Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[Dem]

С метаном в ТфЯРД есть другая проблема. Если водород при высоких температурах "ест" карбиды, то метан, наоборот, разлагается на сажу и водород и вызывает оседание этой сажи внутри реактора ТфЯРД. Пока непонятно как это решать.

В обычных движках метан сажу не генерит а наоборот жрёт. Видать слабо температуре оторвать все четыра водорода.

[Андрей Курилов]

С метаном в ТфЯРД есть другая проблема. Если водород при высоких температурах "ест" карбиды, то метан, наоборот, разлагается на сажу и водород и вызывает оседание этой сажи внутри реактора ТфЯРД. Пока непонятно как это решать.

В обычных движках метан сажу не генерит а наоборот жрёт. Видать слабо температуре оторвать все четыра водорода.

в обычных движках сажу ест кислород
в ТфЯРД кислорода нет

[sharp]

но конечная скорость для метанового способа может быть даже выше

Есть конкретные прикидки в цифрах?

[Андрей Курилов]

но конечная скорость для метанового способа может быть даже выше

Есть конкретные прикидки в цифрах?

пожалуйста
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1LuVaL3SbQ6FrF1AeMYPI_yXazFAubZCGliONIFG5wMQ/edit?usp=sharing
бак сфера радиусом 10 м с плотностью стенки 10 кг на кв. м.
УИ водорода - оптимистично, УИ метана - пессимистично
всё равно метан делает дельта-ве на 500 м/с больше в итоге
я немного поиграл с долей инертной массы и получил - что чем она больше, тем хуже для водорода
если стенку бака делать предельно лёгкой (менее 9 кг на кв. м.), то водород становится выгоднее
но тут ещё не учтены собственно ПН (бак не может быть всей ПН) и двигатели и прочеепоэтому при сколько-нибудь реалистичных схемах метан будет выгоднее

[sharp]

всё равно метан делает дельта-ве на 500 м/с больше в итоге

Так у вас метана в 10 раз больше по массе. Понятно, что "делает" на пару процентов
Итого, заюзав в 10 раз больше массы рабочего тела, вы получили в пару процентов выигрыш в дельта-ве, по сравнению с водородом.
Сложно более наглядно проиллюстрировать преимущество водорода над другими газами в тфярд.

Если бы тот или иной газ мог возникать на орбите бесплатно, по мановению волшебной палочки, то такой подсчет, вероятно, имел бы смысл. Но, увы, эту массу придется выводить на орбиту, выводить на обычных хим.движках, и платить при этом именно за выводимую массу.

[Андрей Курилов]

Если бы тот или иной газ мог возникать на орбите бесплатно, по мановению волшебной палочки, то такой подсчет, вероятно, имел бы смысл. Но, увы, эту массу придется выводить на орбиту, выводить на обычных хим.движках, и платить при этом именно за выводимую массу.

Значит мы говорим о разных вещах, т.к. я не рассматривал вариант запуска межпланетного транспорта с Земли. Ну максимум до Луны. По остальной СС лучше летать с Луны, спутников Марса, астероидов и тп

[sharp]

Значит мы говорим о разных вещах, т.к. я не рассматривал вариант запуска межпланетного транспорта с Земли. Ну максимум до Луны. По остальной СС лучше летать с Луны, спутников Марса, астероидов и тп

Мне кажется, при старте откуда угодно вопрос начальной и конечной масс всего корабля будет иметь вполне ключевое значение.

[Андрей Курилов]

Значит мы говорим о разных вещах, т.к. я не рассматривал вариант запуска межпланетного транспорта с Земли. Ну максимум до Луны. По остальной СС лучше летать с Луны, спутников Марса, астероидов и тп

Мне кажется, при старте откуда угодно вопрос начальной и конечной масс всего корабля будет иметь вполне ключевое значение.

В чем сакральный смысл экономии массы рабочего тела? Особенно в условиях пониженной гравитации (при старте с Луны или астероида).
Конструкция баков более простая и компактная.

[crazy_terraformer]

На Луне критичен ресурс углерода и его соединений. Воду можно разбазаривать, если планируется её эквивалент вернуть, если нет, то в конце концов возникнет её дефицит. Чего полно — это кислорода в составе местных силикатов. Можно металлы в качестве рабочего тела для ионных двигателей использовать(Na, K, Ca)

[Андрей Курилов]

Хорошо, я согласен что для метана будет лишь своя ниша, когда метана нам не жалко и когда массовое число ещё недостаточно велико, чтобы у водорода было преимущество.

[gans2]

аммиака УИ становится мало отличим от химического

А не надо выбрасывать аммиак. Надо выбрасывать водород после предварительного разделения аммиака нагревом и через мембрану. А азотом наддувать аммиачный бак.
В отличие от метана разделение аммиака дает два газа, а не газ и сажу.

