Двигатель для межзвёздных перелётов

[Vavanzer]

Мэтлофф еще в 1980-м предлагал запустить аппарат в 64 кг (в конце их статьи). Я снизил это до  300 грамм.
Ну в расчете на прогресс...
Но главная причина  - цена. Все таки каждый квадратный метр такого паруса - чудовищно дорогая нанотехнология. А полотнище - немалое.

140м это мало. Но. Его ждет другой сюрприз...
Сопротивление межзвездного газа. Я когда то считал, что при скорости света обычный плотный снаряд типа нынешних АМС соберет несколько килограмм водорода на своем пути. И это его замедлит...

 Легкий парус же как пух по сути. Легко увлекается потоком частиц, легко и тормозится))
140м это 15000 м2.
Цилиндр длиной в 1 а.е (150млн.км) имеет обьем в 2.25*10^21 см3.
В 1 см3 сидит 1 молекула водорода.

1 грамм/моль водорода это 6.02*10^23 молекул, которые содержатся в цилиндре диаметре 140м х 267а.е.
267а.е × 300 = 80100 а.е. 
Полтора световых года, грубо говоря, и парус соберет массу, равную себе, замедлится в 2 раза... Это при условии что не будут попадаться области повышенной концентрации газа.
А если в пыль он попадет, то разрушится. Но пылинки он в любом случае насобирает по пути...

[Vavanzer]

Еще, интересно, просчитывали изобретатели парусов фактор столкновения с молекулами межзвездного газа и микрочастицами, и высокоэнергетическими частицами?

Там скорее всего такая эрозия и прострелы будут, что одно решето рваное останется через некоторое время,
Помимо фактора замедления о межзвездную среду...

При старте из Солнечной системы в 0.01с, через полтора св.года скорость будет 0.005, еще через 1.5 св. г уже 0.0025, и ближе к Проксиме останется 0.0013с.  Миссия поболее 300 лет займет.

Понимаю вместо 4.5 лет к примеру до 10 лет замедлить полет
Это как то еще норм))) А когда 300 превращаются в 1000, смысла вообще нет запускать.

[cryon]

Еще, интересно, просчитывали изобретатели парусов фактор столкновения с молекулами межзвездного газа и микрочастицами, и высокоэнергетическими частицами?

Там скорее всего такая эрозия и прострелы будут, что одно решето рваное останется через некоторое время,
Помимо фактора замедления о межзвездную среду...

При старте из Солнечной системы в 0.01с, через полтора св.года скорость будет 0.005, еще через 1.5 св. г уже 0.0025, и ближе к Проксиме останется 0.0013с.  Миссия поболее 300 лет займет.

Понимаю вместо 4.5 лет к примеру до 10 лет замедлить полет
Это как то еще норм))) А когда 300 превращаются в 1000, смысла вообще нет запускать.

По проекту starshot написано следующее:
На необычно высоких скоростях, с которыми будет путешествовать StarChips, даже незначительные удары могут потенциально разрушить их. Тем не менее предыдущая работа предположила, что молекулы водорода и гелия могут проходить через паруса, не приводя к таким эффектам. Кроме того, хотя предыдущие исследования предполагали, что каждый парус может столкнуться с миллиардом частиц пыли на пути к Альфе Центавра, такие удары, вероятно, создадут дыры, составляющие менее 0,1 процента от общей площади паруса.

[Vavanzer]

Тем не менее предыдущая работа предположила, что молекулы водорода и гелия могут проходить через паруса, не приводя к таким эффектам.

  Я как то считал какой слой водорода и некоторых других веществ полностью не прозрачен "на просвет", когда любая частица обязательно столкнется с составляющими толщи "стены".
 Не помню точно, но там много не надо. Возможно конечно тонкий парус частично и прозрачен. Это уже в плюс. Но от крупных частиц и пылинок он не защищен.

[alex_semenov]

В 1 см3 сидит 1 молекула водорода.

