Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[sharp]

Дискуссии вроде недавней в теме SpaceX Навели меня на мысль о том, что на форуме определенно не хватает общей темы по двигателям для межпланетных перелетов, а так же по связанным с двигателями схемам и стратегиям перелетов. Про межзвездные тема есть, а про более реальные и близкие межпланетные полеты почему-то нет
Чтобы исправить, создаю эту тему.

Оговорюсь сразу, что под межпланетным транспортом подразумеваются либо пилотируемые миссии, либо миссии с полезной нагрузкой как минимум в десятки тонн. Основные возможные цели - Марс, крупные астероиды, спутники Юпитера и Сатурна.

Назначение этих миссий в данной теме не обсуждаем: эта тема о космических кораблях. О том, на чем и как они должны летать.

[sharp]

Небольшой обзор по существующим и перспективным типам двигателей (преимущества, недостатки, пригодность к тем или иным задачам).

Химические двигатели.



Единственные серийно выпускаемые и применяемые космические двигатели на сегодняшний день. Бессмертное детище сумрачных гениев.

Достоинства:
1. Высокая тяга, позволяющая как стартовать с планет, так и совершать межорбитальные маневры.
2. Легкость получения топлива
3. Конструкции двигателей и кораблей давно в промышленной эксплуатации и постоянно совершенствуются

Недостатки:
1. Невысокий удельный импульс (УИ).
2. Как следствие - практически достижимый бюджет delta-V полностью заправленных кораблей составляет немногим больше 10 км/с. Любая более-менее серьезная задача со значительной полезной нагрузкой выливается в крайне затратные схемы из многих пусков и дозаправок
3. Ну и, разумеется, массы запускаемых кораблей совершенно титанические и могут достигать тысяч тонн ради доставки пары тонн полезной нагрузки куда-нибудь на Европу.


Тепловые ЯРД.



Проекты вроде NERVA. Упрощенная схема работы заключается в нагреве рабочего тела до 2500-3000К ядерным реактором и последующим его истечением из сопла. При использовании водорода позволяет достичь УИ ~ 9000 м/с.

Достоинства:
1. Высокий, оптимальный для межпланетных полетов УИ. Он повышается в 2 раза по сравнению с водород-кислородными двигателями, и почти в 3 раза по сравнению с керосиновыми. Кому кажется, что это мало - освежите в памяти формулу Циолковского. Из нее следует, что вдвое больший УИ позволяет сократить массовое число на корень квадратный (скажем, было 100 на водород-кислородном движке, стало всего 10 на ЯРД).
2. Высокий КПД и отсутствие необходимости в больших радиаторах. Тепло преобразуется напрямую в кинетическую энергию и сразу же покидает корабль с рабочим телом.
3. Тяга ощутимо выше, чем у ЯЭРД. Разумеется, она не позволит взлетать с тел со значительной гравитацией, однако позволит совершать орбитальные маневры за сравнительно короткий промежуток времени, что в некоторых случаях немаловажно.

Недостатки:
1. Быстрый износ двигателя ввиду высоких температур, давлений, радиационного воздействия.
2. Повышенный радиационный фон.
3. Хранение водорода повышает сухую массу топливных баков, и в любом случае невозможно в течение длительного срока.
4. Невозможность применения в качестве взлетных двигателей при гравитации выше 0,01g (ориентировочно).

Первые три недостатка, возможно, могут быть пофиксены обширным R&D. Последний - лимитирует использование ЯРД как маршевого межорбитального, межпланетного двигателя.


ЯЭРД.



Ядерный электроракетный двигатель (так же именуемый ЯЭДУ - ядерная электродвигательная установка). Принцип ясен: вырабатываем электроэнергию на энергии ядерного реактора, используя газовую турбину или термоэмиссионный преобразователь. Электроэнергия питает ионный или плазменный двигатель.

Достоинства:
1. Еще более высокий УИ - от 20 до 200-300 км/с, что позволяет обходиться мизерными объемами рабочего тела.
2. Более безопасная и долговечная конструкция, в сравнении с ЯРД.
3. Технология в целом более проработанная чем ЯРД, поскольку действующие образцы небольшой массы запускались в прошлом (Космос-1867 с реактором и плазменным двигателям); действующие ионные и плазменные двигатели на нереакторных источниках энергии установлены на многих КА.

