Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[AlexAV]

Но Шаттл (и соответственно Буран) были же способны совершать аэродинамические отскоки.

По отскокам тут довольно простая математика. Если аэродинамическое совершенство K при отскоке есть постоянная величина, то скорость после отскока будет связана со скоростью до отскока как

\[ V_1 = V_0exp(-\frac{\Delta \alpha}{K}) \]

\( V_1 \) - скорость после отскока, \( V_0 \) скорость до отскока,  \( \Delta \alpha \) - угол между начальным и конечным вектором скорости (в радианах), \( K \) - аэродинамическое совершенство. При аэродинамическом совершенстве на уровне ~1.3 при отскоке скорость будет падать почти в два раза. Отскочить так можно, но использовать такие скачки для существенного увеличения дальности полёта при начальной скорости ~7 км/с и меньше - нельзя.

Для того чтобы аэродинамические отскоки заметно увеличивали бы дальность полёта при начальной скорости меньше первой космической аэродинамическое совершенство совершенно точно должно быть существенно выше величины 1.3 - 1.5 и быть, скорее, никак не меньше 5. А аэродинамическое совершенство 5 и более в диапазоне скоростей 20 - 24 М - это аппарат с очень отточеной аэродинамикой,  сделать такой - задача очень нетривиальная, и аэродинамический профиль, который для него придётся делать - это совершенно точно не бочка с крылышками.

[AlexAV]

Но если скорость 6 км/с и ниже - расстояние резко сокращалось. То есть именно благодаря центробежной силе и удерживается аппарат, если же она уже значительно уступает гравитации Земли, то надолго такого полета не хватит, аппарат проседает в атмосферу, теряет скорость и запас хода очень быстро.

Тут можно даже сделать некоторые оценки. Положим полёт идёт на мало меняющейся высоте с постоянной величиной аэродинамического совершенства K и скоростью меньшей первой космической. Тогда для величины скорости аппарата можно записать уравнение:

\[ \frac{dV}{dt} = -\frac{g}{K}(1- \frac{V^2}{V_I^2}) \]

\( g \) - ускорение свободного падения, \( K \) - аэродинамическое совершенство,  \( V_I \) - первая космическая скорость.

Решение этого уравнения имеет вид:

\[ V(t) = V_I\frac{f(t)-1}{f(t)+1}, \]

где

\[ f(t) = \frac{1+V_0/V_I}{1-V_0/V_I}exp(-\frac{2gt}{KV_I}), \]

а максимальное время полёта, возможное в таком режиме:

\[ t_{max} = \frac{KV_I}{2g}ln(\frac{V_I+V_0}{V_I - V_0}), \]

здесь \( V_0 \) - начальная скорость.

[николай теллалов]

что-то долго мы задержались на ВНУТРЕПЛАНЕТНОМ транспорте

[alex_semenov]

Но Шаттл (и соответственно Буран) были же способны совершать аэродинамические отскоки.

По отскокам тут довольно простая математика. Если аэродинамическое совершенство K при отскоке есть постоянная величина, то скорость после отскока будет связана со скоростью до отскока как



- скорость после отскока, скорость до отскока,  - угол между начальным и конечным вектором скорости (в радианах), - аэродинамическое совершенство. При аэродинамическом совершенстве на уровне ~1.3 при отскоке скорость будет падать почти в два раза. Отскочить так можно, но использовать такие скачки для существенного увеличения дальности полёта при начальной скорости ~7 км/с и меньше - нельзя.

Для того чтобы аэродинамические отскоки заметно увеличивали бы дальность полёта при начальной скорости меньше первой космической аэродинамическое совершенство совершенно точно должно быть существенно выше величины 1.3 - 1.5 и быть, скорее, никак не меньше 5. А аэродинамическое совершенство 5 и более в диапазоне скоростей 20 - 24 М - это аппарат с очень отточеной аэродинамикой,  сделать такой - задача очень нетривиальная, и аэродинамический профиль, который для него придётся делать - это совершенно точно не бочка с крылышками.

Ну это осталось только украсить красивой иллюстрацией.... Благо у меня есть (хотели вы песен? их есть у меня!!!)...



У бомбера Зенгера с аэродинамическим качеством все было хорошо... А вот с характеристической скоростью... Кто-то из наших академиков (не помню кто) уже посчитал после войны, что не получалось бы у Зенгера как он хотел именно по скорости (проект Зенгера внимательно изучали в 50-х и в США и у нас, и очень серьезно к нему относились) и модернизировал схему прямоточными двигателями (надеясь получить таки нужную скорость для первого скачка. Есть подозрение что "Буря" Лавочкина родилась из этих всех оценок).
Как не верти, а от этого вот...