Нам, кстати, опять повезло (или не повезло). Мы в "местном пузыре". Тут 1/10 атома водорода на см³



Делите все на 10.
Вообще же водород даже на 1/10 света будет прошивать такую тонкую структуру (десяток нанометров) НАСКВОЗЬ не задерживаясь. Мы здесь исследовали и эту тему. Водород не страшен парусу как разрушитель или тормоз. Кстати на 3000 км/с (а это скорость предполагаемого СОЛНЕЧНОГО парусника "2061"- 0.01с) вполне возможно водород и будет видеть нашу тонкую структуру и ее тормозить...
Но вот пыль.... Это куда опасней. Мы пытались понять что она вытворяет. Если дырки от попадания пыли разрастаются до отверстий в 10 раз больших чем сами пылинки, парусу на дистанции 1 св. год. капец.
Но вообще говоря я смотрел разные оценки опасности пыли и газа для паруса. И разные расчетчики оценивали ее по-разному. Кому как хотелось, тот те данные и брал за основу модели. Мэтлофф и Малов как раз сказали  что  ничего страшного. Хотя они как раз предлагали после разгона таки парус все же "убрать" и развернуть только при торможении у цели (они имели в виду пилотируемую колонию на 1000 человек и полет в 1000 лет).
Я вообще говоря такими малыми скоростями не интересовался. Хотя вру. Было что-то про.. "водородный барьер". Вспоминаю. Мы пытались понять вот что. На небольшой скорости водород насквозь паруса не проходит. Но у него и энергия еще небольшая. Но по мере роста скорости энергия растет. Парус не то что затормозится, он может тупо... испарится... Если "водородный барьер" (когда скорость настолько большая, что парус ее не замечает) слишком сильно сдвинут к 0.1с (на этой скорости парус уже водород точно не видит. Это для него уже излучение). то парус может испариться, если же ближе к 0с, то парус барьер проходит.
Но где граница, мы так и не уточнили.
Все это рассматривалось для лазерного паруса, который мне лично был ценен только пока он работает движИтелем (а потом может испаряться). И я имел запасной (хотя и муторый вариант), что лазерный луч будет разметать пыль (и даже газ) перед парусом. В общем, все это надо уточнять.
Но в нашем случае, в "местном пузыре" парус должен выжить до А-Центавры. Даже по вашему расчету.

[cryon]

В 1 см3 сидит 1 молекула водорода.

Нам, кстати, опять повезло (или не повезло). Мы в "местном пузыре". Тут 1/10 атома водорода на см³



Делите все на 10.
Вообще же водород даже на 1/10 света будет прошивать такую тонкую структуру (десяток нанометров) НАСКВОЗЬ не задерживаясь. Мы здесь исследовали и эту тему. Водород не страшен парусу как разрушитель или тормоз. Кстати на 3000 км/с (а это скорость предполагаемого СОЛНЕЧНОГО парусника "2061"- 0.01с)

Если у вас тоже для первого запуска с земли 0.01 С то тогда что бы не  раскошелится на 20 млрд долларов для наземных лазеров. Наука делать тонкие и не жесткие паруса еще будет долго развиваться, проще раскошелится на лазеры.


В качестве первого запускаемого проекта я выбрал именно жесткий парус(для ускорения в 400 g возникают сложности с поведением мягкого паруса в разгоне) из металла с аэрографитом, перфорированная структура весом 1 грамм на квадратный метр, парус в полете поворачивается ребром к потоку во первых. Так что он не тормозится почти межзвездным водородом даже на скорости 0.01 С.  Лазер а не солнце я выбрал как раз из за того чо парус жесткий и тяжелый - солнце не даст больше чем несколько мегаватт на м^2.  Лазер же может дать более 1 Гватт на метр квадратный. Разрушение пылью не происходит для модуля полезной нагрузки так как этот модуль вытянутый, с удлиннением в десятки раз и бронированный со стороны потока. Сам парус, вернее его рули и прочие торчащие элементы будут разрушаться.
Расстояние 4*10^16 метров даст 5 грамм водорода на квадратный метр поверхности и 0.05 грамм пыли среднего размера 0.04 микрометра. Так что еще парус можно вообще сбрасывать после разгона оставляя только лонжероны(которые до прибытия на точку были сложены, они несут функцию крепежа для лазеров связи)  с расположенными на них лазерами обратной связи(в моем проекте они дают луч шириной 2.5 метра мощностью пиковой 0.2 ватт который принимается телескопами на земле).
0.05 грамм межзвездной пыли на квадрат с размером в 0.04 микрометра дает 10^12 частиц то есть 0.15% площади паруса, так что действительно если дырки будут большими то весь парус разрушится, но ориентировать парус поперек потока ни чего не мешает, и к тому же катушки с проводами магнитного паруса в более тяжелых миссиях с торможением можно тоже бронировать как и полезную нагрузку.

