Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[MenFrame]

Просто опередили свое время.

Нет, это был просто выпендреж, который ни тогда ни сейчас не может стать коммерчески выгодным.

Сейчас разрабатывается несколько (или только один?) вариант лишенный многих недостатков Кондора.

Ага а Маск марс обещает заселить....Во времена повальных обещаний чего только не разрабатывается..

Но туризм растет. Туризмом по скайпу пока еще желающих маловато.

Только туристам уже совсем резона нет экономить 4 часа на сверхзвуке, за счет утроения стоимости билета.

[Инопланетянин]

Он сам хочет попасть и в Лондон и в Сидней.

А из чего этот он хочет в них попасть? И что должно было быть в пустом спойлере?

[rep4]

А то что конкорды так и не смогли стать массовым средством перевозки пассажиров вас не смущает? Там как раз заметно более щадящие нагрузки на материалы и технические узлы.

Три миллиона перевезенных пассажиров тянет на массовый транспорт.

По Конкордам же опять, повторяюсь, они не дают радикального выигрыша в скорости перемещения. В три раза быстрее обычных лайнеров. По аналогии можно вспомнить поршневые самолеты, которые могли летать в 2-3 раза быстрее паровозов и пароходов. Первый перелет через Атлантику длился 30 часов, а пароходы могли переплывать её за 4 дня. Выигрыш по времени был мизерный, а риск велик по причине ужасной ненадежности первых самолетов, и мало кто хотел лететь на самолете, плыли по прежнему на кораблях. Когда появились реактивные самолеты, ситуация радикально изменилась. Они могли летать в 10 раз быстрее пароходов и паровозов, и 1956 год стал первым годом когда через Атлантику по воздуху было перевезено больше людей чем по морю.

Ракетоплан может летать минимум в 40 раз быстрее обычного авиалайнера, поэтому он может экономически оправдать себя в теории. Но полагаю это все таки вопрос далекого будущего. Обычной авиации потребовалось примерно 50 лет после полета братьев Райт, чтобы потеснить морской транспорт в пассажирских перевозках. И 150 лет, если считать началом авиации первые полеты французов на воздушных шарах. И уровень развития поршневых самолетов, к примеру, в 1940 году не сравнить с уровнем развития ракетопланов сейчас. Если в 1940 году поршневые самолеты в СССР перевезли половину миллиона пассажиров, то ракетопланы сейчас могут похвастаться единичными полетами Х15, Спейс Шаттлов и SpaceShip.

Интересно, с чего это метро опаснее автобуса...

Повышенная уязвимость подземных сооружений, к пожарам, задымлению, думаю. И по первой ссылке метро идет по опасности между кораблями и велосипедами.

[николай теллалов]

Три миллиона перевезенных пассажиров тянет на массовый транспорт

это мировая статистика или только по одной стране?
за какой срок? а сколько миллионов (скорее миллиардов) за то же время перевезли другие виды транспорта?

[rep4]

Три миллиона перевезенных пассажиров тянет на массовый транспорт

это мировая статистика или только по одной стране?
за какой срок? а сколько миллионов (скорее миллиардов) за то же время перевезли другие виды транспорта?

По всему миру за 30 лет. Цифра более или менее приличная, к примеру в последнюю 30летку доминирования пассажирских пароходов, в США приплыли 4 миллиона иммигрантов.

[николай теллалов]

По всему миру за 30 лет

за это время остальные виды транспорта, в основном автомобильный и рельсовый, перевезли миллиарды
не тянет на массовость

в последнюю 30летку доминирования пассажирских пароходов, в США приплыли 4 миллиона иммигрантов

разве такое сравнение корректно? это же разные временные интервалы

[noxx77]

Эх! Молодежь... Я в молодости тоже хотел попасть и в Америку и в Сидней. Но не  так как теперь!

Не, ну а что, и Р-7 и УР-500  вполне как МБР разрабатывались. А тяжеляком Маска можно сразу всю Евразию накрыть... Возможно в этом и есть основная суть, а всё остальное - красивое прикрытие для инвесторов и энтузиастов.

[AndrejM]

а в плане межпланетного транспорта - какие сейчас есть потребности?

Надежность
Безопастность
Бюджетность

[николай теллалов]

а в плане межпланетного транспорта - какие сейчас есть потребности?

Надежность
Безопастность
Бюджетность

это перманентные
и даже не потребности, а технические требования к аппаратам, системам и комплексам запуска и обслуживания
а конкретные потребности - м?
запустить коммуникационные спутники (вкл подмена выработавших свой ресурс); доставить вахту на МКС (собственно чья ИМЕННО это потребность?)...
и пожалуй других просто нет...