убежать не получится...

что-то долго мы задержались на ВНУТРЕПЛАНЕТНОМ транспорте

Вы не понимаете, насколько ключевой момент во всех планах Маска мы тут затронули!
Маск построил план, шаг за шагом, ПЛАВНО (зарабатывая на каждом шаге бабки для следующего шага, в идеале, конечно) добраться до Марса...
Но если на этом шаге (перелеты Земля-Земля) с бабками будет труба....

Вообще говоря, две ступени, одна - не суть. Если обе ступени - многоразовые, то какая разница?
Топливо? Топливо в стоимости ракеты, где-то недавно же видел... 0,XXX..% (не помню точную цифру) от стоимости самой ракеты.
Поэтому если бы ему реально удалось снизить обслуживание своего монстра до "самолетной" частоты, стоимости и качества, безопасности....
Хотя...
А сколько в стоимости билета (скажем из Лондона в Сидней) составляет топливо сейчас?

Но как по мне. Главная проблема в том, что НЕ НУЖНО это человечеству.
Нет ЭМЕРДЖЕНТНОСТИ в этом.
Перелет за пол часа на другой конец мира  -НЕНУЖНАЯ услуга. Симулякр. Для дурака-потребителя может и конфетка. Но для ЦИВИЛИЗАЦИИ это бессмысленная разработка.
Я вам даже более неприятную вещь скажу.
Полет на Марс? "Гомно-вопрос!" База? Колония? Да два пальцао об асфальт!
Если бы эмерджентность вопроса для ЦИВИЛИЗАЦИИ сравнялась с эмерджентностью доставки боеголовки на другую сторону Земли.
То есть стал бы вопрос ВОЕННЫМ.
Демилитаризация космоса в конец 60-х не зря совпал с концом взлета космонавтики. "Мирное освоение" - оксюморон, насмешка.
Величайший  тормоз нашей экспансии - договора по космосу в рамках разрядки и глобализации.
Большой такой, ручник....
Хоть режьте меня и банте за пропаганду милитаризма!
 

[николай теллалов]

Перелет за пол часа на другой конец мира  -НЕНУЖНАЯ услуга.

согласен, причем давно

[rep4]

Перелет за пол часа на другой конец мира  -НЕНУЖНАЯ услуга.

согласен, причем давно

А лифт по Вашему мнению нужная или ненужная вещь в многоэтажных зданиях?

[alex_semenov]

А лифт по Вашему мнению нужная или ненужная вещь в многоэтажных зданиях?

Рим в инсулах (до 7-и этажей!) обходился.
Лифты  массово появились (развились) с небоскребами. А небоскребы начали продвигаться в начале XX века, потому что литейных король (Карнеги, кажется?) начал испытывать проблемы со сбытом металла (до сих пор был бум железных дорог, но пик прошел и наметился спад  спроса в начале XX века, небоскребы потребовали так же  много металла как железные дороги и мосты). Первые небоскребы - первый заметный ПЭК-кризис... (великая депрессия). Выход из которой обеспечила только война. Мировая.
Были ли небоскреты симулякрами? От части. Симулякры (непонятно ценно это или нет для цивилизации в целом?) всегда есть. Но проблема в доле. Ладно 20% (это почти идеально). Роскошь, так сказать. Но когда у вас симулякры - более половины усилий цивилизации, это не экономика. Это болезнь, системный тупик, закат эпохи... А мы именно в таком мире и находимся. Некуда двигаться. Понимаете? Ладно бы было бы настоящее национальное соревнование. В том же космосе... Это лучший вариант. Худший - война. Тоже ПОЛЕЗНОЕ дело (с точки знерия цивилизации).
А, объединенному, глобальному миру осталось только потреБЛЯТЬ... самого себя. Поэтому я и говорю, что ВСЯКИЙ глобализм - хуже любой формы фашизма. А люди его проповедующие - РЕПТИЛОИДЫ. Нелюди. Их надо,  условно говоря, истреблять как носителей смертельно заразной болезни.  Поэтому термин "рептилоид" - расчеловечинвание противника. И видимо мы подошли к черте невозможности иначе. Это не люди. Это сверхлюди, сверхгуманисты, сверхжалетели, сверхцелователи негритянских ботинок и т.д. и т.п. (то есть крайность которая перетекает в свою полную противоположность). Почему и Ефремов и Стругацкие для меня великие, но ... идиоты. Они тоже рептилоидным панцирем поросли. Но не успели до конца, слава богу. А вот мы.... Мы  - поколение, достигшее цели. И мы должны хотя бы понимать КУДА же мы попали стараниями предков-гуманистов?

