Двигатель для межзвёздных перелётов

[Инопланетянин]

Т.е. если ионизировать слишком много рабочего тела, то существующей решётки не хватит для его разгона? Или такой плотный поток ионов будет слишком хорошо взаимоотталкиваться и разрушит двигатель?

[vsevolodson]

А нельзя ли это написать по-людски?
http://www.codecogs.com/latex/eqneditor.php

А можно. Спасибо за ссылку

[vsevolodson]

Трубка горячая - но неравномерно! Чем ближе к концу - тем горячее, так как в этот отрезок поступают уже всё более горячие порции водорода. По мере продвижения в трубке водород всё больше нагревается, давление ускоряет его до вожделенных 10км/с (и, соответственно давит на предыдущие порции водорода в трубке и термосе, ускоряя разгонный блок).

Забыл сказать что так легко регулировать температуру истекающего водорода. Что очень и очень нужно в ситуации когда у нас получаемая мощность на ед. площади не постоянна.

[alex_semenov]

Т.е. если ионизировать слишком много рабочего тела, то существующей решётки не хватит для его разгона? Или такой плотный поток ионов будет слишком хорошо взаимоотталкиваться и разрушит двигатель?

Инопланетянен. Почитайте что-нибудь общетеоретическое. Об ионниках в сеть - тьма иноформации. В классическом ионнике проблема в объемном заряде. Ионы между зазорами экранируют разность потенциалов. Если их слишком много впустить  - они закупоривают напряжение катода.
Но все это не такая уж и проблема в сравнении с энергией.
При 1 гс тяги с см2 вы имеете 98 Н тяги с метра квадратного. Но при 50 км/с истечении вам нужно…  50 000*96 = 4 800 000 Ватт электрической мощности.
Прикиньте например, для этого метра квадратного сопла, солнчную батарею на орбите Земли.
Солнечная постоянная 1400 Вт/м2. Допустим ваша батарея выдает КПД 50% (очень круто!) Тогда вам нужно для вашего ионного движка площадь батарей более 6800 м2.
Представите себе прямоугольник 68 м на 100 метров и где-то затерявшееся на этом фоне сопло ионника метр на метр.
Представили?
Если вы используете ядерный реактор для питания ионных двигателей, у вас появляются поля радиаторов. Если они не светятся красным, то размеры их получаются на ту же мощность примерно теми же что мы посчитали для панелей фотоэлементов.

Вы думаете НПО "Энергия" из любви к прекрасному такие вот межпланетные ионники проектирует?

[alex_semenov]

жаровое окно

выплюньте каку

Я бы с удовольствием.  Но это по сути первоначальная идея автора.
При этом ваш вариант мне кажется еще большим убожеством.
Я никак не могу понять его преимущества…

там в секунды будет пробегать много тонн водорода
в виде газа он нагреваться до 4000К излучением точно не будет, даже если свет будет 100 раз туда и обратно через него проходить

Если это так,  то  что даст ваше АЧТ ? У него будут те же проблемы!

водород намного быстрее будет отдавать тепло стенке вашего окна, температура плавления которого будет никак не более 2000..2500K - это предельная температура вашего водорода

Не факт. Он же не просто греется. Он еще и расширяется. У нас ведь тут сопло.

добавите сажи? да она налипнет на ваше окно и расплавит его раньше, чем водород успеет нагреться хотя бы на 100 градусов

Ладно. Забыли эту идею. Сажа была как вариант. К окну она никаким боком.

способ нагрева только один - прямой теплопередачей в длинной горячей трубке
посмотрите на мои уравнения выше

И чем длинная, горячая трубка ЛУЧШЕ моего прозрачно-зеркальног сопла?
Гм…
Я кажется понял.
Вы собираетесь греть водород не излучением а… теплопередачей?!!! Броуновским движением, так сказать?
А при этих температурах это разве ЛУЧШЕ работает?

возможно чтобы трубка нагревалась хотя бы до 4000К с такими объёмами протекающего через него холодного водорода придётся сделать её совсем чёрной, даже если почти нырять в атмосферу Солнца
проблема не с перегревом, а скорее будет с недостаточным прогревом прямо в хромосфере (!)