[alex_semenov]

аммиака УИ становится мало отличим от химического

А не надо выбрасывать аммиак. Надо выбрасывать водород после предварительного разделения аммиака нагревом и через мембрану. А азотом наддувать аммиачный бак.
В отличие от метана разделение аммиака дает два газа, а не газ и сажу.

Водород плюс ЯРД чем плох?
Добыть такое "идеальное рабочее тело" можно (если не черпать из атмосферы планет-гигантов, что энергетически бессмысленно, если это не термоядерное горючее) из воды в "зоне льда" или на Марсе. То есть разложением воды на кислород и водород. Но это значит, что кислород надо "выкинуть"?
Если вы разложили воду на кислород и водород (затратив энергию один раз) то проще уже сжечь его в водородном ЖРД (вернув вложенную на разложение энергию, а не тратить дополнительную в ЯРД).
4.5 км/с для водород-кислородного ЖРД это половина от предела для ЯРД с твердым ядром - 9 км/с.
Такой ВЫСОКИЙ прирост скорости интересен только при старте из гравямы Земли.
Вспоминаем. Энергетически эффективная ракета такая, у которой суммарное приращение скорости примерно равно скорости истечения. При старте с Земли нужно получить 9.4 км/с. То есть ЯРД с твердым ядром на водороде идеален при старте с Земли. Хотя и половина от этого (водородно-кислородные 4.5 км/с) тоже все еще в "границах оптимальности". В принципе даже 3.5км/с метан+кислород или керосин-кислород для выхода на орбиту Земли из гравямы все еще энергетически разумно.
По-сути пока массовое число ракеты остается разумным (до 10) - можно говорить и об энергетической разумности.
При этом массовое число меньше 3-2 тоже уже не оптимально. Значит скорость истечения избыточна.У вас перерасход энергии.
И смотрителе.
Для старта с Марса, выхода из его гравямы нужно ~ 5 км/с. То есть ЯРД с твердрым ядром уже здесь избыточно с его 9 км/с. Явный перерасход энергии! Водород+кислород идеален для Марса. Отлично метан+кислород.
Ну а если вам нужно приращение скорости всего 2-3 км/с? Скажем, для перелетов в поясе астероидов?
Тогда вам из химии предел мечтаний метан+кислород.
Или брутальная... паровая ЯРД с разогревом в реакторе воды и выбросам пара на скорости всего в 2-3 км/с.
О чем по-сути и говорил этот странный человек...
http://www.neofuel.com/inhabit/inhabit.htm



Для пояса астероидов такой примитивный подход вполне может оказаться наилучшим, оптимальным. Не только энергетически но и технически. Если вдруг выяснится что водяной лед в поясе астероидов - вещь распространенная (есть почти всюду).
И уж точно где это сработает - система Сатурна.



Тут вообще без вопросов...
Гонка за максимизацией удельныого импульса - ДУРНОЕ ЗАНЯТИЕ.
Инерция мышления.
Да, есть случаи когда это имеет смысл. Но это далеко не все случаи.
Как не парадоксально, на находясь на дне гравитационной ямы Земли мы постоянно сокрушаемся о том, что химическая скорость истечения 4-3 км/с - слишком маленькая для ухода от Земли (11.2 км/с). Но Земля - уникальная гравитационная яма. Большинство тел в космосе требуют куда меньшего дельтва-вэ и тут выясняется что химическая скорость истечения почти идеальна для большинства менее массивных тел (астероидов, лун) Солнечной системы.
И даже ЯРД можно использовать в достаточно "холодном" (паровом) режиме.
Что как бы говорит: природа коварна, но не злонамерена.

[AlexAV]

То есть разложением воды на кислород и водород. Но это значит, что кислород надо "выкинуть"?

На Марсе, вероятно, есть способ получать водород проще и менее энергозатратно, чем электролизом. На Марсе в породах поверхности очень много железосодержащего оливина, а при высокой температуре железосодержащий оливин может восстанавливать водород воды:

3/2Fe2SiO4 + H2O = Fe3O4 + 3/2SiO2 + H2

Или смесь воды и углекислого газа в метан

6Fe2SiO4 + 2H2O + CO2 = 4Fe3O4 + 6SiO2 + CH4

Последняя реакция, кстати, является основным источником абиогенного метана, возникающего в геологических процессах на Земле.   

[sharp]

Для старта с Марса, выхода из его гравямы нужно ~ 5 км/с. То есть ЯРД с твердрым ядром уже здесь избыточно с его 9 км/с. Явный перерасход энергии! Водород+кислород идеален для Марса. Отлично метан+кислород.

Именно для старта с Марса, разумеется, нужна химия. Ядерный движок банально не потянет, за высокий УИ он расплачивается сниженной тягой.
Ядерный движок - это движок для запуска в космосе, для перехода с низкой околопланетной орбиты на трансферную траекторию, и для торможения у цели.

