Колонизация Титана

[AlexAV]

Меня вот тут зацепил тот момент, что ... в наличии  имеется температурный профиль атмосферы Сатурна. То что я нигде не мог достать, вообще нигде - а тут есть.

Вот тут есть в нормальном виде до высоты 750 км (от условного уровня с давлением в 1 бар): https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070032693.pdf

А тут в не очень вменяемом для термосферы (данные есть, скажем функция P(T), но всё нужно пересчитывать, чтобы получить нормальную функцию температуры от высоты): https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103515002997

И ещё вот тут кое-что: https://www.sciencemagazinedigital.org/sciencemagazine/05_october_2018/MobilePagedArticle.action?articleId=1430911#articleId1430911 

[Инопланетянин]

Проблема ионника в пространственном заряде, который ограничивает плотность тока.  А увеличить ток (а значит и тягу) можно не только увеличивая плотность тока (что действительно выше некоторого предела сделать нельзя из-за роста плотности пространственного заряда в неквазинейтральной области и возникающего в следствие этого запирающего потенциала), но и увеличивая площадь сеток. А вот, в отличие от плотности тока, никаких физических ограничений в части увеличения площади не существует. Т.е. писать, что нельзя сделать ионник большой тяги - не верно. Нельзя сделать маленький ионник с большой тягой, но путём увеличения его размера (по сути площади) его тягу можно масштабировать (теоретически) практически неограниченно.

Отличная идея! Кстати, можно совместить решётку с радиатором. Так и представляю себе большое, но тонкое (чтобы ионник его тащил всё же) колесо для искусственной гравитации диаметром километр-два и радиатор-решётка с реактором в центре.

Хотя для создания высокоимпульсного (по крайней мере до УИ в 5 Мм/с, далее уже не так просто) электрореактивного двигателя большой тяги - различные МГД схемы ускорения плазмы подходят, конечно, лучше.

Тоже интересный вариант.

Ещё хотелось бы спросить - а для уменьшения скорости истечения ионов нельзя ускорять в ионнике ионизированные молекулы? Ну там, полимер с атомом железа потерявший всего один электрон и эта массивная молекула будет вылетать именно на требуемых 20-30 км/с?
А пыль разгонять не пробовали? Тоже вариант, наверное.

[AndrejM]

Ещё хотелось бы спросить - а для уменьшения скорости истечения ионов нельзя ускорять в ионнике ионизированные молекулы? Ну там, полимер с атомом железа потерявший всего один электрон и эта массивная молекула будет вылетать именно на требуемых 20-30 км/с?
А пыль разгонять не пробовали? Тоже вариант, наверное.

Здесь все сложно. Если не довести до ионов то разгонять труднее.
А плазма имеет нехорошее свойство химически взаимодействовать.
Иначе давно уже на кремнии и свинце летали бы.
Нужно работать...

[crazy_terraformer]

Коллоидные двигатели могут использовать в качестве рабочего тела органические жидкости, например силиконовые масла.
http://martiantime.narod.ru/Base/encyclopedia.htm#es

В коллоидных РД рабочее тело разгоняется в виде положительно заряженных микроскопических, размером в доли мкм (“коллоидных”), частиц (капель, пылинок и т.д.), которые по размерам и массе на 4—6 порядков превышают ионы. Основным рабочим элементом источника таких частиц являются капиллярные трубки подачи РТ, на выходе из которых происходит дробление РТ и зарядка полученных частиц. В качестве РТ в экспериментах с коллоидными РД использовались жидкие легкоплавкие металлы (галлий, цезий, висмут) и соединения, а также органические жидкости; наиболее просто организуется рабочий процесс при использовании раствора йодистого калия в глицерине. Считается, что по плотности тяги коллоидные РД могут превзойти ионные на 2—3 порядка, уступая им по удельному импульсу, который составит 10—50 км/с.

К концу 1970-х гг. завершена разработка научно-технических основ проектирования ионных РД и созданы их экспериментальные образцы с ресурсом в тысячи часов. Лётные испытания ионных РД проводились в СССР по программе “Янтарь” в 1966—70 (РД с газоразрядным ионизатором), в США — в 1964 по программе “СЕРТ-1” (полёт по баллистической траектории), в 1965 по программе “Снапшот” и в 1970 по программе (РД с контактными и газоразрядными ионизаторами). Коллоидные РД находятся в стадии лабораторной разработки. В США испытан такой РД мощностью 50 Вт, развивший на стенде тягу 4,45 мН при удельном импульсе 12,2 км/с (при работе на силиконовом масле) и кпд 50% . Предполагаемый ресурс его работы в космосе около 10 000 ч.

[AlexAV]

Ещё хотелось бы спросить - а для уменьшения скорости истечения ионов нельзя ускорять в ионнике ионизированные молекулы? Ну там, полимер с атомом железа потерявший всего один электрон и эта массивная молекула будет вылетать именно на требуемых 20-30 км/с?