[cryon]

Нет же. Лунная база с лазерами стоит сотни миллиардов долларов, как и огромное зеркало на орбите.

Идея с адаптивной оптикой не имеет смысла, тк атмосфера и рассеивает, и разорвет весь фронт, который и без того является расходящимся пучком.

Почему же тогда достигается здесь
 https://en.wikipedia.org/wiki/PIONIER_(VLTI)
https://www.eso.org/public/images/potw1139a/
точность 1 к 206 миллионам по разрешению для 1500 нм?

[cryon]

Мой проект солнечного паруса для полета к А центавра за 422 года..
...
 10 миллионов лазеров по 1 квт на зеркалах адаптивной оптики

Сразу можно браковать проект.
Бессмысленно. 10 миллионов лазеров. ЗАЧЕМ?

Если у вас дейсвтительно чешутся руки заняться предельно реалистичными проектами (и вы вцепились в тему тонких суперпленок-структур), ЗАБУДЬТЕ о лазерах! Не идите на поводу у массовой шизофрении!

10 миллионов лазеров нужно чтобы аппертура была 25 см так преодолевается атмосферная турбулентность на малых высотах. Экономически это не критично так как лазеры мощностью 1 кватт удобнее даелать чем более мощные. 10 млн излучателей так 10 млн ни чего страшного.
Тонкие пленки все равно должны иметь толщину не менее 35 нм чтобы отражать свет т.е. да удельная масса полотна паруса в 35 раз меньше но и энергия солнца в 35 раз меньше чем плотность энергии лазерного луча, так что в итоге говорим об одном и том же -  0.01 С по скорости.

[Юрий Б.]

Парус не испарится даже от 0.3 Гватт на квадратный метр. При отражении 0.99999 света и поглощении 0.3 от всего тепла(что зависит от толщины паруса) у него будет температура в 300 К.

Для температуры паруса имеет значение только отношение коэффициенты отражения в видимом и инфракрасном спектре.

Зако́н излуче́ния Кирхго́фа — физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Таким образом, если у тела с поглощающей способностью 0.000001 поглощение ниже в 100 000 раз, чем у тела с поглощающей способностью 1 - то и сбрасывать тепло оно будет в 100 000 раз слабее, чем тело с поглощающей способностью 0.000001.

Температура не зависит от поглощающей/отражающей способностью.

Температура может зависеть от отношений поглощающей способности в видимом спектре (где поглощаемое излучение) и инфракрасном (в котором излучаемое тепловое излучение).

Так что иногда лучше взять парус с видимым альбедо 0.5 (если у этого паруса инфракрасное альбедо, например, 0.1), нежели парус с рекордным альбедо 0.99999 (если у него, например, инфракрасное альбедо те же 0.99999).

[SpaceEngineer]

10 миллионов лазеров по 1 квт на зеркалах адаптивной оптики светят в парус на 630 тысяч километров до точки сходимости луча и далее до 2 мин километров.

Не получится, уже обсасывали это. Вам нужно строить решетку, точно синхронизируя фазу всех лазеров, иначе будет не луч, а интерференционное месиво. А у полупроводниковых лазеров ещё и длина когерентности совсем смешная.

[cryon]

Парус не испарится даже от 0.3 Гватт на квадратный метр. При отражении 0.99999 света и поглощении 0.3 от всего тепла(что зависит от толщины паруса) у него будет температура в 300 К.

Для температуры паруса имеет значение только отношение коэффициенты отражения в видимом и инфракрасном спектре.