[AlexAV]

Тут можно даже сделать некоторые оценки.

Отсюда можно получить график минимального аэродинамическое совершенство при котором аппарат описанным выше способом способен долететь до любой точки Земли, т.е. обеспечить дальность полёта в 20 тыс. км (см. приложенный файл).

Для этого при начальной скорости 7.5 км/с K> 2.7
При 7 км/с - K > 4.1
При 6.5 км/c - K > 5.6
При 6 км/с - K > 7.3
При 5.5 км/с - K > 9.5
При 5 км/с - K > 12.3

В общем для того, чтобы сколько-нибудь заметно за счёт аэродинамических сил сократить требования к необходимой скорости по сравнению с чистой баллистикой - нужен гиперзвуковой планер с высоким аэродинамическим совершенством. Чтобы снизить хотя бы менее 7 км/с (не так уж на много, по сравнению с первой космической всего на 900 м/с)  - уже нужен планер с аэродинамическим совершенством не ниже 4, т.е. на много лучше планера Шаттла или Бурана (у них на гиперзвуке аэродинамическое совершенство было около 1.3).

[alex_semenov]

И тогда сразу же заходим сюда.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Аэродинамическое_качество
Тут есть табличка примеров аппаратов с разным аэродинамическим качеством.
Так палубный истребитель Грумэн Хэлкэт имел K=12,2.
Правда это на дозвуке все...

Спейс Шаттл на гиперзвуке K=1
Буран (на гиперзвуке) K=1,3 (и тут переплюнули на 30%!! Ай молодца!!!)
 

(кликните для показа/скрытия)

-Что это, Дима?
- А это и есть, Леня, тот самый нырок шаттла над  Москвой...
 

[николай теллалов]

А лифт по Вашему мнению нужная или ненужная вещь в многоэтажных зданиях?

жилые многоэтажки - вредная вещь

[AlexAV]

Ракетоплан может летать минимум в 40 раз быстрее обычного авиалайнера, поэтому он может экономически оправдать себя в теории.

Абсолютно нет. Сравнение с историей морских и воздушных перевозок через Атлантику тут некорректно. Время самого длинного авиаперелёта на много меньше, чем длительность перевозки пассажира через Атлантику морским транспортом. Самый длительный беспосадочный авиамаршрут в мире (Лондон - Сидней) занимает менее 20 часов, большинство же не превышает 14 часов. И это существенно. Для пассажира существует порог по времени движения транспорта ниже которого это время перестаёт быть для пассажира существенным критерием выбора вида транспорта.  Условно, если человек может добраться из начального в конечную точку маршрута за менее, чем 20 часов (то время в течение которого человек может без особого дискомфорта непрерывно бодрствовать), то время в пути для него вообще критерием выбора не будет. Цена билета - да, это будет очень важно, удобство транспорта к вокзалу или аэропорту - тоже да, а время движения по основному маршруту (пока, с учётом дополнительных расходов времени, общее время в пути будет оставаться внутри этих 20 часов) - как-то не особо.

Приведу пример. Возьмём такой город как Саратов. Большая часть пассажиропотока там идёт по направлению Москва- Саратов. Поезд на маршруте Москва-Саратов идёт около 16 часов, самолет летит около 1.5 часов (т.е. более, чем в 10 раз быстрее). И тем не менее количество людей предпочитающих медленный поезд там в 11 раз больше, чем самолёт (общий пассажиропоток на маршрутах дальнего следования через ж/д вокзал Саратова - 2.86 млн. чел в год, а аэропорт - только 0.26 млн. чел в год). Т.е. видно, что самолёт хотя и значительно быстрее на практике оказывается по сравнению с медленным поездом неконкурентоспособным, и даже то, что самолёт летает в 10 раз быстрее - тут как-то не очень помогает. Просто для пассажира практическая разница между 16 часами в пути и 1.5 с учётом дополнительных расходов времени оказывается не очень важна, а вот цена - существенна, и тут поезд попросту оказывается дешевле за счёт чего и выигрывает.

Причём разница в стоимости ж/д- и авиабилета там не так уж и высока. Авиабилет можно купить за 3700 руб, а купейный ж/д за 2500. Т.е., как мы видим, даже разницы в стоимости билета всего 1.5 раз делает более быстрый транспорт неконкурентоспособным по сравнению с более медленным. Даже такого различия достаточно, чтобы большинство пассажиров предпочло ехать 16 часов на поезде, чем лететь 1.5 часов на самолёте.

