Освоение Марса

[AlexAV]

хехе, какая наивность
ну прикиньте прочность рыхлого кометного тела, а потом - размеры предела Роша
иль за вас Александр Семёнов считать всё будет?

Вообще-то прочность здесь совершенно не причем. Предел Роша определяет радиус, на котором приливные силы разрушат тело, удерживаемое исключительно силами самогравитацией и имеющее нулевую механическую прочность. А если наше тело обладает хоть какой-то механической прочностью, то оно может сохраниться даже ниже предела Роша.

Радиус предела Роша в радиусах планеты:




R_p – средняя плотность планеты, R_k – средняя плотность кометы.

Для Урана, наример, R_p = 1.27. Плотность кометного вещества R_k = 0.3. И получаем в результате радиус предела Роша в два радиуса планеты.

[AlexAV]

ну просто LOL
вы не правильно выбрали формулу
гравитация кометного тела пренебрежимо мала, это просто слипшиеся/смерзшиеся куски грязного льда
такое тело с удовольствием развалится от малейших ускорений

Не несите ахинею. Для того, чтобы разорвать тело приливным силам надо как минимум пересилить силы самогравитации, как бы малы они ни были. А это возможно только ниже предела Роша.

Ну а если силы механического сцепления частиц кометы много превышают силы самогравитации, то замечательно, значит комета может подойти к планете сильно ближе предела Роша и не развалиться.

[AlexAV]

но ваша формула была всё-таки неверна

Вообще-то приведенная вами формула отличается только коэффициентом.

Коэффициент 1,26 – для жёсткого недеформируемого тела, 2,45 – “жидкого” форма которого определяется мгновенной конфигурацией гравитационных полей.

Для тела, состоящего из множества механически несвязанных фрагментов, удерживаемых только силами самогравитации (типа комета Шумейкеров-Леви ), коэффициент 2,45 действительно более корректен.

Для более жёсткого тела, где между его частяму существует достаточно значительные механические связи и которое не будет деформироваться пока не разрушится, более корректен 1,26.

[AlexAV]

И так задаём параметры транспортируемой кометы.

Пусть её масса 10^18кг, требуемый ХС 1 км/с. Время для разгона 10 лет.

Тогда ускорение 3,17*10^-6 м/с2 (3,17 мкм/с2). Требуемая тяга 3,17 ТН. Теперь требуется оценить оптимальный УИ. В данном случае он будет отличаться от идеального ракетного двигателя, поскольку будут иметь место дополнительные безвозвратные потери на сублимацию льда. Если брать в качестве рабочего тела водяной лёд – то не такие уж и маленькие L = 2,8МДж/кг.

И так будем принимать, что рабочее тело – водяной лёд. Тогда КПД будет:



V – требуемый ХС, V₀ – скорость истечения.

Зависимость КПД от скорости истечения при значениях ХС 100 м/с, 500 м/с, 1000 м/с представлена на рисунке.



Ну и зависимость удельных затрат энергии в расчёте на килограмм доставленного груза:




Видно, что в интересующем нас диапазоне ХС, оптимальный УИ составляет 2 – 4 км/с.
Так при ХС 1000 м/с удельные затраты энергии составят:

При УИ 500 м/с – 18,7 МДж/кг
При УИ 1000м/с - 5.7 МДж/кг
При УИ 2000м/с – 3,1 МДж/кг
При УИ 3000м/с – 2,9 МДж/кг
При УИ 4000м/с – 3,1 МДж/кг
При УИ 10000м/с – 5,5 МДж/кг
При УИ 50000м/с – 25,3 МДж/кг
При УИ 100000м/с –50,3 МДж/кг

Если при этом так же учитывать желательность уменьшения тепловых нагрузок, то оптимумом можно признать величину где-то 2000м/с (что соответствует температуре водяного пара около 1500К)



В принципе данное значение хорошо попадает в диапазон типичных параметров ТЯРД. Если принять эти параметры то получим:

Отношение конечной массы к начальной: 0.607
Расход массы: 1.6 млн.т/с
Тепловая мощность 7,6ПВт из них 4,4ПВт на сублимацию льда.