Зако́н излуче́ния Кирхго́фа — физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Таким образом, если у тела с поглощающей способностью 0.000001 поглощение ниже в 100 000 раз, чем у тела с поглощающей способностью 1 - то и сбрасывать тепло оно будет в 100 000 раз слабее, чем тело с поглощающей способностью 0.000001.

Температура не зависит от поглощающей/отражающей способностью.

Температура может зависеть от отношений поглощающей способности в видимом спектре (где поглощаемое излучение) и инфракрасном (в котором излучаемое тепловое излучение).

Так что иногда лучше взять парус с видимым альбедо 0.5 (если у этого паруса инфракрасное альбедо, например, 0.1), нежели парус с рекордным альбедо 0.99999 (если у него, например, инфракрасное альбедо те же 0.99999).

Здесь, на рисунке из статьи о парусах поглощение на уровне 0.005% От 1.3 Гигаватт на м^2 для 1064 нм. Т.е. температура паруса будет 870 К при полном поглощении но в инфракрасном спектре поглощение слабее. На калькуляторе который я использую есть параметры Sail Reflection Efficiency (0 - 1)   
что как раз 0.99995
Sail Light Absorption (0 - 1)   
допустим  0.1 т.е.  I(l)=I_{o}e^{{-k_{{\lambda }}l}}, где для диэлектриков зеркала кофф поглощения 10^-6 1/метр а длина слоя вещества в диэлектрическом зеркала 35 нм 10^-6.5 метра. Далее идет металл толщиной 50 нм. Углерод толщиной 500 нм средней по аэрографиту. и опять металл. рассчитать все это проблематично, но группа с Хокингом рассчитывала даже на 6 Гватт на квадратный метр чтобы получить большую скорость чем у меня, так что я думаю парус выдержит 1.3 гватт на М^2.

Хотелось бы получить 300-400 Кельвинов температуры для 1.3 Гватт на метр квадратный... В той же статье далее:
Multi layer dielectric on glass with no metal - For the small very high flux sails, such as the
relativistic WaferSat probes, the flux on the reflector becomes so large that metalized reflectors , even
with multi layer dielectric coatings become extremely difficult to make. The issue is that the metalized
sub structure is not reflective enough so the thermal management becomes a critical problem (sails
vaporize). One solution is the remove the metals completely and use a fully dielectric reflector. This is
what we propose for the extreme cases of high flux small sails. Glasses designed for fiber optics and
other photonic communication applications have extremely low absorption coefficients with ppt (parts
per trillion) per micron thickness currently achieved. While the reflection coefficient will not be as large
as it is for the metalized cases in general, they are sufficient. Note in this case the absorption takes place
in the bulk of the glass of the reflector and dielectric coating while in the metalized plastic and glass
case it is absorption in the metal film that is dominant. We plot the absorption coefficients for modern
fiber optic glasses to illustrate this. As a comparison a 1 cm (104 micron thick piece of ZBLAN glass
with 20 ppt/ micron absorption coefficient would have a total absorption of 20x10-12 x 104
= 2x10-7 or
0.2 ppm at a wavelength of 1.06 microns.

0.2 ppm at a wavelength of 1.06 microns это 2*10^-7*1.3 *10^9Wt/м^2= 260 wt/м^2 что даст температуру 200 кельвинов для толщины 1 см, но в углеродных нанотрубках аэрографена поглощение будет больше, в металле среднее.

[cryon]

10 миллионов лазеров по 1 квт на зеркалах адаптивной оптики светят в парус на 630 тысяч километров до точки сходимости луча и далее до 2 мин километров.

Не получится, уже обсасывали это. Вам нужно строить решетку, точно синхронизируя фазу всех лазеров, иначе будет не луч, а интерференционное месиво. А у полупроводниковых лазеров ещё и длина когерентности совсем смешная.

Да я в физике лазеров не особо разбираюсь( Что можно почитать по когерентности?
Конечно нужна фазированная решетка размером 750 метров, и такие еще не делали. Вы можете ответить почему нужна апертура в 25 см? Я не понимаю? Это как раз Длина когерентности? Не обязательно использовать лазерные диоды есть лазер ng:yag (промышленные образцы по 1 кватт для резки металлов они конечно подороже лазерных диодов но не на много)  https://www.czl.ru/catalog/lasers/bwtek/bwr-lasersg.html Качество пучка M2 < 1.2, длина когерентности 25 см.
Есть, дорогие правда, лазерные диоды с длиной когерентности более 1 метра http://www.azimp.ru/news/tech/39394/

[Vavanzer]

Что можно почитать по когерентности?