Время в пути для пассажира становится действительно важным, и он будет готов за него переплачивать, только в том случае если оно превосходит 20 - 24 часа. Вот тогда да, многие пассажиры выберет более быстрый транспорт даже в том случае, если он будет дороже. Если же время в пути меньше 14 - 16 часов - главным критерием для абсолютного большинства будет не время, а цена билета.

И тут проблема в том, что на Земле очень мало маршрутов, которые бы обычный дозвуковой самолёт преодолевал бы более, чем за 16 часов, а таких, которые бы потребовали бы более 20 часов в пути - нет совсем. А при меньшем времени абсолютное большинство пассажиров за скорость переплачивать не будет. Собственно в этом и состоит главная причина неуспеха сверхзвуковой пассажирской авиации. Ну а у ракетопланов (которые заведомо дороже даже сверхзвуковых самолётов хотя бы из-за своей крайней топливной неэффективности) - перспектив тут нет вообще никаких.

[rep4]

Приведу пример. Возьмём такой город как Саратов. Большая часть пассажиропотока там идёт по направлению Москва- Саратов. Поезд на маршруте Москва-Саратов идёт около 16 часов, самолет летит около 1.5 часов (т.е. более, чем в 10 раз быстрее). И тем не менее количество людей предпочитающих медленный поезд там в 11 раз больше, чем самолёт (общий пассажиропоток на маршрутах дальнего следования через ж/д вокзал Саратова - 2.86 млн. чел в год, а аэропорт - только 0.26 млн. чел в год). Т.е. видно, что самолёт хотя и значительно быстрее на практике оказывается по сравнению с медленным поездом неконкурентоспособным, и даже то, что самолёт летает в 10 раз быстрее - тут как-то не очень помогает. Просто для пассажира практическая разница между 16 часами в пути и 1.5 с учётом дополнительных расходов времени оказывается не очень важна, а вот цена - существенна, и тут поезд попросту оказывается дешевле за счёт чего и выигрывает.

Причём разница в стоимости ж/д- и авиабилета там не так уж и высока. Авиабилет можно купить за 3700 руб, а купейный ж/д за 2500. Т.е., как мы видим, даже разницы в стоимости билета всего 1.5 раз делает более быстрый транспорт неконкурентоспособным по сравнению с более медленным.

Наглядный пример. Спасибо. Однако тут есть нюанс, что Саратов является провинциальным городом и зарплаты там относительно небольшие, и поэтому 50% разница в стоимости билета может быть там так важна.

Ракетопланы планируется пускать между крупнейшими мегаполисами с высочайшим з/п. Поэтому может лучше взять транспортную ситуацию между какими-то крупными столичными мегаполисами в тысяче километров друг от друга?

Допустим Берлин и Париж расположены в 900 км друг от друга. Есть где-нибудь информация о том, что чаще летают или ездят на поездах между этими столицами?

P.S. Есть цифры по Питеру и Москве (600 км) 

https://www.dp.ru/a/2015/09/14/Sapsani_obgonjajut_samole/

Цитата
За 8 месяцев этого года железнодорожники перевезли на скоростных поездах между Петербургом и Москвой 2,603 млн человек. А авиаторы за то же время обслужили 2,538 млн человек, что на 13% выше уровня прошлого года.



Скоростные поезда замечу, а не обычные. Сравнение не совсем точное, как и факт что Питер не совсем столица.

[cybertron]

Поезд и самолет вдобавок несравнимы по комфорту.

По поезду можно походить, постоять в тамбуре, за окном что-то происходит. Можно и посидеть 16 часов ради экономии. А если дальнего следования - то часто можно и полежать

На самолете сидеть сжатым соседями со всех сторон и упираясь коленками в переднее кресло - удовольствие ниже среднего. А если это длится более 4 часов - это уже начинает смахивать на пытку.

И если за более быстрое перемещение надо будет доплатить 50% - это уже начинает выглядеть заманчиво.

[дерево]

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).

Образование О-, ОН- и  H- отбирает очень много ценной энергии на разрыв химических связей, от них нужно избавляться. Без диссоциации (и при неограниченной термической прочности материалов камеры сгорания) любая примесь будет уменьшать скорость, так как уменьшается средняя энергия молекул (пропорционально росту массы смеси) и температура T. Но с учётом диссоциации температура T уменьшается не! пропорционально энергии, а медленнее, так как кинетическая энергия водорода берётся от устранения диссоциации. В результате средняя скорость может немного возрасти с одновременным уменьшением термической нагрузки на камеру. Уже упоминал про это. Если кислород-водород оптимально 4:1 по массе, то с озон-водород вообще 3,5:1, обеспечивая УИ 5 км/с в вакууме.