[AlexAV]

Необходимый аппендикс к нему - расчет потребной площади радиаторов для рассеивания паразитного тепла от работы такой мощи двигателей. ТЯРД - это Термоядерный или твердофазный ядерный(нервообразный)?

В данном случае твёрдофазный ядерный двигатель. Ну а поскольку охлаждение в нём осуществляется рабочим телом, то ответ на ваш вопрос о радиаторах – ноль.

[AlexAV]

Опять же 1 км\сек для сброса внутрь астероида не хватит - это из внутреннего Оорта только разве что. А фонтазии про "обойдемся мизерным толчком и могучий Юпитер направит" - это в пользу бедных. Пусть посчитатет ХС для перехода к Юпитеру сначала, коекакер.

Почему Юпитер. Уран/Нептун то же подходит.  Что касается оценить – оценил, 1км/с – это даже с хорошим запасом. Например, для троянца Нептуна типа 2001 QR322 при гравитационном манёвре у Урана около 0,7 км/с.

И это первый попавшейся, а если хорошо поискать (и подобрать правильную траекторию) можно намного меньше.

Поскольку УИ у Нервы на воде не выше 1000с ЕМНИП, то как то великоват двигатель для астероида.

Я зачем оценивал оптимальный УИ? Оптимальный по энергетике УИ лежит в диапазоне 200-300с. Больше 1000с и не требуется.

Отношение массы нервообразного двигателя несколько меньше 1, такто.

Возьмём для примера двигатель РД-0410.
Тяга 35,2 кН.
Масса (с радиационной защитой, которая нам в данном случае не нужна) – 2 т.

Отношение тяги к массе – 17,6 м/с2. Требуемое ускорение 3,17*10^-6 м/с2.  Запас на 7 порядков. Достаточно.

[AlexAV]

но технические трудности получаются великоваты
дело даже не в том, что я бы предпочёл поселиться в поясе Койпера, не сваливаясь обратно вместе с ресурсами в гравияму Солнца и Марса, дело в том, что идея всё-таки плоховата - при жизни падения крупной кометы на Марс мне не видать...    техника не позволяет пока что

Пока да, также как не позволяет построить колонию у астероида, или отправить межзвёздную экспидицию. Это задачи одного порядка сложности. Точнее даже нет не так... Терроформирование Марса - задача одного порядка сложности с постройкой колонии у астероида (но по удельным затратам намного дешевле последней), и намного проще межзвёздной экспедиции.

да и проблема сохранности кометы так и не решена

Да нет этой проблемы, нет вообще, но об этом позже.

вам на Марсе нужна летучка, а она при прогреве двигателем и при приближении к Солнцу слиняет

Вообще-то, “ценный компонент”, это аммиачный лёд (азотный лёд действительно довезти тяжеловато). А аммиак – компонент далеко не самый летучий, к тому же с высокой теплотой сублимации. Проблем с его чрезмерным испарением не будет. Но об этом опять позже.

[AlexAV]

уже в 20-30 АЕ от Солнца вы получите фонтаны азота, угара и пыли
это будет сильно мешать

Согласен, будет. Но с этим можно бороться. Достаточно построить вокруг нашей кометы даже простейшую оболочку из двух слоёв металла и проблему можно считать решённой.
Если принять отражающую способность материала оболочки 0.95, то тогда отношение падающего потока, к пропускаемому для такой оболочки будет 79, а значит даже на орбите марса тепловой поток от оболочки к комете будет около 6,8 Вт/м2. Таким потоком ничего взорвать нельзя, всего лишь будет идти медленная сублимация. Собственно оболочки могут быть достаточно тонким. Если взять толщину каждой оболочки 0,5мм, материал алюминий, а радиус оболочки 50 км, то её вес будет около 85 млн.т. По сравнению с силовой установкой – немного.

[AlexAV]

 

   теперь я вам скажу по секрету, что на каждую тонну алюминиевого фантика вы потратите порядка 100ГДж

Не спорю. И того 8,5*10^18Дж. На фоне затрат энергии на ускорение  (2*10^24Дж)– копейки, даже не заслуживающие упоминания.

[AlexAV]

только вот я сомневаюсь, что фантик комете поможет сохраниться
рассчёта на эту тему я ещё не видел

Оценка теплового потока за “фантиком” является достаточным аргументом.

