КВС в космосе

[Кремальера]

Самое главное, отбирать энергию у газа можно,

Но тогда не имеет смысла устраивать цапу там где с газом явный дефицит(в космосе).

[Инопланетянин]

а гравитации, дающей глобальную асимметрию, в Гравицапе нет.

Простите, а почему нет? Всё же это планетоид размером порядка Плутона. Кстати, а при поведении заряженных пылинок учтена ли гравитация теплоносителя? Даже если внутри Гравицапы притяжение внешних слоёв взаимно аннулируется, то собственная гравитация теплоносителя может не допустить прикасания пылинок к стенкам.

Самое главное, отбирать энергию у газа можно,

Но тогда не имеет смысла устраивать цапу там где с газом явный дефицит(в космосе).

Размер камеры сгорания порядка сотни км, гравитация сильно помешает.

[elind]

а гравитации, дающей глобальную асимметрию, в Гравицапе нет.

Простите, а почему нет? Всё же это планетоид размером порядка Плутона.

а гравитации, дающей глобальную асимметрию, в Гравицапе нет.

Смысл в том, что центрально-симметричное грав поле не вызывает неравномерности осаждения испарённого материала стенки.

[elind]

Импульс взрыва надо РАЗМАЗЫВАТЬ по пути к стенке. Это может сделать либо завеса (из пылинок, капелек натрия), либо ... обычная атмосфера. Газ... Гм... Я все больше и больше склоняюсь к этой последней идее.

Главной проблемой газового теплоаккумулятора будет значительно осложнённый рециклинг материалов бомбы.

[Проходящий Кот]

Какое-то качественное обсуждение пошло.
Хоть какая-то система уравнений у процесса есть?

[Инопланетянин]

значительно осложнённый рециклинг материалов бомбы.

Насколько я понял, доля материалов бомбы должна быть ничтожной. Хотя, про свинец что-то обсуждалось. Но он тоже ожидался ничтожным.

[elind]

Какое-то качественное обсуждение пошло.
Хоть какая-то система уравнений у процесса есть?

Насколько я понял, доля материалов бомбы должна быть ничтожной. Хотя, про свинец что-то обсуждалось. Но он тоже ожидался ничтожным.

Хорошо. При Т = 1500 К  и давлении 3 атм. имеем 24 моль/м³, водорода в полости камеры. Объём камеры 10¹⁶ м³, следовательно всего 2.4*10¹⁷ моль. В крайнем случае - масса свинца примерно равна массе бомбы (скорее меньше), это 50 000 тонн, а значит, имеем 2.5*10⁸ моль свинца. Концентрация свинца в водороде после одного взрыва 10^-9 молярных долей, а давление его паров, соответственно, 3*10^-4 Па. Чтобы осадить его, требуется охладить водород до Т= 800 К. Для этого требуется профильтровать весь водород и слить 1.4*10²¹ Дж - в 7 раз больше, чем вообще дал взрыв. Если накапливать свинец в течении года, его концентрация будет в 10⁴ раза выше, и давление паров - 3 Па., но тогда длина свободного пробега в газе упадёт в шесть раз - вполне достаточно для начала формирования полноценного огненного шара и ударной волны. Т. е., выше 0.3 Па давление паров поднимать не следует. А это значит, что водород следует охлаждать до 900 К, сливая дополнительно 1.2*10¹⁸ Дж тепла после каждого взрыва.

[AlexAV]

но тогда длина свободного пробега в газе упадёт в шесть раз - вполне достаточно для начала формирования полноценного огненного шара и ударной волны.

Рентген и водород поглощает (хотя конечно и слабее железа). Огненный шар будет в любом случае. А далее в гомогенной среде возникающий импульс давления и поток импульса на стенку будет практически неотличим от того который получается в классической задаче о сильном взрыве (ну разве что показатели адиабаты надо в каждом случае брать свои).

Связь давления на фронте ударной волны с энергией взрыва:



Импульс давления (для воздуха, для других газов надо пересчитывать с учётом реальной плотности и показателя адиабаты):

Всё в единицах СГС, т.е. E - эрг, r - см, I - г/(см с).

[elind]

Рентген и водород поглощает (хотя конечно и слабее железа). Огненный шар будет в любом случае. А далее в гомогенной среде возникающий импульс давления и поток импульса на стенку будет практически неотличим от того который получается в классической задаче о сильном взрыве (ну разве что показатели адиабаты надо в каждом случае брать свои).