Недостатки:
1. Низкий КПД, что в свою очередь следствие нескольких факторов:
 - КПД электрогенерации выше 25% практически вряд ли достижим в космических условиях.
 - Ионник на низком удельном импульсе имеет невысокий КПД, поскольку ощутимый процент энергии уходит на ионизацию. Сильное повышение УИ при этом энергетически неоптимально, т.к. превышает в несколько раз желаемую скорость.
2. Низкая тяга (как следствие высокого УИ и низкого КПД). Быстрые маневры становятся невозможны, вместо этого требуется держать двигатель постоянно включенным в течение многих месяцев полета - сначала на разгон, затем на торможение.
3. Большой вес систем охлаждения. По сути до 80% тепловой энергии будет уходить в радиаторы, поэтому требуется большая площадь и вес как самих радиаторов, так и теплоносителя.
4. Инертные газы, применяемые как рабочее тело - сравнительно дефицитные и недешевые в получении.

[Грехов Михаил]

Удивляет постоянное возникновение тем о "космическом транспорте" в раделе форума, который должен рассматривать вопросы разума и возникновения жизни во Вселенной. Может все-таки начать всякие там фантазии по космолетам начать рассматривать как НФ фантастику, как и всякие там террраформирования? И идти с этим в другой форум? 

[sharp]

Удивляет постоянное возникновение тем о "космическом транспорте" в раделе форума, который должен рассматривать вопросы разума и возникновения жизни во Вселенной. Может все-таки начать всякие там фантазии по космолетам начать рассматривать как НФ фантастику, как и всякие там террраформирования? И идти с этим в другой форум? 

1. Эти темы соответствуют тематике раздела (я консультировался как-то с модераторами на этот счет), поскольку относятся к исследованию и освоению Вселенной. В данном случае - Солнечной Системы как ее части.
2. Рассматриваются реально существующие типы двигателей, относительно которых существуют планы так же и у космических агентств по созданию межпланетного транспорта. То есть в теме нет ни капли фантастики.

[cryon]

Выбираю силу лоренца как для межзвездных так и для межпланетных перелетов. Импульс газа от 10км/с до более чем 1000 км/с. И bfr на метане для вывода на орбиту.

[noxx77]

Небольшой обзор по существующим и перспективным типам двигателей (преимущества, недостатки, пригодность к тем или иным задачам).

4) Солнечный тепловой РД.
5) Солнечный ЭРД (СЭСУ+ЭРД)
6) Солнечный парус (световой, плазменный)
7) Двигатели с внешним подводом энергии
Неракетные схемы

[sharp]

Перенесу пока обсуждения из другой темы.

Никто никому не разрешит использовать ЯРД на вторых ступенях ракет, т.к. в случае аварии запущенный реактор с ОЯТ упадет на Землю в непредсказуемом месте. Поэтому все запуски реакторов в космосе только на орбите не менее 800-1000 км.

Наработка там за минуты работы будет настолько крохотной что говорить не о чем.
Причина в другом - не нужно. Куда проще дозаправка.

Ну и как вы себе представляете посадку многоразовой BFR, к которой на сотни метров нельзя подходить из-за радиации?
   
От ядерных двигателей и отказались ещё в шестидесятые, потому, что они чреваты крупными радиационными авариями.

Дозаправка, действительно, сильно проще. По поводу наработки за минуты у меня другое мнение после знакомства с тем, как  были организованы испытания ЯРД в Штатах. И ещё раз повторю - BFR  многоразовая ракета, в отличии от одноразовых верхних ступеней на Сатурне.

Ядерные двигатели на самом деле незаменимы для буксиров, рано или поздно придут или к ним, или к ионникам.

Цитата: anovikov от 25.09.2018 [14:14:24]

    Куда проще дозаправка.

На самом деле многопусковая заправка - это сильный геморрой, годится только как временное решение за неимением ЯРД или ЯЭРД.

Это решается достаточно вместительной орбитальной заправкой, куда топливо таскают одни, и используют другие. Вангую, что это будет очень крупным бизнесом.

Орбитальная заправка - это только еще больше геморроя, хранить жидкий кислород длительное время та еще задачка.
Крупным бизнесом скорее станет ниша межпланетных буксиров.

Не ядерные, а ЯЭРД, ионный или вакуумный двигатель, получающий энергию от ядерного реактора.

И, я думаю, через некоторое время придут к полёту "с пересадками" - с Земли взлетают на чем-то типа двухступенчатой BFR, на околоземной орбите пересаживаются на межпланетный транспорт с ЯЭРД, а спускаются и взлетают с Марса на полутораступенчатой многоразовой BFS, например.

