Как избавиться от лишней массы радиатора

[electric]

Сделать радиаторами баки с рабочим телом, а рабочее тело сделать одновременно охладителем

Хорошая идея, если я её правильно понял. Радиатор делается надувным, что уже было подсказано выше

надувные теплоотводы.

, но надувается он рабочим телом. В центре горячий теплообменник наружного контура реактора. Рабочее тело конденсируется на холодных стенках бака, а маломощный насос его оттуда отсасывает вгоняет в теплообменник. Может теплообменник разместить внизу (относительно направления тяги двигателей) бака, чтобы топливо само туда стекало и закипало там. В результате экономиться масса конструкции корабля, так как одна и та же масса тратиться и на бак и на радиатор, и нет дополнительного хладагента.

[Rattus]

Кто мне мешает это рабочее тело использовать ещё и для ускорения в ионном двигателе? Больцман? Нет, не Больцман. Это совершенно нормальная тепловая машина, но с управляемой утечкой из труб охлаждения.

Хех - по сути похоже на систему фон Брауна (на которой все этинаши химические РН строятся вообще).

[Крупин]

Кто мне мешает это рабочее тело использовать ещё и для ускорения в ионном двигателе? Больцман? Нет, не Больцман. Это совершенно нормальная тепловая машина, но с управляемой утечкой из труб охлаждения.

Хех - по сути похоже на систему фон Брауна (на которой все этинаши химические РН строятся вообще).

Ну так это просто ядерный реактивный двигатель. Реактор охлаждается выбрасываемым водородом, при этом скорость реактивной струи в несколько раз выше, чем в обычном реактивном двигателе.

[sharp]

FRIMAN выше абсолютно прав: чем выше УИ, тем меньше возможность использовать РТ как охладитель. По той простой причине, что расход р/т на единицу мощности падает. Поэтому и появляется необходимость в пассивном теплоотводе, то есть в радиаторе-излучателе, который сбрасывает тепло, не расходуя вещество.

[bob]

Ничего не выйдет. Площадь баков с топливом недостаточна для сброса тепла. Они быстро перегреются, об этом выше уже написали.

Это верно для электроплазменного двигателя. Поэтому он всё-таки отпадает. В частности и потому, что газ придётся хранить просто немного сжатым, а не сжиженным, что очень некомпактно и требует очень тяжёлых стенок бака. Несерьёзно получится. Поэтому возвращаемся к ионным двигателям с рабочим телом в виде металлических порошков. Постараюсь чуть позже набросать эскиз, чтобы не быть голословным.

по сути похоже на систему фон Брауна (на которой все эти наши химические РН строятся вообще).

Да, оппонирующие, видимо, забывают, что в традиционных ракетных движках тоже пристеночный слой горючки используется для охлаждения (а температура там намного выше, чем в реакторах любой схемы). Но, правда, аналогия очень далёкая.

FRIMAN выше абсолютно прав: чем выше УИ, тем меньше возможность использовать РТ как охладитель. По той простой причине, что расход р/т на единицу мощности падает. Поэтому и появляется необходимость в пассивном теплоотводе, то есть в радиаторе-излучателе, который сбрасывает тепло, не расходуя вещество.

Да. Но сейчас мы это успешно обойдём. В ионных движках высокий УИ достигается нетепловым путём.

[Крупин]

Цитата: sharp от Сегодня в 10:04:09
FRIMAN выше абсолютно прав: чем выше УИ, тем меньше возможность использовать РТ как охладитель. По той простой причине, что расход р/т на единицу мощности падает. Поэтому и появляется необходимость в пассивном теплоотводе, то есть в радиаторе-излучателе, который сбрасывает тепло, не расходуя вещество.
Да. Но сейчас мы это успешно обойдём. В ионных движках высокий УИ достигается нетепловым путём.

Второе начало термодинамики обойти пока не удалось никому.

[electric]

Да. Но сейчас мы это успешно обойдём. В ионных движках высокий УИ достигается нетепловым путём.

При нагреве рабочего тела от замороженного состояния до температуры, требуемой в контуре охлаждения реактора, удельная (по массе топлива) энергия будет на порядки ниже, чем затрачиваемая на разгон этого топлива (рабочего тела) в двигателе, которая примерно равна тепловой энергии реактора. Поэтому даже на 1% не получится уменьшить площадь радиаторов на межпланетных кораблях со скоростью истечения лишь 20 км/с.

