КВС в космосе

[Андрей Курилов]

В космосе вам просто НЕКУДА больше сливать тепловые потери, кроме как через радиатор, что уже требует от вас затрат.

Сколько контуров у вас? 2? Тогда берём в качестве реалистичного КПД турбины 60%. Оставшиеся 40% энергии в виде тепла перейдут во второй контур. Там КПД турбины уже будет меньше - допустим - 50%. Итого в двухконтурном случае вы только во ВРАЩАТЕЛЬНУЮ энергию конвертируете 0,6+0,4*0,5 = 80% энергии. Может быть 3 контура? В 3-м контуре температуры и давления ещё ниже, посему КПД будет уже где-то 40% (от 20% тепловой энергии, доставшейся третьему контуру). Итого вы выиграли ещё 8%. Дальнейшее увеличение числа контуров будет примерно асимптотически приближать вас к отметке в 90% КПД преобразования энергии во ВРАЩАТЕЛЬНУЮ. Именно поэтому городить большое кол-во контуров нет смысла. КПД электрогенератора не превышает 80%. Это означает, что в случае 2х контуров вы можете выжать 64% электрического КПД, в случае 3х - ~70% и ~72% в случае очень большого кол-ва контуров. Т.е. видно что 3 контура - уже достаточно и больше не стОит городить даже.

Но и это идеализированный случай. Обратите внимание на штуку, обозначенную буквой "С" на рисунке:

Без этой штуки ничего не будет. Это компрессор, и он, в самом идеальном случае, отбирает часть работы (вращательной энергии) прямо от турбины. Если это электрический насос - то всё намного хуже Ибо энергия вращения имеет более высокую энтропию, чем электрическая и более дешевая. Каждый контур сам съедает часть энергии. И чем больше порядок контура, тем меньше КПД его турбины и тем большую часть энергии отъедает компрессор/насос.. Это ещё одна причина, почему если контуров больше 2-3 то система уже демонстрирует меньше КПД. Итого, в 3-хконтурной системе А. Семёнова останется где-то 2/3 энергии, успешно преобразованной в электричество.

Про КПД вигглеров я не знаю, поэтому тут придётся либо поверить на слово Семёнову, либо кому-то таки вставить своё слово. Разброс вероятных значений будет от 10%, заявленных оппонентами до 80%, заявленных Семёновым. На трансформаторах и ЛЭПах потеряется ещё 10% в гудёж и низкочастотное излучение (не в тепло!), итого будет КПД получения луча от 6% до 48% в зависимости от того, кто будет прав насчёт вигглеров.

Внимание, вопрос
Сколько актиноидов надо сжечь для запуска тысячи тонн на скорости в С/10? Есть ли столько урана/тория в Солнечной Системе вообще? Вы же собирались взрывать бомбы массой в десятки тысяч тонн ежечасно? Где столько исходного материала брать?

Немного критики собственно паруса
1) Я вижу на картинке с пятном Эйри, что оно неравномерно. Но, ЕМНИП, у вас рассчёт был для случая, когда это пятно тютелька-в-тютельку аккуратно ложится на парус и имеет одинаковую падающую мощность по всей площади паруса. Ибо рассчёт паруса у вас также был предельный - т.е. чуть больше мощности - парус начнёт аблировать от многоваттов падающей мощности на квадратный метр.
2) Вы говорили также, что фокусное расстояние равно дистанции разгона. Означает ли это, что в конце разгона пятно Эйри будет занимать лишь малую долю на поверхности паруса, т.е. что удельная падающая мощность на кв. м. паруса будет больше?
3) Где, наконец, рассчёт выживания ПН под напором среды на скоростях С/10..С/2 ??

[Андрей Курилов]

Вы помните сколько споров возникло на той ветке? И даже участие Alex_AV не прояснило ситуацию. Мы уперлисть с ложную физику материалов и поведения их при воздействиях высоких энергий. Вы хотите утопить и ЭТУ ветку в этом диспуте?

Насколько я помню, шанс оставался для плёнок нанометровой толщины. Но вот с толстыми объектами всё должно быть хуже. Смысл выдумывать новые прожекты, если есть лёгкий способ опровергнуть их рассчётом? Когда возникает новая звездолётная идея, нужно сразу же прикинуть самые критические места, которые навскидку угрожают быстро похоронить эту идею. Обычно это массовое число, тяга, площадь радиаторов... В случае скоростей более нескольких мегаметров в секунду - это эрозия средой.