Вполне вероятно, во всяком случае это было бы логично и эффективно. При этом межпланетный транспорт вполне может быть (как минимум, поначалу) переделанной BFS. Отдельный экземпляр для которого отказались от посадок на Землю, и заменили движки.
Но вообще это еще явно не скоро...

    Не ядерные, а ЯЭРД, ионный или вакуумный двигатель, получающий энергию от ядерного реактора.

Хорошо бы такие вещи обосновывать... ЯРД для внутрисистемного транспорта на самом деле обладает только двумя недостатками - большой радиационной опасностью и недолговечностью. В остальном он лучше ЯЭРД: значительно более высокая энерговооруженность, тяга, КПД, более энергетически оптимальный удельный импульс.

Решить две главные "болячки" ЯРД, и для дальних полетов тяжелых кораблей они станут вне конкуренции.

[sharp]

Насколько я помню (читал давно, т.ч. может что и изменилось) водород в качестве рабочего тела для ЯРД был выбран в том числе и потому, что только водород, проходя через реактор и оказываясь под мощным нейтронным облучением, не образует долгоживущих радиоактивных изотопов - т.е. водородный выхлоп ЯРД наиболее безопасен...

Также помнится, что встречалась где-то идея комбинированного - а-ля "двух-стадийного" ЯРД с огромным соплом, на границе которого, когда водородный выхлоп уже снижает плотность (и скорость истечения) до уровня обычного химического водородного движка - осуществляется впрыск кислорода для "дожигания" водорода с образованием дополнительной тяги в сопле "второго" контура двигателя, окружающего оконечность "первого" сопла (второе сопло выглядит в сечении уже как половинка от клиновоздушного движка)...
А топливо хранится в виде обычной воды (как именно вода разлагается перед использованием - уже не помню), что дает возможность "заправляться" на многих телах без необходимости сверхдлительных и энергоемких процессов генерации топлива (как это планируется делать через реакцию Сабатье)...

P.S. я тоже "за" ядерные или какие иные двигатели в качестве "маршевых" для межпланетки - т.е. как минимум "против" чисто химических для этих целей...

На самом деле преимуществ перед химией у ЯРД совсем нет - надо вчесть практически "одноразовый" реактор и стоимость разработки с экологическими платежами. Это только наш лидер (как это будет по немецки?) Готов испытывать ядерный прямоточник над собственной территорией.
   
На самом деле оптимальным для Марса вариантом является VASIMR. Недорогой, но достаточно "тяжёлый" в жидком виде аргон в качестве рабочего тела при оптимальном УИ, многоразовый реактор в качестве источника энергии дают возможность перелёта в два-три месяца в оптимальные сроки. Просто для такого пассажирского парома нужна орбитальная инфраструатура и на Земле, и на Марсе, а для начала регулярных полётов с такой ДУ - меньшая цена за доступ на орбиту.

    "Но классический ЯРД - одноразовый реактор, без вариантов"

Какая религия запретит сделать его многоразовым?

    Какая религия запретит сделать его многоразовым?

Материалов нет таких, чтобы выдерживали 4000°, нейтроны, водород, да ещё и много раз.

[sharp]

4) Солнечный тепловой РД.

Годится только для кораблей, проходящих вблизи Солнца, чтобы получить достаточную плотность энергии. В сочетании с эффектом Оберта можно разогнать КА до 200 км/с. Это скорее подходит для сверхдальних беспилотных миссий - например телескоп в гравитационную линзу Солнца (от 550 а.е.).

5) Солнечный ЭРД (СЭСУ+ЭРД)

Мощности маловато и падает она квадратично. Для программ типа "долететь до Марса за 3-4 месяца" не очень годится.

6) Солнечный парус (световой, плазменный)

Требует высокотехнологичных материалов для паруса, близкого сближения с Солнцем для солнечного паруса, либо гигантских мощностей излучателей для лазерного.

7) Двигатели с внешним подводом энергии

имеет смысл только если сможем преобразовывать энергию луча (скажем лазера) в электроэнергию с КПД процентов так 80.

Неракетные схемы

Ведро чтоли?))

[ziggyStardust]

3. Большой вес систем охлаждения. По сути до 80% тепловой энергии будет уходить в радиаторы, поэтому требуется большая площадь и вес как самих радиаторов, так и теплоносителя.

Охлаждение испарением - не вариант? А охлаждение накачкой темохимического лазера который ионизирует рабочее тело?

Ядерный электроракетный двигатель (так же именуемый ЯЭДУ - ядерная электродвигательная установка).