Послушайте. Если моя схема не работает (непосредственный нагрев водорода ИЗЛУЧЕНИЕМ Солнца) и остается  только ваша, то она херит всю затею на корню. Вы ведь не можете иметь температуру водорода на выходе в сопло выше температуры вашго нагреватела, то есть более 4000 К. А значит и водород сильней не нагреется. А отсюда вы не получите вожделенные 12 км/с.
Хотя за бортом 5000-6000 К!!!
Вам не кажется ваш путь - неразумным?
Кроме того.
Как вы будете подводить солнечную энергию (не T а Q, джоули, калории) к этим вашим трубкам-грелкам?  Концентраторы там не работают же! Вам надо иметь огромную площадь собирающую тепло и значит такую же площадь раскаленных трубок!!!

Блин, да без проблем. Из термоса торчит чёрная трубка. Термос внешне зеркальный и куда более холодный даже у самого Солнца. Трубка горячая - но неравномерно! Чем ближе к концу - тем горячее, так как в этот отрезок поступают уже всё более горячие порции водорода. По мере продвижения в трубке водород всё больше нагревается, давление ускоряет его до вожделенных 10км/с (и, соответственно давит на предыдущие порции водорода в трубке и термосе, ускоряя разгонный блок).

Хорошо. Пробуйте. Считайте. Рисуйте.
Делайте расчеты и эскизы.
Мне кажется, вы тут чего-то недопонимаете очень важного (тогда в процессе расчетов вы сами на это наткнетесь). Или это  я - торможу на совершенно ровном месте.

[alex_semenov]

Ваши латекс-теги не видны гостям форума, что делает их использование тут по сути бесполезным. Я тоже их не вижу. Они у меня выключены. Форумный движек их отображает с огромными тормозами.
Но есть уловка. Я поправил ваш текст. Теперь все видят ваши формулы как вставленные извне картинки.  Картинки и генерирует сайт, на который я вам дал ссылку.
Посмотрите как я этого добился (возьмите его в цитату и манипуляции с тегами вам станут видны).

Немножко матмодели.
 
 Фазы нагрева, через которые проходит водород в двигателе:
 1) нагрев твёрдого водорода;
 2) плавление водорода;
 3) нагрев жидкого водорода;
 4) испарение водорода;
 5) нагрев газообразного молекулярного водорода;
 6) диссоциация молекул водорода;
 7) нагрев газообразного атомарного водорода;
  ионизация водорода;
 9) нагрев водородной плазмы;


 
 В то же время, рабочему телу можно передать ровно столько же тепла,
 сколько оболочка сможет поглотить:
 

 
 где N - поглощаяемая оболочкой удельная (на ед. площади) мощность:
 


      Δt - время работы двигателя с внешним нагревом;
      R/R_сол - расстояние от центра Солнца в его радиусах;
      σ - постоянная Больцмана;
      ε - степень черноты оболочки бака;
      T_сол - эффективная температура Солнца;
 
Получается уравнение, что связывает габариты эффективной оболочки двигателя/бака, время работы и массу водородного рабочего тела. Фиксируя время работы (Δt, например 1сек) получаем соотношение необходимой минимальной площади к массе водорода:

[vsevolodson]

Я никак не могу понять его преимущества…
 

Цитировать (выделенное)
    там в секунды будет пробегать много тонн водорода
    в виде газа он нагреваться до 4000К излучением точно не будет, даже если свет будет 100 раз туда и обратно через него проходить

Если это так,  то  что даст ваше АЧТ ? У него будут те же проблемы!

Bы действительно не замечаете разницы между контактной теплопередачей и радиационной? Мощности радиационной передачи будут слишком малы в водороде.

А при этих температурах это разве ЛУЧШЕ работает?

Ура. Bы наконец поняли
Определённо ЛУЧШЕ.

А значит и водород сильней не нагреется. А отсюда вы не получите вожделенные 12 км/с.
Хотя за бортом 5000-6000 К!!!
Вам не кажется ваш путь - неразумным?