[Андрей Курилов]

Рассчётный теоретический КПД даёт идеальный цикл Карно, который выглядит так:

Т.е. в идеале между 1 и 2 рабочее тело должно совершать работу изотермически. В реальности этого добиться не получится, посему КПД более термодинамического цикла, более приближённого к реальному будет значительно меньше. Далее (2->3) рабочее тело должно изоэнтропийно охлаждаться, что, опять же, в реальности практически недостижимо. Далее (3->4) идёт изотермическое сжатие рабочего тела (компрессор), которое в реальности не получается очень уж изотермическим. Ну и последнее (4->1) - это изоэнтропийный нагрев рабочего тела.

В реальности диаграмма термодинамического цикла выглядит не совсем так. Если это турбина, то это будет похоже на следующее:

КПД, определяемый площадью фигуры, соответственно тоже будет другим (очевидно, меньше).

Рассчитывать КПД из температур холодильника и нагревателя зная, что у вас турбина - детский сад. Цикл Брэйтона считается на основе коэффициента расширения в турбине - через соотношение давлений на входе и выходе:

Здесь затесалось уже "гамма" - показатель адиабаты рабочего тела. Т.е. уже появляется зависимость от свойств рабочего тела. Чем больше гамма - тем лучше. Вообще этот показатель демонстрирует "насколько газ идеален". Наиболее высок он у благородных газов и водорода. Далее идут двухатомные молекулы рабочего тела, а молекулы с большим кол-вом атомов - ещё хуже. Потому что энергия уходит в степени свободы молекул.

Пожтому углекислый газ - не очень хорошее рабочее тело. Ближе всего к идеалу гелий. Но с ним весьма тяжело обращатсья. Можно подумать над аргоном (достаточно распространён) и водородом (достаточно распространён, высокая теплоёмкость на ед. массы), на крайний случай - азот. Да, кстати, если хочется выжать побольше КПД, нужно по возможности избежать фазовых переходов. Они сильно портят КПД.

В случае водорода в качестве рабочего тела в первом контуре и соотношений давлений равному 100 получим идеальный КПД одной только турбины 65% (на гелии или аргоне до ~78%). Это очень хорошая турбина с очень хорошим отношением давлений на входе и выходе. Так-то вот.

[Андрей Курилов]

Александр, ваша ошибка в том, что вы рассчитали всё наоборот. Вы взяли с потолка КПД термодинамического цикла в 80% и на основе этого рассчитали площадь наружного слоя-радиатора вашего термоядерного планетоида с нужной вам температурой. В реальности это так не работает. Если турбина не могёт выжать больше 2/3 энергии из рабочего тела, то оставшиеся 1/3 энергии так и будут болтаться по кругу в контуре, пока, наконец, тупой теплопередачей не дойдут до следующего контура (или радиатора). Если вы заперли тепло в планетоиде, то это не значит что вы сможете добиться высокого КПД. Это шулерство. Счиатайте свои 2-3 контура и прикидывайте температуру в конце цепочки. Таковой и будет температура поверхности. Если в начале у вас 1500К, опосля первого контура остаётся 500К (и то, если чудесная турбина позволит!), в следующем контуре, допустим, вы можете рассчитывать на понижение температуры с 500К до 250К, то конечной температурой у вас будет 250К (дальше контуров нет уже смысла городить). Итого, во вращение удалось конвертировать 5/6 всей энергии (что замечательно). Умножим на КПД электрогенераторов, остаётся 2/3 от всей энергии. Ещё минус 1/10 - электропотери до лазера. Остаётся 9/15. КПД лазера так никто и не прояснил (от 10% до 80%). Итого, КПД преобразования взрыва в луч - от 6% до 48%. Моя оценка не изменилась.

[Андрей Курилов]

Это РАСПЛАТА за 0.8!

Не будет 0,8, как в идеальном цикле Карно. Будет 0,05..0,5.

[Андрей Курилов]

ВЫ ЭТОГО НЕ ДОКАЗАЛИ!