[cybertron]

а конкретные потребности

Были попытки/проекты:

                       - организация добычи воды с астероидов (для организации заправки на орбите)
                       - доставка небольшого астероида на орбиту Земли
                       - Постройка орбитального отеля
                       - организация масштабной разведки астероидов на предмет выявления астероидов богатыми ценными металлам
                       - реалити ТВ шоу с отправкой экспедиции на Марс (печально известный Марс One)
                       - орбитальный буксир для подьема орбит спутников
                       - средство сьема спутников с орбиты для ремонта и замены

Научная потребность:

                      - доставка разной научной аппаратуры к разным планетам
                      - доставка образцов грунта с разных планет
                      - космические телескопы

есть договоренность:

                      - туристический облет Луны
                      - сьемки фильма на орбите

 Уже есть:

                      - доставка туристов на МКС

Основная характеристика которая превратит многи проекты в реальность - стоимость запуска на орбиту. 
Если снизится хотя бы до 100 долларов - очень многое изменится. Если будет ниже  - вообще хорошо.
Просто появится возможность собрать стартап - и опробовать свою идею в деле. Сейчас это нереально если у вас нет сотен миллионов. Возможно увидим применения о которых никто до сих пор не думал.

[николай теллалов]

попытки/проекты

ИМЕННО!
попытки/проекты

не потребности
не то, чего бы "широкая общественность" захотела и настояла получить

Основная характеристика которая превратит многи проекты в реальность - стоимость запуска на орбиту

касаемо отелей и турполетов - надо еще и клиентов набрать
много числом и очень платежеспособных
но таких явно не миллионы и даже не сотни тысяч, иначе бы одна предварительная продажа билетов профинансировала бы проект независимо от стоимости запусков
нет, не попадает это в рамки дефиниции "потребность"

[rep4]

ТЕМА НЕ МЕШАЕТ?

Ну а как Вы планируете развить межпланетный ракетный транспорт, без масштабных межконтинентальных полетов? Другие возможные современные применения ракетопланов для вывода спутников, туризма ещё более ограничены.

Самый экономически оправданный маршрут для межконтинентальных ракетопланов совсем не Сидней - Лондон, а скорее Лос-Анджелес - Шанхай. Все таки главнейшие технологические и экономические центры мира, и количество желающих для быстрого полета может найтись.

Расстояние по прямой через Южный Полюс между Калифорнией и Шанхаем получается в районе 10 тысяч км. Обычные самолеты летят через океан 12 часов.

Станут массовыми межконтинентальные полеты ракетопланов может и у массовых межпланетных полетов появится шанс.

[cybertron]

ИМЕННО!  - попытки/проекты

Ну а как вы хотите? Если несколько человек попытались что-то сделать - значит у них была такая потребность - или потому что они думали что у других есть такая потребность.
И пока это не станет реальностью - большинство людей и не будут знать что у них есть такая возможность - а значит и не будет потребности.

У скольких людей была потребность в общении через социальные сети - пока не появился Фейсбук и Одноклассники?

У скольких людей была потребность слетать на недельку на отдых к теплому морю в 18-м веке? Если путешествие занимало недели и месяцы?
А появились поезда и самолеты - и появилась потребность в путешествиях.

[AndrejM]

не потребности
не то, чего бы "широкая общественность" захотела и настояла получить

Широкая общественность - захотела настояла и получила
Персональные клетки с гарантированным питанием и времяпровождением в подключённом состоянии.
"Они делают из нас кактусы!" (С) Кин-Дза-Дза.
Если общественности не обьяснить то они и не поймут чего хотеть.
Так что проживание в многоквартирном небоскрёбе и в Марсианском/межзвёздном бункере не принципиально отличается.
Но если задуматься то альтернатива - бескрылые динозавры показали.
Задача транспорта доставить груз и тут трёх пунктов хватает
А вот убедить общественность быть этим грузом - задача тоже важная но из другого раздела.

[alex_semenov]

Небольшая моя находка (просто сел и посмотрел). Простая химическая формула говорит:

2H₂ +0₂ = 2H₂0
2*1*2 + 16*2 = 2*(1*2+16)

32/4 = 8 - отношение массы  кислорода к водороду.
1/9 - масса водорода
8/9 - масса кислорода

Но самое интересное в реальных ракетах на водороде, например:


Отношение массы кислорода к водороду на 2-й ступени 5,240
Отношение массы кислорода к водороду на 3-й ступени вообще 4,365 (чуть ли не двукратное превышение водорода над нормой 1/8 ).