[bob]

При нагреве рабочего тела от замороженного состояния до температуры, требуемой в контуре охлаждения реактора, удельная (по массе топлива) энергия будет на порядки ниже, чем затрачиваемая на разгон этого топлива (рабочего тела) в двигателе, которая примерно равна тепловой энергии реактора. Поэтому даже на 1% не получится уменьшить площадь радиаторов на межпланетных кораблях со скоростью истечения лишь 20 км/с.

Зато рабочее тело и баки могут быть конструкционным материалом радиатора.

Второе начало термодинамики обойти пока не удалось никому.

А оно здесь ни при чём. Никаким боком.

[Крупин]

Цитата: Крупин от Сегодня в 14:58:10
Второе начало термодинамики обойти пока не удалось никому.
А оно здесь ни при чём. Никаким боком.

Как это ни при чём? Ионник работает за счёт электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, являющимся нагревателем тепловой машины. Холодильником является радиатор. По теореме Карно к.п.д. тепловой машины равно (в лучшем случае) отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя. То тепло, что не превращается в электричество стекает к холодильнику, нагревая его.

В земных условиях холодильник сбрасывается в бесконечную ёмкость - земной шар и потому не перегревается. Но в космосе приходится это тепло излучать через вакуум во Вселенную. А вакуум - очень плохой проводник тепла. Вот в чём главнейшая проблема космического ядерного реактора.

[bob]

Как это ни при чём? Ионник работает за счёт электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, являющимся нагревателем тепловой машины. Холодильником является радиатор. По теореме Карно к.п.д. тепловой машины равно (в лучшем случае) отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя. То тепло, что не превращается в электричество стекает к холодильнику, нагревая его.
В земных условиях холодильник сбрасывается в бесконечную ёмкость - земной шар и потому не перегревается. Но в космосе приходится это тепло излучать через вакуум во Вселенную. А вакуум - очень плохой проводник тепла. Вот в чём главнейшая проблема космического ядерного реактора.

Верно. А теперь смотрите, что у меня вырисовывается. Итого, любой крупный радиатор состоит из активной части, состоящей из трубок с хладагентом. И пассивной части, где хладагента нет - просто излучающей поверхности сложной формы. Рабочим телом для ионного двигателя обычно является металлический порошок. Он выбрасывается на горячий катод, испаряется, ионизуется и вылетает через ускоряющие решётки анода. Бак представляет собою просто алюминиевую тонкостенную коробку с порошком. Делаем её весьма ажурной по форме, подводим к ней трубки с хладагентом от реактора и делаем из неё пассивный радиатор (трубки с хладагентом, местами, облегают коробку, но не проходят внутрь неё, чтобы с рабочим телом чего-нибудь не случилось). Схематически это показано на верхнем рисунке. Это, так сказать, типовой элемент замены (ТЭЗ), из которых набирается радиатор любого размера и формы по желанию. Можно снабдить каждый такой ТЭЗ и персональным ионным двигателем, как показано на рисунке.
Пример. Теперь представим себе, что реактор имеет ресурс 25 лет, а один ионный двигатель - 5 лет. Включаем сначала крайние движки, вырабатываем рабочее тело в крайних ТЭЗах. Движки крайних ТЭЗов за это время тоже умерли. Настаёт время отбросить эту ступень. Реактор, допустим, за это время тоже деградировал процентов на двадцать и такой большой радиатор ему уже не нужен. Отключаем крайние отработанные ТЭЗы от системы перекачки хладагента и производим их отделение от ракеты. Включаем следующие и т. д. На втором рисунке изображён момент отделения отработанных ТЭЗов и включения следующих.

P.S. Изящно? А Вы говорили - теплофизика с термодинамикой мне помешают. Хиловаты они, чтобы мне помешать.

[viesis]

Цитата: Крупин от Сегодня в 14:58:10
Второе начало термодинамики обойти пока не удалось никому.
А оно здесь ни при чём. Никаким боком.

Как это ни при чём? Ионник работает за счёт электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, являющимся нагревателем тепловой машины. Холодильником является радиатор. По теореме Карно к.п.д. тепловой машины равно (в лучшем случае) отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя. То тепло, что не превращается в электричество стекает к холодильнику, нагревая егo.

Тем не менее если анализировать свойства реальных тепловых машин, то становиться видно, что их характеристики зависят восновном от Т нагревателя, вернее сказать от Т , которую может использовать
данная тепловая машина.