Тяжело получить ионы не развалив молекулу. Т.е. при всех процессах ионизации вероятность её фрагментации оказывается достаточно существенной. А потом эти обломки будут оседать в виде тех или иных отложений везде. Из-за этого данный вариант не выглядит сколько-нибудь удачным. По той же причине щелочные металлы показали себя так же не очень. Оседают где не надо, что самым негативным образом сказывается на работе двигателя.

В качестве рабочего тела тут хорошо себя показывают только благородные  газы и, вероятно, ещё ртуть (металл, но на столько летучий, что бороться с его осаждением достаточно просто). Для высокоимпульсных водород наверное будет неплох.

А пыль разгонять не пробовали? Тоже вариант, наверное.

В литературе коллоидные двигатели предлагались, но реальные успехи в их создание весьма ограничены.

на требуемых 20-30 км/с?

На 20-30 км/с ксенон, криптон и ртуть вполне нормально подходят. Кинетическая энергия иона ртути при 20 км/с - 414 эВ, ксенона - 272 эВ, криптона - 174 эВ. Энергия иона ~300 - 500 эВ уже вполне адекватное значение. Поэтому тут я бы ограничился именно этим набором. Для 20 км/с криптон ещё, конечно, несколько легковат (т.е. использовать можно, но явно не оптимум), а вот ртуть и ксенон - вполне нормальны.

Однако есть у меня подозрения, что для быстрого полёта к Сатурну УИ 20-30 км/с будет недостаточен. Скорее что-то на уровне 50 - 100 км/с (может быть тут я и не прав, нужно, конечно, аккуратно считать, это так, полуинтуитивная прикидка). Тут, возможно, даже аргон подойдёт. Хотя для уменьшения размера двигателя - ртуть лучше.

Можно даже нужную площадь ускоряющих сеток прикинуть (если ионник использовать). Пусть корабль у нас имеет массу 1000 тонн, удельная мощность пусть 50 Вт/кг (больше получить будет сложно), 50 МВт электрической на всё, а УИ 50 км/с. При 50 км/с энергия иона ртути 2591 эВ. Максимальный ток ионов таким образом ~20 кА. Реально достижимая плотность тока в ионниках ~55 А/м2. И того около 360 м2 (приблизительно круг радиусом 11 метров). Солидно конечно, но для монстра весом 1000 тонн выглядит вполне представимым значением.

[AndrejM]

хоть одну из лазеек освоить АТОМАРНОЕ химическое топливо

Как-то мелко. Расщепление и синтез Ядра более практичен в этом случае. Да и не фантастика.
А вот ионный двигатель на чём-то более распространённом чем ксенон(и иже с ними благородные) это действительно задачка.

[AndrejM]

Хотя для уменьшения размера двигателя - ртуть лучше.

Главное чтобы сам двигатель дожил до конца полёта. А то большинство таких живут как пороховые ускорители.

[crazy_terraformer]

Надо ставить реальные цели . Ртуть добываем в полярных кратерах Луны
А нибелунгов туда в качестве зэка за военные преступления , будут работниками горнорудной промышленности!

[AlexAV]

Главное чтобы сам двигатель дожил до конца полёта. А то большинство таких живут как пороховые ускорители.

Для современной техники сделать ионный двигатель с ресурсом около 50 тыс. часов (около 6 лет непрерывной работы) - вполне реальная задача.   

[AndrejM]

Для современной техники сделать ионный двигатель с ресурсом около 50 тыс. часов (около 6 лет непрерывной работы) - вполне реальная задача. 

На кремнии или свинце?

[AlexAV]

На кремнии или свинце?

На благородных газах (пары ртути в своём поведение в ионнике схожи с благородным газом, поэтому на неё эту цифру тоже, скорее всего, можно обобщить). На кремнии и свинце сколько-нибудь удовлетворительным образом работающие ионники сейчас делать вообще не умеют (как решать проблему осаждения отложений на электродах и сетках при использование подобных нелетучих рабочих тел сейчас не знает никто).

[AndrejM]

На кремнии и свинце сколько-нибудь удовлетворительным образом работающие ионники сейчас делать вообще не умеют.

Вот в этом то и дело.
К стати с ртутью тоже проблеммы. Выводить с земли на орбиту просто неразрешат. Другое дело если заводик на Луне. Но кто его сделает?

[Кремальера]

По малым КА сейчас есть перспективные работы по йоду.
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/vlad_busek_iodine_rf_ion_thruster_tagged.pdf
http://www.busek.com/
Но в целом ионный привод -это тупик.Тем более в отношении пилотируемых КА.

[AlexAV]

По малым КА сейчас есть перспективные работы по йоду.

Йод - химически агрессивен. С ресурсом ионизатора точно будут проблемы.