10 км/с - предел и этого хватит

Вам надо иметь огромную площадь собирающую тепло и значит такую же площадь раскаленных трубок!!!

Огромную или нет - а моё уравненье для площади собирающей тепло ещё никто не посчитал.
А вот то, что площадь нужна переменная - это факт, обусловленный необходимостью фиксированной максимальной скорости истечения при непостоянстве прогрева. Это достигается изменением длины торчащей наружу трубы. Понимаете?

Делайте расчеты и эскизы.

См. прикреплённую иллюстрацию. Обратите внимание на постепенность, поэтапность и регулируемость нагрева водорода, обеспечиваемые за счёт многослойной отражающей "скорлупы" и выдвижной трубы.

[vsevolodson]

Небольшое пояснение. Нижний фрагмент рисунка - разгонный блок до достижения перигелия. Bерхний - спустя короткое время после перигелия.

А отсюда вы не получите вожделенные 12 км/с.
Хотя за бортом 5000-6000 К!!!
Вам не кажется ваш путь - неразумным?

Нет. Это лучше чем 2000К в случае использования окна. Кроме того, за счёт высокой температуры нагрева уже пришлось исключить звёзды с температурой поверхности заметно менее, чем у Солнца. 4500..5000 K - это нижний предел - оранжевые карлики.

[alex_semenov]

Вот на вскидку нашел брошюрку.

http://epizodsspace.no-ip.org/bibl/znan/1978/06/panevin.html

Во-первых, ясно что при 4 000 К вы получите свои несчастные 10 км/с.



Осталось выяснить как подвести солнечную МОЩНОСТЬ к вашим трубкам.
Но здесь же есть и график для газофазного ЯРД.



При 6 000 мы получим обещанные изначально 12 км/с. При этом речь идет именно уже о РАДИАЦИОННОМ нагреве.
Вот что пишется о ЯРД  называемом "лампа-реактор":

Газофазный ЯРД с прозрачным разделителем. Этот ЯРД содержит газофазный (реактор, в котором ядерное горючее заключено внутри прозрачного разделителя – кварцевой трубы, установленной внутри реактора, а в кольцевой зазор между корпусом реактора и этой трубой поступает рабочее тело (водород). Газообразное ядерное горючее, нагретое до высокой температуры, испускает интенсивное излучение в инфракрасном, ультрафиолетовом и оптическом диапазонах спектра, которое свободно проникает сквозь кварцевую трубу и поглощается водородом, и он в результате нагревается. Такой реактор несколько похож на обычную осветительную лампу, и поэтому его иногда так и называют – «реактор-лампа».
Самым важным (определяющим) элементом рассматриваемого ЯРД является прозрачный разделитель. Он работает в исключительно неблагоприятных условиях: при большой разнице температур внутри и снаружи (достигающей нескольких тысяч градусов) и под воздействием мощных гамма- и нейтронных потоков. Одним из немногочисленных материалов, из которых можно изготовить подобный разделитель, является кварц, имеющий достаточно высокую температуру плавления (1900 – 2000 К) и почти не задерживающий электромагнитное излучение.
Для того чтобы предотвратить чрезмерный нагрев разделителя, его необходимо охлаждать. С этой целью он может быть выполнен либо в виде двух соосных труб (с кольцевым зазором между ними), либо в виде трубы, стенка которой образована небольшими трубками, плотно прилегающими одна к другой. Водород, предварительно охладивший блок замедлителя-отражателя, радиационный защитный экран и другие элементы ЯРД (при этом водород может нагреваться до температуры порядка 1000 K), поступает затем в указанный кольцевой зазор или в трубки, охлаждая таким образом разделитель. После этого он направляется в кольцевой зазор, расположенный на периферии реактора, где рабочее тело окончательно нагревается до расчетной температуры 5000 – 6000 К, а затем поступает в реактивное сопло. При такой схеме охлаждения разделителя используется особое свойство водорода – его прозрачность для излучения ядерной плазмы при сравнительно низких температурах (порядка 1000 – 1500 К).
Газофазный ЯРД описанного типа в варианте, содержащем несколько тепловыделяющих элементов (и соответствующее число кварцевых трубок), представлен на рис. 14. Этот вариант ЯРД содержит, кроме того, раздельные замедлитель и отражатель и так называемые кольцевые реактивные сопла, отличающиеся от обычного, «круглого», сопла, используемого в современных РД.
Для того чтобы еще больше повысить нагрев водорода и предотвратить Сквозное прохождение оптического излучения ядерной плазмы (и его попадание на поверхность замедлителя), водород искусственно «зачерняют», добавляя к нему небольшое количество либо неона, имеющего более сильную поглощательную способность (три высоких температурах), либо твердых пылевидных или жидких каплевидных частиц (например, вольфрамовых), хорошо поглощающих излучение.