Так уж и в любом?  А что по этому поводу говорят "Starfish prime" и " ОПЕРАЦИЯ “К”"? Как минимум, если объём прогретого газа (за счёт хорошей "прозрачности") настолько велик, что он прогревается до менее 500 К, то никакого огненного шара не будет, а ударная волна - как от объёмного источника, вроде термобарического заряда - т. е. более "толстая" и более "мягкая", не повреждающая прочные конструкции. Однако, в нашем случае, если длина свободного пробега упадёт в 6 раз, то прогреваемый объём упадёт в 216 раз, и, в среднем, в этом объёме газ будет прогреваться не до +100 К, а до +21600 К - вот вам и полноценный огненный шар, и ударная волна, приближённо, как от точечного источника - с высокой бризантностью.

[AlexAV]

Так уж и в любом?  А что по этому поводу говорят "Starfish prime" и " ОПЕРАЦИЯ “К”"? Как минимум, если объём прогретого газа (за счёт хорошей "прозрачности") настолько велик, что он прогревается до менее 500 К, то никакого огненного шара не будет, а ударная волна - как от объёмного источника, вроде термобарического заряда - т. е. более "толстая" и более "мягкая", не повреждающая прочные конструкции.

Вы очень переоцениваете прозрачность водорода. Сечение фотоионизации атомарного водорода в основном состояние:



Для молекулярного водорода значения будут близкие (естественно сечение надо удвоить для учёта, что в молекуле 2 электрона). При типичной температуре первичного излучения взрыва 2 кэВ длинна пробега в водороде при давление 1 атм и  температуре 300К будет порядка 150 м. При взрыве мощностью 1 Мт это будет означать, что плотность энергии в огненном шаре будет около 1 т.т.э/ кг газа. Это очень большие значения, вполне соответствующие условию задачи о сильном взрыве.

P.S. При энергии квантов менее приблизительно 4 кэВ в водороде будет преимущественно работать фотоэффект, выше - эффект Комптона.

[AlexAV]

Так уж и в любом?  А что по этому поводу говорят "Starfish prime" и " ОПЕРАЦИЯ “К”"?

Правда если снизить давление раз в 100, то действительно энергия излучения будет "размазана" по большому объёму вещества и в образовании сильных ударных волн участвовать не будет. Однако помимо излучения есть ещё 10% - 20% энергии, которая уходит в плазму материалов бомбы. И она будет давать  ударные волны при любом разумном давление.

[elind]

Связь давления на фронте ударной волны с энергией взрыва:

А у вас в формуле точно нет ошибок - а то тем же количеством энергии можно обеспечить больший скачок давления, если прогреть весь объём газа равномерно, чем скачок давления, вычисляемый по вашей формуле для у-узенькой зоны ударного сжатия?

Вы очень переоцениваете прозрачность водорода. Сечение фотоионизации атомарного водорода в основном состояние:

Всё может быть. На той номограмме, где я смотрел экспериментальные коэффициенты, крайним был углерод, проницаемость водорода для 20 кэВ я экстраполировал.

Для молекулярного водорода значения будут близкие (естественно сечение надо удвоить для учёта, что в молекуле 2 электрона). При типичной температуре первичного излучения взрыва 2 кэВ длинна пробега в водороде при давление 1 атм и  температуре 300К будет порядка 150 м. При взрыве мощностью 1 Мт это будет означать, что плотность энергии в огненном шаре будет около 1 т.т.э/ кг газа. Это очень большие значения, вполне соответствующие условию задачи о сильном взрыве.
P.S. При энергии квантов менее приблизительно 4 кэВ в водороде будет преимущественно работать фотоэффект, выше - эффект Комптона.

А почему именно 2 кэВ? Нельзя ли, подбором облицовки, добиться 20, а лучше - 50 кэВ - чем выше энергия квантов, тем на большую глубину они прогреют стенку (примерно пропорционально третьей степени частоты - эмпирическая зависимость, чистый фотоэффект даст степень 3.5). Я-то считал для 20 кэВ (значит, основа - комптон, и экстраполяция по тяжёлым атомам летит далеко и надолго), в водороде с давлением 3 атм. и температурой 1500 К, получил длину половинного ослабления - со всеми экстраполяциями - около 20 км, с вашими поправками выходит не более 3 км.
С другой стороны, скачок давления, при Семёновских параметрах Гравицапы, будет явно меньше 5 атм, что уже 100 мм лист стали должен держать, так что можно и с классическим фаерболом.

P.S. И да, спасибо за формулу сечения фотоионизации. Насколько я понял, альфа в ней постоянная тонкой структуры, а₀ - радиус атома, Е₀ - энергия ионизации?