Да ну? А что же я рассчитал? Влияние цвета трусов на погоду что ли?

использовать водород

Далеко не идеальный газ. На этом сразу теряете процентов 10 ещё до турбины.

Ну и раумеется теплоизоляция (идеальная в вакууме),

Между контурами она будет далеко не идеальная.

верхпроводниковые генераторы и силовые кабеля.

Непонятно, как это внутри КВС вообще может быть.

Я потеряю не более 1%!

Одна только турбина может выжать на водороде не более 60-70%. Непонятно как вы будете снижать энтропию паразитного тепла.

Ещё раз. Если турбина не может выжать более 65% КПД - значит она не может. Значит надо повышать соотношение давлений на входе и выходе или брать другое рабочее тело. Это значит что 35% тепла уйдут с лишней энтропией и никак вам уже не помогут в этом контуре. Ибо это означает, что рабочее тело сохранит 35% тепловой энергии на выходе из турбины. Что повлечёт за собой дополнительный нагрев холодильника и снизит эффективность нагревателя. Всё, что вы можете сделать турбиной - это сделать так, чтобы она на выходе оставляла МИНИМУМ паразитного тепла. Если у вас этого не вышло - никакие левитирующие подшипники и торсионные гаечные ключи вам уже НЕ ПОМОГУТ. Я взял практически фантастическую турбину с соотношением давлений в 100. Для неё идеальный КПД будет 65% на водороде. Пожалуйста, не надо брать числа с потолка (а-ля "1% потерь") - это всё лишь хотения, никак не подкреплённые рассчётом. Покажите мне турбину с более высоким соотношением давления, покажите как её построить, как она будет работать - тогда можно будет согласиться.

[Андрей Курилов]

Ещё кое-что. Мне не понятно, как можно сделать заряд с 30 кг урана и 30 килотоннами дейтерия. Вот единственный пример дейтериевой бомбы:

Так вот в этой бомбе взрывается сначала небольшой ядерный заряд, который излучением сжимает более массивный плутониевый стержень и приводит его в сверхкритическое состояние. После этого зажигается дейтерий.

Но 77% энергии этого заряда пришлись на деление оболочки из природного урана быстрыми нейтронами. Почему же так, если бомба дейтериевая? А всё дело в том, что 30 килотонн дейтерия вам потребуется окружить ещё высокоплотным материалом, чтобы дейтерий мог быть сжат достаточно взрывом до того, как заряд будет разрушен и дейтерий будет разбросан взрывом вокруг. И это уже не говоря о тяжёлом плутониевом стержне. Зачем он там, если мы считаем, что ядерного триггера достаточно для зажигания дейтерия?

Чтобы с помощью всего 30кг урана поджечь дейтерий, придётся сначала взять малое кол-во дейтерия и окружить его слоем тяжёлого материала (свинца или природного урана). Если вы просто взорвёте ядерный заряд в большом бассейне дейтерия, то ничего не будет. Чтобы сжечь ещё больше дейтерия, придётся делать известную "слойку". Масса слоёв "тампера" будет куда больше, чем масса дейтерия в бомбе (поэтому от дейтериевых бомб отказались в пользу дейтерид-литиевых). Т.е. если у вас дейтерия 30 тыс. тонн, то заряд будет весить вообще под мегатонну.

Плотность дейтерия в жидком виде - 0,162 тонн на куб. м. Это означает, что сфера из одного только дейтерия такой массы будет более 70 метров в поперечнике. Учитывая, что дейтерий даёт практически весь основной объём заряда, будет как раз где-то 80 м.

Вывод. С дейтерием - затея изначально дохлая, так как столько тяжёлого вещества для "тампера" не найти на планетозималях. Можно попробовать чего-нибудь придумать с дейтеридом лития, но там, в общем-то те же проблемы.

