора с развитой поверхностью).

[hiway60]

Пусть стенка сопла сделана из титана

а хуже титана не нашли материала? пенопласт например.

греть РТ двигателя "через стенку" не выйдет. Только плазменный или дуговой нагрев.

Немного о "непонятном" сопротивлении воздуха. Это из википедии, что бы далеко не ходить.
Является суммой всех видов сил сопротивления:

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе  пропорционально квадрату скорости, а индуктивное  — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости,  растёт, а  — падает, и график зависимости суммарного сопротивления  от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых  и , при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит наивысшим аэродинамическим качеством.
Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно-пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

[Skipper]

а хуже титана не нашли материала? пенопласт например.

Титан взял условно, в моем расчете от материала нужна только плотность. Она у разных конструктивных материалов варьирует не сильно, так что на результат это повлияет слабо.

[Skipper]

Уточнение. Схемы двигателя с внешним источником энергии могут быть различны. Это ограничение относится только к ГПВРД с нагревом газа лучом через стенку.

Если вы везёте рабочее тело с собой (скажем водород), а не используете воздух, то его в принципе можно обойти (скажем, отводя тепло от стенки жидким металлическим теплоносителем и нагревом газа через него с помощью радиатора с развитой поверхностью).

Да, в работе тов.Kare (Кэйра?), на которую я ссылался, ракета именно везет с собой водород. И греет его через большой плоский теплообменник (см рис. на стр.6). Вроде бы указывается толлщина канала, по которому бежит водород, порядка 200 мкм.
В такой схеме ограничение снимается?

[hiway60]

Если мы везём с собой водород, то что может быть проще чем ЖРД?
Например РН "Энергия", вполне может (теоретически) использовать в качестве топлива жидкий водород + жидкий кислород.
При горении которых получается дистиллированная вода.

[hiway60]

а хуже титана не нашли материала? пенопласт например.

Титан взял условно, в моем расчете от материала нужна только плотность. Она у разных конструктивных материалов варьирует не сильно, так что на результат это повлияет слабо.

Я не зря написал про пенопласт. Если из титана сделать батарею отопления, то при прочих равных будет холодно в помещении. Поэтому батареи делают из таких материалов как алюминий. В ваших расчётах это вообще не учтено.

[hiway60]

Я вот тут подумал. А зачем вообще разгоняться до 8 махов? что нельзя со скоростью скажем 25 м/с тупо пролететь 100 км вверх?

[Грехов Михаил]

Например РН "Энергия", вполне может (теоретически) использовать в качестве топлива жидкий водород + жидкий кислород. При горении которых получается дистиллированная вода.

Не вполне может... а именно такое топливо там и было. И на Шаттле - в основном баке водород и кислород. У обоих систем вторая ступень экологически чистая. Только литр жидкого водорода весит около 70 грамм. Надо баки большие.