[elind]

Может, вообще выкинуть тепловой аккумулятор. Гравицапа не звездолёт, масса заряда нас не давит, что мешает сделать заряд с удельной калорийностью 2*10¹¹ Дж/кг, за счёт того, что окружить бомбу толстым-толстым слоем шоколада водорода. При такой уд. калорийности водород прогреется только до 8 млн. К, и доля энергии, запасённой в виде излучения составит 2.5% (бланкет из более тяжёлого вещества, даже углерода или лития, мало того, что они гораздо реже встречаются, так и нагрелся бы при данной калорийности - если пренебречь излучением - до 32 млн. К -  и становиться ясно, что, в этом случае излучением нельзя пренебрегать). Пусть из неидеальности бланкета и заряда вообще, доля излучения составит 10%. Тогда можно подрывать пятидесятиГигатонную бомбу в центре решётчатой сферы радиусом 400 км, поверхность которой покрыта магнитными соплами, на концаах которых расположены МГД-генераторы, преобразующие энергию плазмы в электроэнергию с КПД 98.75% (Т1 = 8 000 000 К, Т2 = 100 000 К - ниже которой резко падает степень ионизации водорода). Все элементы конструкции, от излучения взрыва, защищают теневые экраны из карбида бора (или бериллия - лития). Да, мгновенная мощность будет сильно неравномерная, но при 8 млн. К скорость движения водородного газа меньше 400 км/с, доля площади самого узкого среза сопла (для получения нужной степени расширения) 1/364, и секундный расход вещества сквозь такие сопла будет 1/160 доля от всего в камере. Тогда выдаваемая мощность вначале составит 1.2*10¹⁸ Вт, и будет падать вдвое каждые 100 секунд. Масса бомбы составит 10⁹ кг - это будет этакий водородный снежок трёхсотметрового диаметра - и запускаться он должен со скоростью 100 м/с - через пятикилометровый разгонный тоннель с линейными электродвигателями по периметру, с а=1 м/с² и потребляемой мощностью меньше 100 ГигаВатт.

[AlexAV]

А у вас в формуле точно нет ошибок - а то тем же количеством энергии можно обеспечить больший скачок давления

Вы где-то обсчитались. Если энергию E использовать для того чтобы изохорно нагреть в области радиусом r, то мы получим давление (начальной температурой газа пренебрегаем, речь об области где работает автомодельное решение):



В ударной же волне будет (из выше приведённой формулы):



Очевидно, что



Т.е. давление в ударной волне больше чем в то, которое получится при изохорном нагреве, в 1,5 раз.

А у вас в формуле точно нет ошибок

Нет. Эту формулу вместе с выводом вы можете найти в:

Ф.М. Баум, К.П. Станюкович, Б.И. Шехтер "Физика взрыва", С. 608

проницаемость водорода для 20 кэВ я экстраполировал.

При 20кэВ основная часть поглощения энергии в водороде будет идти преимущественно за счёт эффекта Комптона. При этих значениях энергий уже более-менее работает приближение свободных электронов, а в этом случае его сечение в этой области с хорошей точностью равно сечению Томпсона.

А почему именно 2 кэВ?

Это то что наблюдается по факту. Вообще так как в момент ядерного взрыва излучение как правило находится в равновесие с веществом, то температура излучения в основном определяется мощностью заряда и объёмом излучающей области. Скажем упоминается здесь.

Насколько я понял, альфа в ней постоянная тонкой структуры, а0 - радиус атома, Е0 - энергия ионизации?

Да, именно так.

[AlexAV]

С другой стороны, скачок давления, при Семёновских параметрах Гравицапы, будет явно меньше 5 атм, что уже 100 мм лист стали должен держать, так что можно и с классическим фаерболом.

Наша проблема не столько собственно давление в волне (его достаточно просто сделать достаточно низким, чтобы оно не вызывало отколов и прочих подобных явлений), сколько импульс давления (интегральный поток импульса на стенку), который будет ускорять стенку, вызывая механические напряжения в ней. Нетрудно подсчитать, что при поглощение импульса давления I стенка сферической камеры получит кинетическую энергию



h - толщина стенки (h<<R). Предельная упругая энергия стенки:



Откуда получаем максимальный импульс давления, который может выдержать стенка толщиной h, плотностью \rho, прочностью \sigma, и модулем Юнга E:

[elind]

Откуда получаем максимальный импульс давления, который может выдержать стенка толщиной h, плотностью \rho, прочностью \sigma, и модулем Юнга E:

А баллон какой импульс давления, от накачанного в него газа, выдерживает? Давление водорода в Гравицапе - 3 атмосферы, скачок давления в ударной волне у стенок - 0.12 атмосферы (по вашей формуле). Ударная волна раздвинет стенки взрывокамеры от центра на 5 (пять) метров - 2.5 до положения уравнивания давлений, и ещё на 2.5 они сместятся по инерции, гася набранную скорость. Общее увеличение растягивающего напряжения составит 8% от создаваемого стационарным давлением.