Кстати да. Не получится ли так, что добрая часть волн от разных лазеров в итоге взаимно поглотятся?))) И от гигават останутся считанные мегаватты?)))

[cryon]

Что можно почитать по когерентности?

Кстати да. Не получится ли так, что добрая часть волн от разных лазеров в итоге взаимно поглотятся?))) И от гигават останутся считанные мегаватты?)))

Поглотиться энергия то ни куда не может, она сохраняется исходя из симметрий нашего мира =)  она может отклониться сильнее чем на 1 к 206 миллионам по углу при том если лазеры будут некогерентны и в разных фазах.

[Vavanzer]

Поглотиться энергия то ни куда не может, она сохраняется исходя из симметрий нашего мира =)  она может отклониться сильнее чем на 1 к 206 миллионом по углу при том если лазеры будут некогерентны и в разных фазах.

Пусть будет так, но есть всеж сомнения...
А почему к этому парусу не хотят добавить фотоэлементы и ионный двигатель какой - нибудь суперлегкий? Там выхлоп поинтереснее должен быть...

[cryon]

Поглотиться энергия то ни куда не может, она сохраняется исходя из симметрий нашего мира =)  она может отклониться сильнее чем на 1 к 206 миллионом по углу при том если лазеры будут некогерентны и в разных фазах.

Пусть будет так, но есть всеж сомнения...
А почему к этому парусу не хотят добавить фотоэлементы и ионный двигатель какой - нибудь суперлегкий? Там выхлоп поинтереснее должен быть...

Полет ограничен 2 миллионами километров примерно, или несколько больше при большем размере паруса, На таком расстоянии толком не разгонишься так как  ионные двигатели и фотоэлементы имеют вес не малый и удельная мощность ограничена. А на давлении света можно достичь ускорения в 400 g что гораздо больше по удельной мощности движителя.
На ионных а точнее на vassimir двигателях можно в последствии отправить миссию на орбиту землеподобной планеты, я писал тут о реакторах:


ПО поводу оптимизации веса ядерных реакторов для межзвездного полета на скорости 2000 км в сек с массой полезной нагрузки гораздо большей чем у парусников.
Что если сделать стержни ядерного реактора на быстрых нейтронах в блоке реактора, и  элементы пельтье чтобы внешняя поверхность излучала в космос. Газовый теплоноситель, с полостями для облегчения конструкции. Лёгкие за счёт поррирования металлы конструкции. Такой реактор будет мало весить,  температура 1500 к что дает 800 кватт излучения с квадратного метра. Излучатель диаметром 1000 мм будет выдавать 2600 кватт тепла и при кпд 14% 360 кватт электричества на метр длины при весе конструкции 360 кг на метр. Далее двигатель типа VASSIMIR будет весить 120 кг на 360 кватт. И баллоны с газом еще 60 кг. Итого вес 540 кг на 360 кватт.  Это даст скорость истечения 1600 км в сек на 73 года выработки топлива. И скорость миссии до 2000 км в сек при низкой массе полезной нагрузки относительно стартовой(3-4 ступени)с торможением магнитным парусом.

[Vavanzer]

ПО поводу оптимизации веса ядерных реакторов для межзвездного полета на скорости 2000 км в сек с массой полезной нагрузки гораздо большей чем у парусников.
Что если сделать стержни ядерного реактора на быстрых нейтронах в блоке реактора, и  элементы пельтье чтобы внешняя поверхность излучала в космос.

  Я прикидывал альтернативу реактору, уже много раз упоминал ее. Парус из солнечных панелей, который можно дополнительно подсвечивать стационарными зеркалами-концентраторами или даже лазерами. Там
Там хоть радиации нет, и энергия халявная.
Только придется строить около каждой дальней планеты стартовый комплекс с массивом зеркал. До Марса и пояса астеоидов еще можно гонять без подсветки, а дальше уже надо.
С торможением только проблемы будут. Как то изворачиваться надо.