Но в целом ионный привод -это тупик.Тем более в отношении пилотируемых КА.

Не согласен. При УИ >100 км/c он особенно ничем не проигрывает любым другим электрореактивным двигателям. Скорее даже выигрывает. По КПД в этом диапазоне энергий ускоренных ионов он заведомо выигрывает у любого другого типа систем, по удельной мощности - тоже.  Вообще чем выше УИ - тем менее значительны становятся его недостатки и более явными становятся плюсы.

В диапазоне 30 - 100 км/c в общем тоже то что другие типы двигателей сильно лучше ионника - не очевидно.

Вот в диапазоне 10 - 30 км/c ионник для создания двигателей большой мощности действительно выглядит не слишком интересно. При малых УИ тут и потери на ионизацию получаются большими и требуемые токи для обеспечения большой мощности - невменяемым. В этом диапазоне его ниша - только малые двигатели.

Но для создания двигателей со сверхвысоким удельным импульсом (в том числе и высокой мощности) они более чем перспективны.   

[AlexAV]

Тем более в отношении пилотируемых КА.

Для пилотируемого полёта к Сатурны - электрореактивные двигатели абсолютно безальтернативны (в качестве альтернативы могут выступать только гипотетические системы типа Орион с ядерными зарядами или не менее гипотетические термоядерные двигатели, но тут вопросов ещё больше, чем с электрореактивными). А уж какой конкретно двигатель тут нужно выбирать - требует анализа (как минимум хорошей оценки оптимального УИ при технически достижимой удельной мощности). И если анализ даст высокие значения требуемого УИ - ионник сразу станет не просто возможной, но и наиболее перспективной альтернативой.

[Кремальера]

Не согласен. При УИ >100 км/c он особенно ничем не проигрывает любым другим электрореактивным двигателям.

Даже если вы и правы,ваша правота может и не дождаться времени физического воплощения в железе.А это самое главное.У вас нет летающего ионного двигателя для пилотируемого КА с опытом полета к другим телам.А у "химиков" уже более полувека как есть.И опираться будут в первую голову на нечто материально осязаемое,нежели чем на доску с грифелем.Поэтому ваши предположения о реальности подобного девайса конечно ценны,но только с точки зрения коллекционирования идей.

[AlexAV]

А у "химиков" уже более полувека как есть.И опираться будут в первую голову на нечто материально осязаемое,нежели чем на доску с грифелем.Поэтому ваши предположения о реальности подобного девайса конечно ценны,но только с точки зрения коллекционирования идей.

На химии пилотируемый полёт к Сатурну вообще заведомо невозможен. И, соответственно, его никогда и не будет.

Для пилотируемого полёта в одну сторону даже 1 год - это очень много. Два с половиной - уже на гране допустимого (вся экспедиция в обе стороны вместе с работой на Титане точно не должна превышать пять лет). За 2.5 года на химии отправить что-то к Сатурну (а тем более вернуться от туда) - нельзя.

[Андрей Астрофизический]

Кремальера, откуда такая нелюбовь к ионным двигателям?) Нормальный двигатель со своей областью оптимального применения, в которой он будет лучшим или одним из таковых. То что космонавтика все никак не может дорасти до этих областей применения, это не из-за двигателя.
Это все равно что утверждать, будто расчеты Циолковского ни на что не годны, на основании того что в первые десятки лет после своего написания, никому не пригодились. Просто время не пришло еще.

[AlexAV]

А у "химиков" уже более полувека как есть.

Проблема в том, что химия для пилотируемого полёта к Сатурну не сильно более пригодна, чем для полёта к Альфе Центавра. Т.е. вообще тут альтернативы не стоит лететь на химии или лететь как-то ещё. Есть только альтернатива или лететь не на химии или вообще не лететь. 

[Кремальера]

Для пилотируемого полёта в одну сторону даже 1 год - это очень много.

Если мы летим в 1,3 раза быстрее Гомана,-т.е на пределе того что позволяют нам тех.характеристики доп.бункеровк спейсовского Starship-а-изыскателя внешних планет(пока тоже кстати гипотетического).,то до системы Сатурна можно добраться за 3 года и 7 месяцев.Долго?Как сказать,много это или мало.У NASA уже четыре года есть эксперементальная программа на МКС по сверх-долгому пребыванию человека в космосе,которая более-менее успешно саботируется Роскос-сом путем не предоставления нужной квоты мест на Союзе.Видимо боятся побития рекорда Полякова.Но теперь,думаю дело пойдет веселее.Мерикане целятся на два года.Причем безо всякой искусственной гравитации.Если получится так,на сухую,значит и с вращающимися радиальными отсеками(на том же Старшипе) всяко проще будет,и можно будет замахиваться сначала на пятилетку(облет Джупа),а потом кто знает...