У шаттла масса водорода 103 т, кислорода 616  т.
То есть отношение кислорода к водороду опять много меньше 8, и составляет 5,88 (почти 6)
То есть явный избыток водорода. И очень сильный.
Свойство водорода снижать молятрую массу выхлопа, видимо, явно ценней его энергетических "талантов".
Мы видим:



что молярная масса повышает скорость истечения так же, как повышение температуры (в корень из). И если у вас вместо молекул H₂0 (молярная масса 18) из сопла истекают помимо воды и "полуфабрикаты" О-, ОН- и  H-, то усредненная молярная масса выхлопа получается меньше (опять же надо учитывать долю каждого из компонентов). Но что еще интересно - это показатель адиабаты. В этой формуле он обозначен не гамма а k. Для идеальных газов он тем выше, чем меньше степеней свободы у молекулы газа. Лучше всего у идеального одноатомного газа 1.67, Хуже у двух - 1.4, совсем "плохой" у многоатомного (типа трехатомной молекулы воды) 1.33.  У смеси этот показатель где-то "между" (при этом с ростом температуры он стремится к 1). Но ясно что если у вас много одно и двухатомных молекул (свободных радикалов, возникающих от переизбытка водорода), то вы получаете и k для вашего двигателя получше.

Это все к тому, что разбавляя даже небольшим количеством водорода метан, мы можем получить заметное улучшение удельного импульса даже у очень примитивных двигателей.
То есть Маск в "Рапторе" (при всей красоте конструкции) СОВЕРШЕНСТВА не достиг.
Недоработочка...
Можно концепцию "прокачать"

[AndrejM]

Водород очень дорогое удовольствие. По этому его стараются всячески связать. Например углеродом.

[alex_semenov]

Водород очень дорогое удовольствие. По этому его стараются всячески связать. Например углеродом.

Вот именно.
При плотности 76 кг/м3, это очень неприятная "жидкость" (не говоря о 20 K температуры). И ладно бы мы запасали на борту его в НОРМАЛЬНОЙ пропорции 1/8 по массе.
Отношение плотности жидкого кислорода к плотности жидкого водорода 15. Но так как по массе его надо в 8 раз меньше, то это было бы терпимо (15/8 ~ 2 то есть объем бака водорода всего в два раза больше объема бака кислорода). Но мы то запасаеся на треть или в два раза большим количеством водорода (для разбавления). И это сильно ухудшает ситуацию с плотностью топлива+окислитель в целом. Так при отношении масс 5/1, получаем объем бака водорода в 3 раза больше чем объем бака кислорода. Конечно, в силу высокой плотности кислорода, это не так сильно снижает плотность "всей рабочей массы" как в случае ЯРД (где водород - рабочее тело без всякого разбавления), но все же.
В связи с этим и интересны трехкомпоненты. Особенно интересно вот что.
Керосин, как выше сказали это в пределе n(CH₂). Тогда формулу сгорания для керосина можно записать так

2n(CH₂) + 3nO₂ = 2nCO₂+ 2nH₂О

Вроде так? Пусть n=1, сходится левая и правая часть?

2СH₂ + 3O₂ = 2CO₂ +2H₂О

Вроде да. При n=100, тоже сходится...

200СH₂ + 300 O₂ = 200 CO₂ +200 H₂О

Самая противная для выхлопа молекула CO₂. Ее молярная масса 12+2*16= 44. И даже угарная верся (недомолекула углекислого газа) СО-  имеет молярную массу 28. То есть наличие углерода в топливе это не есть хорошо. Да, углерод отлично нанизывает на себе молекулы водорода, но в керосине за каждые два атома водорода мы расплачиваемся атомом углерода. И хотя атом углерода чисто ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ тоже дает при сгорании энергию (не является балластом), все же желательно иметь этих молекул поменьше. Лучший вариант - метан.

CH₄

Ничего более идеалього  и быть не может. И чисто умозрительно, по-идее, метан должен быть несколько лучшим ракетным топливом чем керосин. Небольшое энергетическое превосходство- почти не существенно.  Но  при сгорании метана тоже образуется и вода и углекислый газ:

