Зачем в космосе жечь свечу

[vsevolodson]

Меньше 100 ватт точно не получится - это ноутбук/лампа накаливания уже. Это 158 тонн пропана и кислорода. Сильно легче стало? Ещё не учтены масса топливного бака, системы подачи топлива, турбины, обтекателя и прочего. Да за эту массу америкосы на Луну летать могли бы плюс ещё лунный велосипед, шезлонг и 3 девки с собой.

Теперь сравним это с солнечным коллектором. В занептунье на квадратный метр площади падает не более 1,45 ватта солнечного света. Зонтик может отражать не более 0,9 падающего света, а с учётом потерь при фокусировке и передачи в тепло рабочего тела будет 0,8. Т.е. квадратный метр зонта собирает не более 1 ватта тепла для рабочего тела. При тепловой мощности 1 кВт и электрической ~250 ватт потребуется 1000 м² эффективной площади зонта - круг радиусом 18 м.

Возьмём УИ = 7,5 км/с (Т рабочего тела от 2000 до 2500 К в зависимости от качества сопла, считаем наихудший вариант - 2500 К). При том же требуемом дельта-v массовое число будет 3,8. Т.е. если АМС вместе с зонтом, двигателем, турбиной, рабочим телом и баком будет весить 5 тонн, то ракета Атлас-V 551, что выводила "Новые Горизонты", как раз подошла бы для запуска (осиливает 18,8 тонн на НОО, ЕМНИП).

Зонт 1000 м² сможет давать почти мегаватт тепла рабочего тела в окрестностях Земли. Чтобы прогреть 18,8-5=13,8 тонн водорода с 250 до 2500 К потребуется примерно 444 ГДж. Наш коллектор способен это сделать за (!!!) 5 суток. Слишком хорошо получилось - проверьте меня. Это же среднее ускорение целых 22,5 мм/сек². Ионники вообще отдыхают тут.

[bob]

Только почему-то их марсоход уже почти десяток лет ездит при неоднократной перезаливке софта, а наш Фобос-грунт по жесткой программе только до земного океана долететь смог.

А это не должно смущать. Перезаливка это плохо. Это минус, а не плюс. Это просто реклама софта. Надо только понять это. Я понимаю, что понять это сложно, но, тем не менее...

[vsevolodson]

Перезаливка это плохо. Это минус, а не плюс.

Это не хорошо и не плохо, это объективная реальность. Всего предусмотреть невозможно, так же как ни одна сложная система не может быть готова на 100%. В реальности отлаженность и готовность сложной системы асимптотически приближается к 100% при постоянном росте трудозатрат. Вы можете сделать холодильник на полтора реле с одной кнопкой, готовый и отлаженный на 100%, но АМС, как сложный аппаратно-программный комплекс, так изготовлен быть не может. Разработка займёт столько времени, что успеют смениться технологии, люди, требования и т.п. Это приведёт к усложнению, переделываию, введению новых ошибок и некоторых улучшений.

[vsevolodson]

Хорошо/плохо - это когда долетело/не долетело. Если долетело без перезаливки софта и ребутов - замечательно.

[Dem]

А это не должно смущать. Перезаливка это плохо. Это минус, а не плюс. Это просто реклама софта. Надо только понять это. Я понимаю, что понять это сложно, но, тем не менее...

Перезаливка это не плохо и не хорошо, это аппаратная фича такая.
Пользуются ей, да, для исправления допущенных в коде ошибок, а ошибки это плохо.
Но вот софт без ошибок писать так и не научились - поэтому лучше иметь возможность быстренько поправить на лету, чем беспомощно глядеть как драгоценный аппарат на глазах у всего мира убивается об стенку в полном соответствии с программой.

[Птыц]

Считаем вариант Bob'а  и сравниваем его с солнечной батареей.
Пусть μ₁ – поверхностная плотность солнечной батареи, для определенности примем μ₁=23 кг/м² (сантиметровой толщины солнечная батарея из кристаллического кремния). Пусть КПД батареи составит k₁=0.1. Солнечную постоянную на расстоянии 1 а.е. от солнца примем равной ω₁=1,367 Вт/м². Тогда электрическая мощность с 1 кг солнечной батереи составит W₁ = k₁ω₁/μ₁ = 5.94 Вт/кг.
Теплота образования газообразной воды составляет ΔH=241,820 Дж/моль или 1.34•10⁷ Дж/кг. Пусть КПД преобразователя составит k₂=0.4. Тогда работа, которую может произвести 1 кг смеси водорода и кислорода составит А₂ = k₂ΔH = 5.37•10⁶ Дж/кг.
Очевидно, что время за которое топлива сгорит по массе больше, чем весит солнечная батарея, на расстоянии 1 а.е. оставит t = А₂/W₁ = 9.04•10⁵ c = 10.5 суток.
На орбите Сатурна (9.6 а.е.) это время составит 964 дня.
С учетом сделанных приближений (нулевая масса газовой турбины, реакция H₂+O₂, высокое КПД газовой турбины при низком КПД солнечных батарей), очевидно, что попытка запитать АМС от термохимического движка не является хорошим инженерным решением.
Что, собственно, и было продемонстрировано историей космонавтики (Аполлон vs. Союз).