[cryon]

ПО поводу оптимизации веса ядерных реакторов для межзвездного полета на скорости 2000 км в сек с массой полезной нагрузки гораздо большей чем у парусников.
Что если сделать стержни ядерного реактора на быстрых нейтронах в блоке реактора, и  элементы пельтье чтобы внешняя поверхность излучала в космос.

  Я прикидывал альтернативу реактору, уже много раз упоминал ее. Парус из солнечных панелей, который можно дополнительно подсвечивать стационарными зеркалами-концентраторами или даже лазерами. Там
Там хоть радиации нет, и энергия халявная.
Только придется строить около каждой дальней планеты стартовый комплекс с массивом зеркал. До Марса и пояса астеоидов еще можно гонять без подсветки, а дальше уже надо.
С торможением только проблемы будут. Как то изворачиваться надо.

Вы читайте внимательнее там 3-4 ступени реактора работают по 73 года, за это время корабль улетает на 1 световой год . А  для лазера подсвечивающего расстояние подсветки ограничивается диаметром излучателя, если даже 10 км лазер то он светит всего на 200 миллионов километров для 40 метрового паруса. Даже если ускорение будет на порядок больше то разгонное растояние будет на несколько порядков меньше чем у реакторов. Я считаю что либо лазерный парусник либо реактор для более тяжелых миссий. Тот же термоядерный реактор будет скорее всего еще хуже по удельной мощности чем обычный реактор 22-23 века конструкции с экономией массы, так что ТВЕЛЫ составляют около 10-20 % от массы реактора.

[Vavanzer]

Тот же термоядерный реактор будет скорее всего еще хуже по удельной мощности чем обычный реактор 22-23 века конструкции с экономией массы, так что ТВЕЛЫ составляют около 10-20 % от массы реактора.

  Так какая разница в каком веке соберут реактор, если масса топлива, теплообменника и пр штуковин та же остается?
Ну разве только если термопары с высоким КПД придумают, что позволит компактные ядерные термо-электрические генераторы создавать.
Или же источники плазмы на сверхпроводниках добавятся.

[cryon]

10 миллионов лазеров по 1 квт на зеркалах адаптивной оптики светят в парус на 630 тысяч километров до точки сходимости луча и далее до 2 мин километров.

Не получится, уже обсасывали это. Вам нужно строить решетку, точно синхронизируя фазу всех лазеров, иначе будет не луч, а интерференционное месиво. А у полупроводниковых лазеров ещё и длина когерентности совсем смешная.

Что если лазер выбрать
https://sphotonics.ru/catalog/dfb-ros-lazery-1030-1610-nm/1782/
Спектральная ширина линии   1   МГц,  получим длину когерентности: L=3.14*3*10^8/1*10^6=1 км На таких лазерный диодах одномодовых можно сделать луч шириной 750 м в пределах длины когерентности.
Или с несколько меньшей длиной когерентности(я не знаю почему там указано более 50 метров, по идее для 0.00001 нм ширины спектра должно быть 3 Мгц спектральная ширина линии и 300 метров длины когерентности что для 750 метрового лазера тоже приемлемо)  более мощный SSP-SLM-1047-U - DPSS лазер
https://sphotonics.ru/catalog/dpss-lazery-s-odinochnoy-prodolnoy-modoy/mslu1047/
Есть так же на 3 ватта лазер http://www.azimp.ru/catalogue/single+frequency+DPSS+lasers/272/
Правда стоит лазер на 3 ватта 10 тысяч долларов( И во сколько раз цена может быть снижена массовым выпуском мне не понятно.
Объясните уже какая нужна длина когерентности для решетки из 10 миллионов лазеров размером 750 метров?
на газовых лазерах реально достигнуть длины когерентности в 1 метр.
Здесь Любин о длине когерентности не говорит, может сойдет и так с длиной когерентности 1 м?
https://www.researchgate.net/publication/304165679_Directed_Energy_Interstellar_Propulsion_of_WaferSats