Почему рассматривается только он? Если цель только Марс почему не рассматривается установка ионный привод питаемый по лучу (например 2.5 GHz). Он стартует с Земли используя забртный воздух как рабочее тело и получаемую СВЧ энергию как источник. Разгоняется до первой космической в поле зрения луча, делает виток и снова захватив луч разгоняется до... 20 км/с. Второй разгон осуществляется уже за счет небольшого бака с РТ и большой энергией "падающей" с Земли. И направившись к Марсу он включает маленький реактор и ионник и сразу начинает понемногу тормозить - гасить те самые 20 км/с...

Объект массой 10 т. при 10 км/с имеет 500 ГДж кинетики. Поле из 1000x1000 магнетронов(неуникальных типовых составляющих) по 1 kW сообщит такую энергию за приблизительно 10 минут при ускорении ниже 3g и дав отлететь на ~2500 км. Вообще-то реалистично(это без поправок на К.П.Д.). Для 2-х подстанций так вообще.

имеет смысл только если сможем преобразовывать энергию луча (скажем лазера) в электроэнергию с КПД процентов так 80.

Лазер врядли... а вот СВЧ... ну если поднапрячься...

[viesis]

Лазер врядли... а вот СВЧ... ну если поднапрячься...

Дык там как бы еще все намного хуже...

[ziggyStardust]

Дык там как бы еще все намного хуже...

Почему?

[viesis]

Дык там как бы еще все намного хуже...

Почему?

Мне показалось, что вы немного в курсе практической стороны дела. Какие вообще существуют устройства, которые могли бы быть применены в качестве приемника и передатчика для передачи энергии в СВЧ, если отбросить всякий бред про ректены и т д?

[sharp]

Охлаждение испарением - не вариант?

Испарение это ведь тоже расход вещества, только с нулевым удельным импульсом Поэтому интегральный удельный импульс существенно понизится...

Почему рассматривается только он?

Рассматриваются те варианты, которые в том или ином виде прорабатываются космическими агентствами и корпорациями. Можно конечно говорить и о других, но в любом случае это более ближайшая перспектива, чем:

ионный привод питаемый по лучу

Что-то подобное возникнет уже когда межпланетные перелеты в "обычных" кораблях будут достаточно массовым делом, и будет смысл строить дорогую инфраструктуру излучателей.
Есть смысл поговорить о делах более ближних

[ziggyStardust]

Какие вообще существуют устройства, которые могли бы быть применены в качестве приемника и передатчика для передачи энергии в СВЧ, если отбросить всякий бред про ректены и т д?

В качестве передатчика обычная тарелка для спутникового ТВ на каждый магнетрон и обычный алюминиевый волновод. Азимут и возвышение для каждого сегмента считываются гироскопом из ардуино и управляются ЭВМ. Сбой или потеря одного "бойца" некритична для системы. Все обдувается ветерком. И питается от небольшой АЭС или большой ГЭС. Стоит это все безобразие на возвышенности(гора, холм).

На самом ионолете все много сложнее - намного меньше площадь и почти нет естественного охлаждения. СВЧ падает на титановую посеребренную 10 м параболу(не знаю честно какое там у нее альбедо для СВЧ) и по волноводу идет к резонаторной камере со штырем (или петлей) а от него на СВЧ выпрямитель. С трудом себе представляю СВЧ выпрямитель непрерывной гигаваттной мощности. Видимо арсенид галлия придется отложить. Возможно вакуумный диод с катодом нагреваемой самой СВЧ. Очень критичный узел. А дальше блок конденсаторов и уже все много проще. Запитываясь от постоянки вполне себе реально делать ВЧ блоки (а я за "импульсность" ионных драйвов - тягой в широких пределах можно управлять) с КПД до 90 %. Понятно это электрическая КПД а не КПД перехода энергии в однонаправленную кинетику молекул.

Поэтому интегральный удельный импульс существенно понизится...

Наскока?

Рассматриваются те варианты, которые в том или ином виде прорабатываются космическими агентствами и корпорациями.

Хорошо хоть Циолковский не шел таким путем...

Что-то подобное возникнет уже когда межпланетные перелеты в "обычных" кораблях будут достаточно массовым делом, и будет смысл строить дорогую инфраструктуру излучателей.

Да-да... Вслед на шлейфы улетающих ракет посмотреть... Им и ушедшим возможностям вслед...

[Андрей 2]

Спасибо за тему, сам подумывал об открытии её.