[Проходящий Кот]

А что Аполлон и Союз летали к Сатурну?

[Птыц]

Возьмём УИ = 7,5 км/с (Т рабочего тела от 2000 до 2500 К в зависимости от качества сопла, считаем наихудший вариант - 2500 К). При том же требуемом дельта-v массовое число будет 3,8. Т.е. если АМС вместе с зонтом, двигателем, турбиной, рабочим телом и баком будет весить 5 тонн, то ракета Атлас-V 551, что выводила "Новые Горизонты", как раз подошла бы для запуска (осиливает 18,8 тонн на НОО, ЕМНИП).

Зонт 1000 м² сможет давать почти мегаватт тепла рабочего тела в окрестностях Земли. Чтобы прогреть 18,8-5=13,8 тонн водорода с 250 до 2500 К потребуется примерно 444 ГДж. Наш коллектор способен это сделать за (!!!) 5 суток. Слишком хорошо получилось - проверьте меня. Это же среднее ускорение целых 22,5 мм/сек². Ионники вообще отдыхают тут.

Считаем. Берем данные из справочника без учета зависимости теплоемкости от температуры.
На испарение водорода требуется энергия ΔH = 916 Дж/моль = 4.58•10⁵ Дж/кг. Теплоемкость при постоянном давлении C_p = 28.83 Дж/(моль•K) = 1.44•10⁴ Дж/(кг•K). Для того, чтобы испарить водород при 20К (а не при 250!!!) и нагреть его еще на 2480К нужно 3.62•10⁷ Дж/кг.
Соответственно, для 13.8 тонн водорода потребуется 5.00•10¹¹ Дж, т.е. практически как написано.

Но данная конструкция имеет следующие недостатки:

• большой объем бака (13.8•10³/89.9=153 м³ или шар диаметром почти 7 м), что приведет к повышенному аэродинамическому сопротивлению и уменьшению выводимой на НОО массы;
• быстрому выкипанию водорода (он может не продержаться 5 дней);
• существенным гравитационным потерям из-за низкого ускорения (решать надо численно, но вместо 7.5•ln(18.3/5)=9.9 км/с может оказаться и 5 км/с);
• на НОО «зонтик» половину времени будет в тени Земли, что уменьшит среднюю тягу в 2 раза, а время увеличит вдвое.

[Птыц]

А что Аполлон и Союз летали к Сатурну?

А где я это сказал?
Аполлон создавался под кратковременный полет и имел питание от топливных элементов.
Союз проектировался для долговременных полетов, поэтому использовал питание от солнечных батарей.
Хотя, конечно, надо учитывать разницу в конструкторских школах.

[Resident]

водород то зачем, возьмите графит, он сам себе соплом и будет, для дополнительной фокусировки магнитиком еще поджать, и за 10⁴ К легко зайдете.

[vsevolodson]

Птыц, все замечания точно в цель. С водородом, действительно, большая проблема. Почему-то я об этом не подумал раньше. Старт с НОО на коллекторе, по крайней мере, отменяется. С Земли вывозить водород тоже неудобно совершенно... Вероятно имеет смысл применять аммиак. УИ будет в 2 раза хуже - 3,75 км/с, значит массовое число становится равным e^10/3,75=14,4. Не лезет такое ни в какие ворота. Ситуация лучше химической горелки только в том, что не потребуется тратить рабочее тело на питание АМС (пойдёт по кругу)...

[vsevolodson]

водород то зачем, возьмите графит, он сам себе соплом и будет, для дополнительной фокусировки магнитиком еще поджать, и за 104 К легко зайдете.

Солнце нельзя даже теоретически сфокусировать так, чтобы Т в фокусе стала выше 5780К. Второе начало термоидинамики запрещает.