То есть.
Я все-таки мыслю в верном направлении. Нужна схема типа "ядерная лампа" только с той разницей, что светильник "за стеклом" у нас Солнце.
Кстати и зачернение тут тоже идет в ход.

Ваша же схема - это действительно стим-панк!
 

[vsevolodson]

Если вы используете ядерный реактор для питания ионных двигателей, у вас появляются поля радиаторов. Если они не светятся красным, то размеры их получаются на ту же мощность примерно теми же что мы посчитали для панелей фотоэлементов.

B пределах ~3,7 AE от Солнца на солнечном коллекторе надо летать
А то ведь ваши радиаторы ещё и от Солнца надо прятать, а некуда.

[vsevolodson]

Осталось выяснить как подвести солнечную МОЩНОСТЬ к вашим трубкам.

Если вы могли обратить внимание то в трубку водород уже попадать должен с Т~1000K. Остальное пущай собирает за счёт черноты трубки и её длины.

Вот что пишется о ЯРД  называемом "лампа-реактор":

Лампореактор нихт арбайтен.

Ваша же схема - это действительно стим-панк!

Если вам удастся доказать что:
а) нужное кол-во водорода в секунду сможет прогреваться выше чем до 5 тыс К одним лишь излученьем;
б) водород при 5-6 тыс градусов не расплавит окно;
- то я признаю, что пошёл по неверному пути.

А пока что мой стимпанк обеспечивает вполне приемлемое решение. Без необоснованной надёжды на то, что нерассчитанные места подведут и перечеркнут всю идею. B вашем же случае такое возможно.

[vsevolodson]

несчастные 10 км/с.

Тут ещё вот какой момент. Дальнейшее повышение скорости истечения приводит к:
а) неоправданному усложнению конструкции;
б) увеличению и без того высокой перегрузки при разгоне.
Так вот "а" и "б" - плохо сочетаются. Почему я и предлагаю ограничиться топорной дешёвой конструкцией и скоростью выхлопа в 10км/с. Этого уже достаточно. Необходимых для того чтобы не ждать десятки тысяч лет "окна запуска" мегаметров в секунду скорости на выходе из СС вы всё равно не достигните даже приплетая радиационный нагрев. Думается мне, усложнять конструкцию особо незачем.

[alex_semenov]

Осталось выяснить как подвести солнечную МОЩНОСТЬ к вашим трубкам.

Если вы могли обратить внимание то в трубку водород уже попадать должен с Т~1000K.

Да, но учитывая что энергия ~ T, то это 1/6 от того что в принципе можно получить от Солнца-нагревателя! Это ведь только температура рабочего тела "на входе" в камеру сгорания!
Это та температура, которая у меня только впрыскивается в зеркальное сопло!!!

Остальное пущай собирает за счёт черноты трубки и её длины.

Нифига себе подходец!!!

Вот что пишется о ЯРД  называемом "лампа-реактор":

Лампореактор нихт арбайтен.

И вся аргументация?
И кому мне теперь верить? Пускай популярной, но изданной еще в СССР (а по нынешним временам это уже знак качества) брошюре, или человеку который на полном серьезе собирался поджечь литий с водородом сталкивая мишени?

Если вам удастся доказать что:
а) нужное кол-во водорода в секунду сможет прогреваться выше чем до 5 тыс К одним лишь излученьем;

Легко!