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?

Стоит, а вот 0,1% или 5% УИ зависит от растворимости водорода в метане. Но давление и температура спрятаны в статье [В. Г. Фастовский и М. Г. Гоникберг, Acta URSS 12, 485(1940). Растворимость газов в жидкостях при низких температурах и высоких давлениях. III. Растворимость водорода в жидком метане.] которой нет в открытом доступе.

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?

Другая причинно-следственная связь. Двигатели первой ступени работают от земли при атмосферном давлении и имеют большие массы сверху, в результате у них давление должно быть много больше, чем у двигателей последней ступени. Также в двигателях 1ой ступене используется более дешёвый и плотный керосин/метан, а в последней более эффективный водород. В результате появляется корреляция между типом топлива и давлением.

На картинке не хватает точек с реальными аппаратами (включая области с меньшими скоростями), чтобы хорошо была видна принципиальная невозможность отскакивающих межконтинентальных без дополнительных двигателей и топлива на скоростях меньше 1й космической.

Время в пути для пассажира становится действительно важным, и он будет готов за него переплачивать, только в том случае если оно превосходит 20 - 24 часа. Вот тогда да, многие пассажиры выберет более быстрый транспорт даже в том случае, если он будет дороже. Если же время в пути меньше 14 - 16 часов - главным критерием для абсолютного большинства будет не время, а цена билета.

На поезде или корабле с диванами и коридорами, возможно сокращение меньше суток и не важно. А вот в самолёте, где только кресла, даже сокращение с 9 до 4 часов (всего лишь для 8000 км при переходе на сверхзвук 2М) очень важно, а с 20 часов (для 16000 км с пересадкой) до 8 часов (без пересадки) тем более. Даже повышение до скорости 3М имеет значение для перелётов более 10...15 тыс. км. Дальнейшее увлечение скорости, действительно не нужно.
Какой процент мест в самолётах составляет "бизнес-класс"? Вот они точно заплатят за такую составляющую комфорта, как уменьшение времени в неудобных условиях самолёта.

[BlackMokona]

Топливо? Топливо в стоимости ракеты, где-то недавно же видел... 0,XXX..% (не помню точную цифру) от стоимости самой ракеты.

Суммарная стоймость всех расходных материалов включая топливо, окислитель, гелий для надува и прочее 200 тысяч долларов для ракеты Фалькон-9. Согласно заявлению Маска..

[Инопланетянин]

Благо у меня есть (хотели вы песен? их есть у меня!!!)...

Тогда уж: "Вы хочите песен? Их есть у меня!!!"

Рим в инсулах (до 7-и этажей!) обходился.

В современных пятиэтажках он тоже экономически невыгоден. В девятиэтажках на пределе окупаемости. Тут чем больше этажей, тем лифт нужнее. И его стоимость незаметнее в общей стоимости.

[Проходящий Кот]

"Окупаемость лифта"  ---- это что за зверь? Когда он входит в стоимость дома и оплачивается покупателями квартир.

[AndrejM]

Окупаемость лифта"  ---- это что за зверь? Когда он входит в стоимость дома и оплачивается покупателями квартир.

Постоянно. Для вас это откровение почитаете успехи и стандарты хрущева.

Вот только чем нам поможет сравнение кораблей и самолётов в перелёте к
Луна Марс Плутон
?

[николай теллалов]

железнодорожники перевезли на скоростных поездах между Петербургом и Москвой 2,603 млн человек. А авиаторы за то же время обслужили 2,538 млн человек

а обычные поезда?

Допустим Берлин и Париж расположены в 900 км друг от друга

вообще-то - 1100 км
время поездки - от 6ч40мин до 13ч10мин ПОЕЗДОМ (судя по данным из сети, по этой дестинации предпочитают спальные вагоны ночных поездов)
время полета - 1ч50мин (это без времени добраться до аэропорта, а потом пройти все проверки, которые отнимают минимум 2 часа)
к тому же один поезд за раз перевозит минимум втрое больше пассажиров, чем самолет

и опять же - чего мы зациклились на транспорте одной планеты в теме про межпланетники?

[cybertron]

чего мы зациклились на транспорте одной планеты

Ну давайте попросим модераторов перенести несколько последних страниц в новую тему. Что-нибудь типа - проблемы транспорта