[Resident]

Солнце нельзя даже теоретически сфокусировать так, чтобы Т в фокусе стала выше 5780К. Второе начало термоидинамики запрещает.

чего? обычный плазматрон с СВЧ накачкой 2.450ГГц, то бишь температурой излучения около 2 К - без проблем дает на выходе 10 тыс К. Тут собственно обычный ионник и получится, только без всяких промежуточных конверсий, с прямой накачкой сфокусированным излучением.

[vsevolodson]

чего? обычный плазматрон с СВЧ накачкой 2.450ГГц, то бишь температурой излучения около 2 К - без проблем дает на выходе 10 тыс К. Тут собственно обычный ионник и получится, только без всяких промежуточных конверсий, с прямой накачкой сфокусированным излучением.

Излучение Солнца тепловое. Не сфокусируете до температуры выше ~5780К.

[Resident]

Излучение Солнца тепловое. Не сфокусируете до температуры выше ~5780К.

да при чем тут фокусировка то, температура самого излучения от фокусировки вообще никак не зависит. Однако термодинамика никогда не запрещала существование неравновесных систем, как и всяких там умножителей частоты, тепловых насосов и пр. Второе начало говорит лишь о том, что предоставленная сама себе система будет стремится к равновесному состоянию, при достижении которого температуры материи и излучения должны оказаться равными. Ну а в динамической будут всякие там многофотонное поглощение, обратный комптон эффект и т.д.
В пределах 10 тыс К  даже теоретизировать не надо, можно чуть ли не гаражных условиях на стандартном оборудовании проверить терморежим графита, скорость испарения, фокусировку струи... вот для 100 тыс К уже вопрос, наверное магнитная труба слишком длинная понадобится, соответственно парабола длиннофокусная, штанги соединительные... впрочем телескопическую удочку из карбонфибера даже в полкиломтера длинной наверное сделать можно.

[vsevolodson]

да при чем тут фокусировка то

при том, что речь шла о солнечном коллекторе
читайте лучше внимательней, прежде чем пургу нести

[Darth Sirius]

Может, все-таки, в фокус коллектора поставить спаи термопары?  Ноль дармовой, на теневой стороне аппарата, КПД меньше, но зато на газе чистая экономия. Плюс никаких трущихся частей и проблем с испарением смазки.

Оставить сколько там надо для маневров, а летит пусть как все остальное - на гравитационных маневрах и по инерции.

[vsevolodson]

Может, все-таки, в фокус коллектора поставить спаи термопары?  Ноль дармовой, на теневой стороне аппарата, КПД меньше, но зато на газе чистая экономия. Плюс никаких трущихся частей и проблем с испарением смазки.

Оставить сколько там надо для маневров, а летит пусть как все остальное - на гравитационных маневрах и по инерции.

Может быть. А для манёвров можно оставить какой-нибудь МПД.

Движок вроде развивает неплохую тягу и УИ одновременно, но много жрёт. Это не проблема, так как для манёвров можно использовать накопленную энергию.

[Resident]

при том, что речь шла о солнечном коллекторе
читайте лучше внимательней, прежде чем пургу нести

и Вам того же. Разрешите идти, товарищ прапорщик?

[Птыц]

Вероятно имеет смысл применять аммиак. УИ будет в 2 раза хуже - 3,75 км/с, …

Примерно. Молекулярные массы: M(NH₃)=17 г/моль, M(H₂)=2 г/моль.
Показатели адиабаты при 2000K (приближенные): γ(NH₃)=1.10, γ(H₂)=1.318
В вакууме отношение удельных импульсов будет I(H₂)/I(NH₃) = ( M(NH₃) / M(H₂) • γ(H₂)/(γ(H₂)-1) • (γ(NH₃)-1)/γ(NH₃) )^1/2 = ( 17/2 • 1.318/0.318 • 0.10/1.10 )^1/2 = 1.8
А если показатели адиабат практически одинаковые, то в 2.9 раз хуже.

vsevolodson, честно говоря, «зонтик» мне не нравится из инженерных соображений.  «Ножка» «зонтика» должна быть направлена на Солнце. При этом сила тяги двигателя должна быть направлена перпендикулярно «ножке». Это приведет к необходимости упрочнения «зонтика», а значит к повышению его массы.

Движок вроде развивает неплохую тягу и УИ одновременно, но много жрёт.

К сожалению, всё что развивает неплохую тягу и имеет приличный УИ жрёт много энергии. В полном соответствии с законами Ньютона: W=(dm/dt)•w²/2≈F•I/2.