[bob]

Тем не менее если анализировать свойства реальных тепловых машин, то становиться видно, что их характеристики зависят восновном от Т нагревателя, вернее сказать от Т , которую может использовать
данная тепловая машина.

Для тепловых машин - да. Но не для электрических нетепловых. Для них важен только общий объём энергии, запасённой в источнике, а не текущая температура источника. При этом их к.п.д. может достигать 98%. Ну, например, упала температура в реакторе, дохнет реактор. А ионный двигатель продолжает шпарить реактивную струю со скоростью до 40 км/с. Просто струя становится более разреженной, меньше массы отбрасывается в единицу времени с прежней высокой скоростью. Его УИ константен почти вне зависимости от подводимой мощности питания.

[bob]

Кстати, если в предложенной схеме жалко даже хладагента, можно перед отделением ТЭЗа пропустить через его трубки с хладагентом электрический разряд и открыть клапан. Пусть лишний хладагент тоже создаёт высокую тягу. И даже сам ТЭЗ можно не просто отделять, а, к примеру, отстреливать назад из рельсотрона или гауссовой пушки. Ну, если совсем жаба душит, и хочется, чтобы на тягу с высоким УИ пошло вообще всё, вся наличная доступная масса, и ни один эрг энергии реактора не пропал даром.
В результате мы получаем идеальную ионную ракету, в которой не только рабочее тело, но и хладагент, и даже все элементы конструкции (например, тот же радиатор) используются для создания тяги с высоким УИ. В сухом остатке от неё остаётся только холодный, полностью выжатый, реактор и полезная нагрузка. Задача решена.

[viesis]

Его УИ константен почти вне зависимости от подводимой мощности питания.

Например, для электромагнитного генератора подводимая мощность не может быть ниже, чем некоторая
предельная, необходимая для поддержания намагниченности сердечника.

[bob]

Его УИ константен почти вне зависимости от подводимой мощности питания.

Например, для электромагнитного генератора подводимая мощность не может быть ниже, чем некоторая
предельная, необходимая для поддержания намагниченности сердечника.

Для ионника этот предел - энергия ионизации частиц рабочего тела. Если на катод подать меньше, работа просто резко прекратится.

P.S. Я придумал эту машинку для установления рекордов скорости. Она отличается от практически применённых ионных АМС примерно как гоночный болид от "Жигулей". Дешёвым это решение не назовёшь. Но цель оправдывает средства. 

[Фантазер]

Насколько я понял,у человека очень простая идея:Превратить топливный бак в радиатор.В принципе неплохая.Но выигрыш получается только в массе баков,за счет их совмещения.Правда есть еще одна возможность,в упрощении конструкции радиатора.Он становится похожим на очень большой металлический шар,без всяких трубок с теплоносителем.Этакий раздутый тепловой насос.РТ разбрызгивается по центру и собирается по внутренней поверхности капиллярными силами,Стенка очень тонкая поэтому площадь радиатора может быть очень большой.Если предусмотреть возможность ремонта с внешней стороны,скажем путем высокотемпературного электролиза из расплавов солей,то может получиться весьма интересная вещь.Правда для звезд пожалуй не годится из-за повышенной эрозии на больших скоростях,но внутри СС ИМХО самое оно.Жаль посчитать не могу.

[bob]

Насколько я понял,у человека очень простая идея:Превратить топливный бак в радиатор.

Да. Только не топливный бак (топливо это всё-таки делящийся материал в реакторе). Превратить в радиатор баки с рабочим телом для ЭРД, чтобы не тащить на себе отдельно баки и отдельно радиатор. Ну и заодно сделать такой комбинированный пакет многоступенчатым, чтобы не тащить лишнее, вне зависимости от его назначения. Огромный радиатор фиксированного размера - это сущее проклятье для проектов космических кораблей с ядерной энергоустановкой.

P.S. Для примера приведу абсолютный апофеоз потерь на массу радиатора из проектов НАСА, на картинке. Там радиатор раз в десять больше корабля. В таких случаях теряется сам смысл применения ядерной энергоустановки.

[Крупин]

Как это ни при чём? Ионник работает за счёт электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, являющимся нагревателем тепловой машины. Холодильником является радиатор. По теореме Карно к.п.д. тепловой машины равно (в лучшем случае) отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя. То тепло, что не превращается в электричество стекает к холодильнику, нагревая его.
В земных условиях холодильник сбрасывается в бесконечную ёмкость - земной шар и потому не перегревается. Но в космосе приходится это тепло излучать через вакуум во Вселенную. А вакуум - очень плохой проводник тепла. Вот в чём главнейшая проблема космического ядерного реактора.