[Андрей Курилов]

В 1948 году на основе расчетов А. Д. Сахаровым были выдвинуты основополагающие идеи конструкции водородной бомбы РДС-6[3]. После этого разработка бомбы пошла по двум направлениям: «слойка» (РДС-6с), которая подразумевала атомный заряд, окруженный несколькими слоями легких и тяжелых элементов и «труба» (РДС-6т), в которой плутониевая бомба погружалась в жидкий дейтерий. США разрабатывали похожие схемы. Например, схема «Alarm clock», которая была выдвинута Эдвардом Теллером, являлась аналогом «сахаровской» слойки, но она никогда не использовалось на практике. А вот схема «Труба», над которой так долго работали ученые, оказалась тупиковой идеей. После испытания бомбы РДС-1, основные усилия сконцентрировались на варианте «Слойка»[4]. Государственная комиссия под председательством Курчатова Игоря Васильевича, проведя анализ результатов генеральной репетиции и доложив свои соображения правительству, приняла решение провести испытания первой водородной бомбы 12 августа 1953 года в 7 часов 30 минут местного времени[3].

Операцию по сборке заряда проводили Н. Л. Духов, Д. А. Фишман, Н. А. Терлецкий под руководством Ю. Б. Харитона и в присутствии И. В. Курчатова[2]. Подготовка системы автоматики осуществлялась В. И. Жучихиным и Г. А. Цырковым. В работах принимали участие А. Д. Захаренков и Е. А. Негин. Снаряжение заряда капсюлями-детонаторами после подъёма его на башню осуществлялось А. Д. Захаренковым и Г. П. Ломинским под руководством К. И. Щёлкина и в присутствии А. П. Завенягина[2]. Особенности конструкции: Питта герметичная, сферически симметричная, в центре полоний-бериллиевый нейтронный источник, непосредственно к нему примыкают полушария оружейного урана, далее плитки литого дейтерида-тритида лития-6, далее природный уран. Точные массогабаритные данные и состав материалов питты до сих пор секретен.

[Андрей Курилов]

Погодите.Вы же как-то давали ссылку на мериканский проект где выстреливаемый дейтериевый шарик.,в ключевой точке обжимается направленными с разных сторон лазерами,тоже искусственное солнце-деньги на это дело там вроде выделялись космические.И все попусту?

Ну так а я об чём? Нужно инерциальное удержание. Его может обеспечить либо сила, возникающая при абляции с поверхности заряда, либо плотный слой "тампера" снаружи. Инерциальное удержание нужно для подрыва любыми ядерными реакциями - как деления, так и синтеза.

Вопрос - как обеспечить это самое инерциальное удержание для 30 тыс. тонн дейтерия?

[Андрей Курилов]

Нагреватель 1500 К, хододильник (теперь) 3 С, 276 К. Идеальный КПД 0,816. Реальный у чуда инопланетной техники я беру 0.80. Она не строго идеальна, но очень близка.

Такая температура холодилника откуда взялась? Дело в том, что если турбины-генераторы-трансформаторы не осилят преобразование 80% энергии, то радиатор у вас нагреется, а не КПД повысится. Вы упорно этого не понимаете. Каким же чудесным образом вы зафиксировали температуру радиатора?

Именно температура радиатора в космосе будет плясать в зависимости от того, сколько энергии вы сможете извлечь контурами-турбинами. НО НИКАК НЕ НАОБОРОТ. Вы же, исходя лишь из одних своих хотений берёте Т нагревателя и Т холодильника какие вам понравились и - опа, КПД какой большой. Это такой магический термодинамический цикл. Полезная работа извлекается с помощью магии, потому что А. Семёнов не желает вдаваться в подробности рассчёта эффективности термодинамических циклов.

[Андрей Курилов]

Отношение чего к чему?

Отношение поступающей на входе тепловой энергии газа к получаемой энергии вращения.

Где вы вообще эту цифру откопали, что так  упорно на нее молитесь?

Я формулу приводил. Приведу ещё раз.

Здесь также есть Т1 и Т2, взятые из формулы цикла Карно. Заметьте, не вы берёте и определяете своим хотением Т1 (холодильник), а турбина определяет её своей конструкцией.

Как посчитали?

Вы уже сами ответили на этот вопрос строкой ниже этого вашего вопроса.

Кстати, гелий - практически идеальный газ. Показатель адиабаты гелия 1,66, а у идеального одноматомного газа 1,67. Разница - пол процента.
Гелий дефицитный газ.... Но для замкнутого цикла много (в сравнени с другими материалами) и не потребуется....

Вы не сможете использовать гелий.

[Андрей Курилов]

Прорезюмирую проблемы КВС-планетоида, пока не потонуло всё.