а значит даже на орбите марса тепловой поток от оболочки к комете будет около 6,8 Вт/м2.

А с помощью 6.8 Вт/м2 произвести какие-то разрушения невозможно, ну если конечно закон сохранения энергии не отменили (медленная сублимация, которая способна испарить комету только за десятки тысяч лет не в счёт).

[AlexAV]

поглощение поверхностью кометы 8,5 Вт/м2, а не 6,8
что-то у вас цифры подозрительны

Цифра верна. Я беру двойной слой, а не одинарный. И 6,8 – это на орбите марса.

т.е. тепловой поток ещё не долетая до Марса возрастает в 10 раз
это вызовет повышение температуры c 40-45K до 80К
вот здесь ваша фольга рвётся фонтанами азота (температура кипения <75К)

Ну ахинею же несёте. Не может азот внезапно закипеть. У него есть теплота сублимации 6,311 кДж/моль. Ну и соответственно 6,8Вт/м2 хватит для испарения 1,08*10^-3 моль/с м2 = 28 мг/м2 с. Если этот газ будет расширяться в вакуум то струя может достичь скорости 340 м/с. Ну и в итоге такая струя может оказывать давление максимум 9,5 мПа. Думаю давление тетрадного листа больше. Что-то им разрушить – совершенно невероятно.

[AlexAV]

сожалею, но хоть тройной слой делайте, а будет 8,5 Вт/м2 на 2АЕ от Солнца по наступлению теплового равновесия

Ерунда. Падающиё поток, во-первых, будет отражаться от первой пластины, во-вторых, первая пластина будет сама нагреваться и излучать тепловое излучение. Половина этого излучения будет падать на вторую пластину и нагревать её, она в свою очередь будет отражать и излучать часть в направлении первой, а часть излучать в пространство за преградой.

Если аккуратно учесть все процессы отражения и излучения, то для термобарьера из двух пластин с коэффициентом поглощения излучения а (в данном случае а = 0,05). То связь между перпендикулярно падающим потоком излучения на первую пластину (WI) и потоком излучаемым второй пластиной за преграду (W2):



Солнечная постоянная на расстоянии 1,6 а.е. 534 Вт/м2. Подставляем и получаем - поток за преградой 6,8Вт/м2.

В принципе увеличивая колличетво слоёв барьера его можно сделать ещё меньше.

[AlexAV]

1)   землеподобные планеты и землеподобные спутники
2) тёплые пояса малых тел, вроде нашего пояса астероидов (ресурсы: мало летучки, энергия - звёздная)
3) "холодные" малые тела (ресурсы: много летучки, энергия - дейтерий) - пояс Койпера, облако Оорта, межзвёздные дрейфующие малые тела
4) гипотетические - возле чёрной дыры, эффективно перерабатывающей скармливаемую массу в энергию

Вариант 2 и 3 по сути одно и тоже. Вариант 4 – это даже не фантастика, а фэтнтези. Если вы  не согласны – предлагаю назвать хотя бы одну чёрную дыру в радиусе досягаемости межзвёздного перелёта (ну 100 световых лет максимум).

[AlexAV]

Разве это тонкий слой?
Самый простой способ покрытия астероида алюминием - метод напыления в вакууме. При этом образуется тонкая, всего лишь 1 мкм, серебристая светоотражающая плёнка.

Простое напыление на поверхность, скорее всего не подойдёт, всё же даже при таком малом потоке газы образовываться будут и им требуется куда-то уходить. Но 0,5 мм это конечно с большим запасом, можно раз в 10 меньше.

[AlexAV]

вам понятие теплового равновесия вообще знакомо? если у вас внешняя оболочка имеет альбедо 0,9, то сколько там слоёв не делай, температура кометы всё равно превысит температуру кипения азота, угара и возможно ещё чего-нибудь, что вы благополучно забыли учесть

Ага, установилось бы… через пару сотен тысяч лет, если бы лёд не сублимировал. Но в реальности это не так.