СH₄+2O₂ = CO₂ +2H₂O

Но углекислоты по-идее в выхлопе образуется в два раза меньше чем при сгорании керосина. А именно углекислота и угарный газ  больше всего добавляет усредненную молярную массу к выхлопу (снижая удельный импульс при прочих равных).
Просто метан никогда не был интересен как топливо по сумме чисто эксплуатационных причин. Например, военным никогда и жидкий кислород (как мягкая но криогеника) не нравился. И они от него ушли сразу же как появилась возможность.  А с жидким криогенным горючим  для вояк совсем все плохо. А гражданских ракетчиков,  например NASA, сразу соблазнил чистый водород. Если уж возится с криогенным топливом, то уже с самым лучшим - водородом.
Мягкость криогенности метана рассмотрели не сразу.
Маск, можно сказать, поднял его на щит.
В связи с этим возникает вопрос. Мы знаем что разбавление керосина водородом в РД-701 давало очень хороший результат. Разбавлять метан, видимо, никто и не пробовал (ведь над метановыми двигателями стали работать только недавно, ну или на закате СССР, что и означает "недавно" в наше застойное время).  Так к чему приведет такое разбавление?
Возможны три варианта:
1 Будет еще лучший эффект чем в случае разбавления  керосина в РД-701. Это было бы идеально.
2 Будет такой же? Тоже неплохо
3 Или будет хуже?

И послений вопрос - тема для медитации. Тут только химические кинетики могут что-то подсказать, я думаю... Или опыт.
Весь вопрос - как влияет "лишний" водород в камере сгорания на сгорание углерода в углеводородном топливе? Возможно что именно избыток водорода и сдвигает цепочки реакций с углеродом в строну их "недообразования" что заметно снижает среднюю молярную массу и улучшает уи двигателя. Но если у метана углерода в два раза меньше, то и этот эффект будет проявятся при разбавлении тоже как-то слабее. Это предположение, почему для  метана вариант разбавления может быть не так хорош как для керосина.

[николай теллалов]

это сильно ухудшает ситуацию с плотностью топлива+окислитель в целом

идеал - вода
пусть и менее плотна жидкого кислорода, гораздо его покладистее

только бы придумать подходящий способ ее быстро разлагать перед подачей в камеру сгорания...

[alex_semenov]

идеал - вода
пусть и менее плотна жидкого кислорода, гораздо его покладистее
только бы придумать подходящий способ ее быстро разлагать перед подачей в камеру сгорания...

Так давно метод предложен.

Взрыволет Коула.
Как по скорости истечения, он не бог весть что... 11.5 км/с. Но как раз тот факт, что рабочее тело - вода, делает его супер-пупер концепцией. Особенно при полете к внешним планетам Солнечной системы. Там ему рабочего тела - хоть утопись!


Кстати. Посмотрел вот что.

4398 кг/с кислорода против 133 кг/с метана.  Это единственный источник где я быстро нашел соотношение метана и кислорода в проекте ITS. Но вполне себе надежный.
Итого. Соотношение масс кислород/метан  3.33.7. А в "школьной норме" (по формуле полного сгорания) 4. Метана подается явно чуть с избытком. А вот если этот избыток заменить водородом...
Нет?
 
Не стоит овчинка выделки?
Может у высокоэффективных (с давлением под 300 атм в камере сгорания) двигателей это и не стоит делать. А вот у "примитивных" двигателей (типа большой тупой ракеты) эффект может быть заметный. Тем более что (как я заметил) у водородных двигателей давление в камере сгорания куда ниже чем у угле-водородных. Интересно, почему?

[AlexAV]

Лучший вариант - метан.

Кстати, посмотрел в справочнике - нашёл вариант углеводорода ещё более энергоплотного чем метан. Не очень сильно, но более. И кстати, даже не криогенного (т.е. отсиживаемого при комнатной температуре при умеренном давление). Это химический родственник синтина - циклопропан, являющегося напряжённым циклом.

При реакции С3H6(циклопропан) + 4.5O2 = 3CO2 + 3H2O высвобождается энергия 10.53 МДж/кг, против 10.03 МДж/кг в реакции CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

Но, вообще, если из химии выжимать последние крохи имеет смысл обратить внимание на экзотику типа B2H6 + F2 (так как фторид бора - газ, то тут нет проблем с возникновением твёрдой фазы в потоке, как при использование гидридов щелочных и щелочноземельных металлов, плюс бор дешевле и доступнее лития и тем более бериллия). При реакции B2H6 + F2 высвобождается энергия 15.4 МДж/кг. Это больше, чем у пары H2 + O2, при этом пара диборан - фтор умеренно криогенное топливо с достаточно высокой плотностью, значительно выше, чем у пары H2 + O2 (плотность жидкого B2H6 447 кг/м3, F2 - 1516  кг/м3).

Недостаток пары B2H6 + F2 только один. И топливо и продукты его горения чрезвычайно ядовиты. Из-за чего оно собственно в практику и не пошло. Но в принципе на этой паре можно получить УИ даже выше, чем на паре водород - кислород.

P.S. Хороший онлайн-справочник по веществам (где есть и термодинамические данные для расчёта энергетики различных топливных пар) - http://chemister.ru/Database/list-substances.php?substance=&substance2= , рекомендую.