1) Самая сложная проблема, на мой взгляд. Инерциальное удержание килотонн дейтерия или дейтерида лития.
2) Смысл что-либо такое городить, если ПН всё равно не переживёт перелёта на скорости ~0.1C и превратится в пучок космических лучей из-за эрозии средой.
3) Самая несерьёзная проблема. Реальный КПД производства луча не соответствует заявленным 80%. Получается где-то от 5 до 50%.

[Андрей Курилов]

за бортом 4К)

Такое бывает только где-нибудь в войдах. В Галактике же температура фона находится в пределах от 15 до 30 К, в зависимости от конкретного места.

[Андрей Курилов]

Я взял нужный мне КПД  0.816, взял адиабату гелия 1.66 и вычислил степень повышения давления:

Для какой температуры вы взяли эту адиабату и почему?

Даже если в одной турбине нельзя сделать такую степень повышения давления в 70 (возможно это многовато), то что мешает мне ее разбить на два контура со степенью повышения каждый поменьше?

Каждый контур надо считать отдельно. Ибо контуры умножением их кол-ва не повышают КПД волшебным образом. Об этом я уже говорил.

Давление  ведь -  производное. Основа- разность температур!

Работу совершает именно давление. Переходя от температуры к давлению вы приближаете ваши формулы к реальности, хотя такой КПД всё равно ещё слишком идеален.

Вы мне ЗАПРЕЩАЕТЕ это сделать?!!

Физика гелия запрещает. Почитайте, почему же гелий не используется на АЭС/ТЭЦ в качестве рабочего тела.

Покажите пожалуйста на моем примере!

Да показывал уже. Если ваша турбина имеет реальный КПД 65% вместо желаемых 81,6%, то вы получите больше паразитного тепла на холодильнике/радиаторе. Только и всего.

[Андрей Курилов]

Никак не могу найти сколько его в Койпере. Что, действительно так мало?

Исчезающе малые количества.

[Андрей Курилов]

Мы за это еще не брались двумя руками. Так что не кричите гоп, пока не перепрыгнули.

ОК, я подожду пока что.

Это тоже пока для нас совершенно левая проблема.
Наша задача - запустить аппарат. А как он там выжевет? Дожить до этого бы!

А давайте запустим звездолёт с собаками на борту. - А зачем? - А чтобы было!

Я уже много раз говорил - если есть уже навскидку критические места, способные похоронить идею, то в первую очередь надо браться за них. Чтобы не тратить время зря и не хоронить уже на стадии НИОКР.

[Андрей Курилов]

Откуда эти упорные 50%? Половина вам, половина нам?
Где ЛОГИКА их происхождения?
Когда вы спросили про парус - я вам все расписал и показал. Хочу эти ваши 0.5 получить так же!

Так я же рассчёт дважды приводил. Для 2-3 контурного случая.

Я уже понял что только гелий меня может спасти.

Только вот с благородными газами в койпере напряжёнка. Я бы на вашем месте рассчитывал только на водород и азот. Утверждаете гелий или аргон? Будьте добры, приведите необходимую массу и способ доставки в койпер. Для гелия ещё надо учесть утечки - оный любит даже сквозь молекулярные и кристаллические решётки просачиваться (не уверен, но водород, по-моему тоже). Ещё проблема с благородными газами - они есть только в серьёзных гравиямах. Посему реалистично рассчитывать пока что только на молекулярный азот.

[Андрей Курилов]

Нет?

Нет просто разница между нашими КПД (48 или 64 %) на выходе будет не принципиальна. Есть куда более принципиальные проблемы, которые я перечислил.

[Андрей Курилов]

То есть степень сжатия 70 не выглядит фантастикой? Уже хорошо!

Я этого не говорил. Согласно педии, обычно газовые турбины имеют степень сжатия 11-16. 70 таки выглядит фантастикой.

[Андрей Курилов]

А конкретно важен вопрос: что мешает реальной тепловой машине быть от идеальной на 1-2% хуже?

Любой рассчёт приведёт к идеальной тепловой машине. Хороший рассчёт КПД даст результат, мало отличный от идеального. А если брать с потолка пару температур и не вникая каким же магическим образом энергия будет извлекаться, то такой рассчёт будет очень далёк от реального.