Предположим поток энергии в 6,8 Вт/м2 падает на поверхность метанового льда под вакуумом.
Тройная точка метана: T0=90.7 К, p0=11.7кПа.
Теплота сублимации метана: L=9,118 кДж/моль
Зависимость тепловой мощности, поглощаемой на единицу площади при испарении метанового льда под вакуумом от температуры:

где m -молекулярная масса.

Соответственно в этих условиях температура метанового льда не превысит 41К.

При 41К метановый лёд не взрывается.

[AlexAV]

Гм... То что вы вспомнили про энергию сублимации льда - это очень рзумно. Но я не думаю что следовало бы учитывать этот чисто ДВИГАТЕЛЬНЫЙ параметр при расчеты эффективности ракетного ДВИЖИТЕЛЯ. Тогда надо учитывать и эффективность, скажем сопла! И все прочие потери в двигателе как тепловой машине!

Конечно, но если рассматриваем тепловой ракетный двигатель, то испарение льда – неизбежный процесс при работе двигателя. И потери энергии в нём при малых скоростях истечения настолько велики, что ими просто нельзя пренебречь, они соизмеримы или даже начинают превышать затраты энергии на ускорение рабочего тела.

Вы не могли бы подробней разложить как получили это ваше выражение для КПД? Стыдно, но я несколько притормозил пытаясь понять как оно у вас получилось.

Точно также, как в приведённых вами рассуждениях, только расход энергии взят не так как у вас в соотношении (2), а



где L –теплота сублимации.

Если в моей формуле положите L =0, то она в точности совпадёт с вашей (4).

[AlexAV]

и вот здесь вас ждёт главный сюрприз - сублимировать он у вас будет чуть-чуть, но со взрывами, пылью и летящими осколками

С помошью давления 9,5 мПа ничего взорвать нельзя. Ну пыль, с учётом малой гравитации кометы может быть поднимит, только никакой проблемы пылинки, летящие со скоростью пару миллиметров в секунду не представляют.

Если вы не согласны, то назовите конкретный физический механизм и подтвердите его возможность численными оценками.

[AlexAV]

на том же Тритоне гейзер местной весной выбрасывает хлам на высоту 8км
при ускорении силы тяжести равной 0,78м/с2 получаем, что "дульная скорость" струи обломков будет составлять значительно более 100 м/с

Условия на тритоне и комете не совпадают.
a)   У тритона есть атмосфера, сублимация в этих условиях существенно медленнее, чем вакуум, что создаёт более благоприятные условия для перегрева.
b)   Для взрывов необходимы достаточно высокая механическая прочность породы и низкая газопроницаемость по сравнению со скоростью газовыделения. При рассматриваемой плотности мощности, учитывая  низкую плотность кометного вещества, эти условия не выполняются.
c)   Струи могут возникать, когда на поверхности имеется слой с низкой газопроницаемостью (опять же по отношению к скорости газовыделения). В при рассматриваемой плотности мощности и опять же учитывая, что комета состоит из рыхлого материала с плотностью 350 кг/м3 это опять же кажется предельно маловероятным.

[AlexAV]

не метан. метан при 75К будет твёрдый и не захочет испаряться

Ещё как испаряется, давление равновесных паров над ним при этой температуре 930 Па, что собственно говоря вполне заметная величина.

[AlexAV]

если будут градиенты теплопроводности, то это как раз чревато локальным перегревом, неравномерным расширением материала, и, как следствие – взрывами

Взрывы за счёт тепловых напряжений? Предлагаю вам попробовать взорвать комок снега (по механическим и теплофизическим свойствам он похож на вещество кометы) с помощью света стоваттной лампочки с расстояния 4 метра. 

Если же говорить о возможности аккумуляции энергии в результате возникновения потоков энергии за счёт градиента теплопроводности, то такой механизм способен аккумулировать энергию в лучшем случае в радиусе порядка толщины обеднённого газовыми льдами поверхностного чехла. Т.е. с площади порядка единиц квадратных метров. Ну, гейзер мощностью несколько десятков ватт (порядок мощности струи бытового вентилятора) это может быть и даст, но им опять же ничего разрушить нельзя.

Предлагаю вам предложить эффективный физический механизм аккумуляции энергии с площади порядка квадратного километра, в реальных условиях кометы при падающем потоке излучения в единицы ватт.