Перечитав ещё ( Уже наверное в сотый ) раз недостатки и преимущества ракетных двигателей разных типов из разных источников информации прихожу к одному выводу: в настоящее время и в ближайшие годы вполне возможна постройка корабля как одноразового  так и многоразового с силовой установкой комбинированного типа - вывод на орбиту на ЖРД и (или) на твердотопливных двигателях а между планетами на ЯРД , не забыв  отделить эти двигатели противорадиационными экранами от обитаемого отсека. Ну или продолжать использовать ЖРД который проверен временем и огромным количеством запусков, например создателей проекта BFR они нисколько не смущают. В том что касается его "хорошего аппетита" то здесь уместно вспомнить одну поговорку " хорошо кушает - значит хорошо работает".

[viesis]

В качестве передатчика обычная тарелка для спутникового ТВ на каждый магнетрон и обычный алюминиевый волновод.

В реальных устройствах не встречал такую схему фокусировки...

[noxx77]

Ведро чтоли?))

Не! Всякие рельсотроны) допустим, запулить с Луны на Марс)

[Андрей Астрофизический]

Хорошая тема.
От себя замечу такое соображение: т.к. межпланетный транспорт это по идее, безпосадочный агрегат, для которого открытый космос родная стихия. И пассажиры/грузы будут на него попадать путем пересадки на орбите с планетарных многоразовых транспортов типа той же BFR. Так вот, если межпланетный транспорт при этом сам будет одноразовым - это вообще никуда не годится, под каждый полет его заново делать и на орбиту выводить. Потому, все варианты движителей рассчитанные на одноразовость или по меньшей мере, короткий срок работы, следует отметать с порога как нереализуемые. Межпланетный транспорт обязан быть многоразовым и долговечным, пусть на планеты не садится, но от орбиты к орбите летает годами и десятилетиями.
ЯРД потому выглядит не очень... эпизодически-разовое применение может и возможно для каких то миссий с экстремальными требованиями, но в повсеместную практику скорее всего не войдет.
ЯЭРД выглядит заманчиво и скорее всего - будет. Когда на пути к применению атома в космосе будет поменьше заборов.

Имхо, зря обойден вниманием Солнечный ЭРД, на солнечных панелях вместо ядерного реактора. Невысокая мощность компенсируется сравнительной дешевизной и сравнительной же, простотой конструкции. По факту этот тип уже в космической технике применяется. И применяться будет наверное очень широко, там где скорость не принципиальна, а цена за килограмм доставленного груза критически важна. Т.е. межпланетные грузовики с минимальным экипажем или вовсе без оного, тянущие колонистам всякие вкусняшки.

Ну или продолжать использовать ЖРД который проверен временем и огромным количеством запусков, например создателей проекта BFR они нисколько не смущают. В том что касается его "хорошего аппетита" то здесь уместно вспомнить одну поговорку " хорошо кушает - значит хорошо работает".

Нет, явно нет. ЖРД так и будет использоваться для взлета с атмосферных планет с существенной гравитацией, в особенности с Земли, но для межпланетных нужд его на самом деле мало. Создатели BFR ограничиваются им лишь потому, что 1) пока это единственное что уже надежно отработано и может взлетать с Земли, 2) они не хотят тратить силы и время на разработку отдельно взлетного транспорта, и отдельно межпланетного. Во всяком случае, сейчас. Потом, когда появится нормальный межпланетный транспорт, BFR-BFS отойдет в нишу взлета с планеты, и там останется.

[дерево]

Проекты вроде NERVA. Упрощенная схема работы заключается в нагреве рабочего тела до 2500-3000К ядерным реактором и последующим его истечением из сопла. При использовании водорода позволяет достичь УИ ~ 9000 м/с.

Зачем на форум тащить эти выдумки? Средняя скорость молекул составляет \[V_{ср}=\sqrt{\frac{8\cdot R\cdot T}{\pi \cdot \mu }}\]
Соответственно при 2500...3000 К средняя скорость молекул (и немного атомов, при 3000К диссоциации водорода составляет ~10%) водорода составляет 5,2....5,9 км/с.

Более того, уже при 2500К около 1% водорода становиться очень активным атомарным, от которого нет защиты. В итоге предельный импульс теплового ЯРД лишь на 20% больше, чем у химического РД, а не

Высокий, оптимальный для межпланетных полетов УИ. Он повышается в 2 раза по сравнению с водород-кислородными двигателями, и почти в 3 раза по сравнению с керосиновыми.

Но при этом намного тяжелее сам двигатель, так как в нём должен быть высокотемпературный реактор и развитая поверхность теплообмена.