Гонка за максимизацией удельныого импульса - ДУРНОЕ ЗАНЯТИЕ.

Максимизация УИ - это, скорее, про ионники. ЯРД выглядит скорее, как оптимизация, как разумный компромисс.
Всё, конечно, зависит от того, куда и с какой скоростью вы собрались лететь, какие закладываете сроки перелета. Навскидку есть сразу несколько задач, для которых ЯРД лучше всего: быстрые перелеты к Марсу (около 2-3 месяцев в один конец), посадка АМС на безатмосферные спутники планет-гигантов, посадка АМС на Меркурий. Для всего этого требуется значительный запас дельта-ве (что потребовало бы титанических конструкций баков для ЖРД), и как минимум на определённых этапах нужна хоть сколько-нибудь существенная тяга - чего нет у ионников.

[SpaceEngineer]

Ну а если вам нужно приращение скорости всего 2-3 км/с? Скажем, для перелетов в поясе астероидов?

Суровые астероидяне настолько суровы, что готовы потратить десятилетие на перелет Церера-Паллада?

[Андрей Курилов]

Водород плюс ЯРД чем плох?

Трудностью хранения водорода

Да, есть случаи когда это имеет смысл. Но это далеко не все случаи.

Тема про межпланетный транспорт. Выходит, универсального межпланетного привода нет.
Во внутренней части СС можно пользовать вообще солнечные коллекторы для нагрева рабочего тела. Даже актиноиды тратить не надо.
В случае с кометами есть шанс, что там есть молекулярный кислород. Тогда, опять же, незачем тратить драгоценные актиноиды и можно летать на жидком метане+кислороде.

Всё, конечно, зависит от того, куда и с какой скоростью вы собрались лететь, какие закладываете сроки перелета. Навскидку есть сразу несколько задач, для которых ЯРД лучше всего: быстрые перелеты к Марсу (около 2-3 месяцев в один конец)

Смотря откуда на Марс лететь. С Земли не вариант (только если мелкие АМС), большие ПН нужно хотя бы с Луны.

[alex_semenov]

Ну а если вам нужно приращение скорости всего 2-3 км/с? Скажем, для перелетов в поясе астероидов?

Суровые астероидяне настолько суровы, что готовы потратить десятилетие на перелет Церера-Паллада?

Правильный вопрос.
Да.
Как не верти но ГРУЗОВЫЕ перевозки будут проводиться по Гоману десятилетиями (так и получается), автоматами. А как же иначе?
Да, люди будут летать Церера-Паллада быстро (год?). Но Люди - это 1/10 если не 1/100 всей массы перевозок. Основная же масса (и энергозатраты) - грузы. И их будут возить терпеливые роботы.
Здесь, на Земле, тоже так.
Люди перемещаются быстро.

Грузы - медленно.

[sharp]

Смотря откуда на Марс лететь. С Земли не вариант (только если мелкие АМС),

С околоземной орбиты, например. Выведение на химии, отлёт к Марсу на маршевом ЯРД.

большие ПН нужно хотя бы с Луны.

Для этого надо, для начала, чтобы на Луне оказалась какая-то ПН.

[sharp]

Да, люди будут летать Церера-Паллада быстро

Так в том и вопрос, на чём они будут летать быстро. В том числе, на каких двигателях.

[alex_semenov]

Да, люди будут летать Церера-Паллада быстро

Так в том и вопрос, на чём они будут летать быстро. В том числе, на каких двигателях.

Кстати. Не все так плохо.
Перелет Паллада-Церера по Гоману требует всего 2 года (никаких не 10).
При этом необходимое стартовое дельта-вэ всего лишь 827 м/с. То есть общее дельта-вэ на самый экономичный перелет грузовика-автомата потребуется что-то 2 км/с и 2 года в пути. Это - предел экономии.
Если же вы стартуете с Паллады на скорости 3 км/с то до Цереры (при соответствующем взаимном положении астероидов, разумеется) вы можете добраться за 238 дней.
Что бы  (опять, при соответствующем положении тел) добраться с Паллады на Цереру за пол года (182 дня) нужно стартовать на скорости 4.2 км/с. Это все ЖРД-шные скорости. Конечно у цели надо еще тормозить. Грубо удвойте. 8.4 км/с (не будем мелочится). Все равно это сравнимо с выходом на орбиту Земли. Но при этом вам не нужны чудовищные ускорения в 2-3g, так как никаких гравитационных ям.
В поясе астероидов даже для быстрых перелетов вам не нужны никакие чудо-двигатели. Все давно есть и даже доведены до совершенства (я думаю трехтопливные многоразовые ЖРД метан-водород-кислород с произвольным подбором подаваемых компонентов станут в итоге нормой).