[AlexAV]

Давление водорода в Гравицапе - 3 атмосферы

3 атм - кстати огромное давление для 400 км сферы. Требуемая толщина стенки чтобы удержать давление P:



\sigma - предел прочности. Для углеродистой стали это приблизительно 400МПа. Тогда очевидным образом получаем 150 метров. Для сферы радиусом в 400 км и стенкой 150м надо уже думать не схлопнется ли она из-за самогравитации...

А баллон какой импульс давления, от накачанного в него газа, выдерживает?

Динамически меняющееся давление будет действовать не совсем как статическое. Совсем по честному надо решать такое уравнение (рассматривается сферически симметричный случай и тонкая сфера):



\omega - циклическая частота собственных колебаний сферы.

В том случае о котором я говорил выше, я полагал, что импульс давления можно представить как



при P>>P_0. Т.е. короткий сильный импульс (причём под понятием сильный подразумевается лишь то, что давление в нём намного больше фонового, само по себе оно может быть не очень большим).

[elind]

3 атм - кстати огромное давление для 400 км сферы. Требуемая толщина стенки чтобы удержать давление P:

\sigma - предел прочности. Для углеродистой стали это приблизительно 400МПа. Тогда очевидным образом получаем 150 метров. Для сферы радиусом в 400 км и стенкой 150м надо уже думать не схлопнется ли она из-за самогравитации...

400 км - радиус "решётчатой" сферы без теплоаккумулятора и прямым преобразованием тепловой энергии плазмы в электричество. Семёновская Гравицапа в "базовом варианте" имеет радиус всего 125 км. И да, я вычислял толщину стенок, взяв средненькую сталь (200 МПа) и запас прочности в 100%, получил около двухсот метров. Масса такой скорлупы составит 4*10¹⁷ кг. А ускорение свободного падения составит 1.6*10^-3 м/с², при таком "же" длина свободного провиса для железа составит 16 тысяч километров.

Динамически меняющееся давление будет действовать не совсем как статическое. Совсем по честному надо решать такое уравнение (рассматривается сферически симметричный случай и тонкая сфера):

\omega - циклическая частота собственных колебаний сферы.В том случае о котором я говорил выше, я полагал, что импульс давления можно представить как

при P>>P_0. Т.е. короткий сильный импульс (причём под понятием сильный подразумевается лишь то, что давление в нём намного больше фонового, само по себе оно может быть не очень большим).

В случае газонаполненной Гравицапы, как раз, имеем обратную картину - фон (3 атм) значительно превышает ударноволновой скачок (0.12 атм). И, когда УВ бъёт в стенку, для оболочки это эквивалентно мгновенному повышению давления на (всего-то) 4%. На столько же увеличиться деформация сферы (не R, а дельта R). Для вышеприведённой сферы изменение радиуса составит 2.4 метра, однако, по достижении этого нового радиуса оболочка будет иметь некоторую скорость, и пройдёт новое положение равновесия, замедляясь. При малых деформациях сила возрастает линейно, следовательно, полностью затормозиться оболочка, пройдя ещё 2.4 метра, после чего пойдёт обратно, и будет колебаться между R и R+4.8м. Это в случае, если ударная волна ударила и давит, давит, давит. Если же, как и в реальности, давление за фронтом УВ постепенно падает, то растяжение оболочки будет ещё меньше. 
 

[Проходящий Кот]

А поставим на звездолет в качестве источника энергии КВС .
При мощности 25*10⁺⁹ ВТ вспышки в нем раз в 1 час.
Если взрывать раз в секунду, то будет 9*10⁺¹³ Вт, что больше чем мощность 2 ступени Феникса.
Натрий с КВС идет на турбины с генераторами.
(с КПД порядка 85%)
Сброс энтропии через радиаторы.....
Двигателем же является ускоритель на этой энергии.
Через этот ускоритель сбрасываем протий и гелий4.....
Заряды для КВС хороши хотя бы тем, что они реально практически существуют.....
В отличие от зарядов для Дедала и Феникса.

Проблема в КПД ускорителей ионов.

[elind]

Проблема в КПД ускорителей ионов.

Какая уж тут проблема? Мы же не циклотроны с собой потащим, а ионники - пара сеток с напряжением в в пару Мегавольт, через которые проходит поток газа с попутной ионизацией. КПД - почти сто процентов. (Семёнова на вас нет).
При замкнутом КВС, с рециклингом несгоревших частей бомб, получаем суммарный УИ вообще в 3 000 000 секунд. Но и низкую удельную мощность - насколько котёл (10¹⁸ кг) тяжелее того же "феникса".