Верно. А теперь смотрите, что у меня вырисовывается. Итого, любой крупный радиатор состоит из активной части, состоящей из трубок с хладагентом. И пассивной части, где хладагента нет - просто излучающей поверхности сложной формы. Рабочим телом для ионного двигателя обычно является металлический порошок. Он выбрасывается на горячий катод, испаряется, ионизуется и вылетает через ускоряющие решётки анода. Бак представляет собою просто алюминиевую тонкостенную коробку с порошком. Делаем её весьма ажурной по форме, подводим к ней трубки с хладагентом от реактора и делаем из неё пассивный радиатор (трубки с хладагентом, местами, облегают коробку, но не проходят внутрь неё, чтобы с рабочим телом чего-нибудь не случилось). Схематически это показано на верхнем рисунке. Это, так сказать, типовой элемент замены (ТЭЗ), из которых набирается радиатор любого размера и формы по желанию. Можно снабдить каждый такой ТЭЗ и персональным ионным двигателем, как показано на рисунке.
Пример. Теперь представим себе, что реактор имеет ресурс 25 лет, а один ионный двигатель - 5 лет. Включаем сначала крайние движки, вырабатываем рабочее тело в крайних ТЭЗах. Движки крайних ТЭЗов за это время тоже умерли. Настаёт время отбросить эту ступень. Реактор, допустим, за это время тоже деградировал процентов на двадцать и такой большой радиатор ему уже не нужен. Отключаем крайние отработанные ТЭЗы от системы перекачки хладагента и производим их отделение от ракеты. Включаем следующие и т. д. На втором рисунке изображён момент отделения отработанных ТЭЗов и включения следующих.

P.S. Изящно? А Вы говорили - теплофизика с термодинамикой мне помешают. Хиловаты они, чтобы мне помешать.

Просто оребрением - ажурностью форм ничего не выиграешь. Оребрённое или гладкое тело одинаковых габаритов излучают одно и то же тепло. Увеличить теплоизлучение можно только увеличив габариты холодильника (сделав его скажем тонкоплёночным и широко раскинув эту плёнку, напимер, за сёт центробежности (подкрутив плёночный диск с системой "капиллярных" трубочек жидкого теплоносителя.

А так, в принципе, можно этот диск сделать из материала рабочего порошка. Просто отрезая понемногу края, перемалывать в порошок и пускать реактивной струёй.

Ну и другой путь - увеличить температуру радиатора. Придётся тогда задирать температуру реакторной зоны, использовать очень высокотемпературные элементы, охлаждающие жидкости. Ну и кпд несколько упадёт.

Впрочем для звездолёта, у которого уйма времени, можно просто снизить мощность реактора - он и прослужит очень-очень долго и проблем с теплоотводом станет поменьше.

[bob]

Вообще, форма радиаторов сегодня является компромиссом между желанием создать наиболее эффективную их форму с точки зрения излучения и возможностью удобно и просто их складывать под обтекатель ракеты-носителя и раскладывать после выведения на опорную орбиту. Поэтому в большинстве проектов радиаторы - это немного ребристые длинные плоскости, раскладывающиеся "гармошкой" как солнечные батареи.

ажурностью форм ничего не выиграешь. Оребрённое или гладкое тело одинаковых габаритов излучают одно и то же тепло. Увеличить теплоизлучение можно только увеличив габариты холодильника (сделав его скажем тонкоплёночным и широко раскинув эту плёнку

Конкретная форма бака-радиатора набирается из отдельных типовых элементов по желанию заказчика. Можно сделать вот такую...

[bob]

Короче, как в том анекдоте, "вчера был самый лучший день в моей жизни", я победил радиатора.   Он больше не будет лимитировать способности ядерных электроракет. Для межзвёздных полётов это, конечно, ещё слабовато, но, к примеру, для исследования внутреннего облака Оорта подходит идеально. Вот найдут девятую планету-Икс или ещё что-нибудь. Захотят миссию туда - а нечем. Современными зондами типа "Горизонтов", или даже современными ионными электроракетами типа "Хаябусы" туда лететь сотни лет. А тут можно хоть посадочную планетоходную миссию слёту запилить. Ну, четверть века придётся подождать, но не больше. И по внутренней части солнечной системы, к уранам-нептунам-кваварам всяким можно летать достаточно быстро, или увеличить массы полезной нагрузки на единицу энергии.