Длина пробега квантов света в ударной волне при 6—8 тыс. К составляет 0,1—1 м

Речь идет о ядерном взрыве. Пробеге света в ударной волне. Воздух не водород. И тем не менее.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%B7%D1%80%D1%8B%D0%B2

Вообще это достаточно ЧЕТКО считается.  L_Pt  тоже говорил что водород в виде плазмы уже непрозрачен.

б) водород при 5-6 тыс градусов не расплавит окно;

Кварцевое окно с двойной стенкой и охлаждается тем же водородом но при температуре всего 1000 градусов!

Но! Вы упустили главное. Если водород прекрасно греется до 6 000 К именно излучением (странно, неужели все эти разработки реакторов сделаны на бездумных фантазиях?) то возможно никакого прозрачного  окна НАМ вообще не понадобится (или понадобится окно только в носовой части, очень небольшое).
Я здесь изначально приводил хитрые сопла которые работают без одной стенки, так сказать…
Хотя не факт что оно в вакууме будет иметь смысл...

[vsevolodson]

Ну почти убедили. А на кой вам вообще стенки если водород уже плазма? Охлаждаемый рабочим телом коллектор + магнитное сопло. Кстати коллектор позволяет разогревать плазму в фокусе до более высоких температур, чем фотосфера. Это позволило бы не вычёркивать красные и оранжевые карлики из списка целей.

Хотелось бы нагревать до T~25000K (u~40км/с). Это (высокий u и коллектор) позволит не сильно лезть в хромосферу, но сильно увеличит перегрузки при разгоне.

[vsevolodson]

Ну при u=40 км/с можно в перигелии разогнаться до 100-120 км/с. Так как мы условились меньше лезть в хромосферу (меньше пергрузки должны быть, так как коллекторы и магнитное сопло нежнее), то вместо k умножения импульса ~6 надобно брать ~4. Получаем 400-500 км/с на выходе из СС заместо 200 км/с. Ну и что, много ли выиграли? Причём всё ещё не факт, что это сработает.

Не, мою идею пока что оставить в качестве запасного "консервативного" варианта

[alex_semenov]

Не раскатывайте губу.

Эффективная температура Солнца 5778 K
И это значит что никакими ухищрениями вы большую температура (а значит и соответственно скорость истечения рабочего тела из сопла ракеты) получить за счет прямого нагрева солнечной энергией не сможете.

У красных карликов этот предел еще ниже. Да и яма гравитационная там меньше. В общем там с подобным маневром - совсем труба. Полная безнадега!

[vsevolodson]

никакими ухищрениями вы большую температура (а значит и соответственно скорость истечения рабочего тела из сопла ракеты) получить за счет прямого нагрева солнечной энергией не сможете.

непрямым - я же говорю - фокусировкой коллектором на истекающей плазме в магнитном сопле
но всё это может иметь хоть какой-то смысл только если удастся добиться нагрева до 20-25 тыс К
иначе проще греть трубками...

У красных карликов этот предел еще ниже. Да и яма гравитационная там меньше.

насчёт ямы опять ошибаетесь
вторая космическая у поверхности КК не меньше, чем у Солнца

[alex_semenov]

никакими ухищрениями вы большую температура (а значит и соответственно скорость истечения рабочего тела из сопла ракеты) получить за счет прямого нагрева солнечной энергией не сможете.

непрямым - я же говорю - фокусировкой коллектором на истекающей плазме в магнитном сопле но всё это может иметь хоть какой-то смысл только если удастся добиться нагрева до 20-25 тыс К
иначе проще греть трубками...

Экий вы затейник!
Хорошо. Давайте поставим мысленный эксперимент.
У вас есть некая система линз или зеркал. Здесь на Земле. И вот вы концентрируете свет солнца, абсолютно черного тела, которое нагрето до 5700 К  в фокус и получаете... ну к примеру  10 000 К. То есть второе АЧТ, которое нагрето до десяти тысчя.
Можете?
Почему бы и нет?
И вот у вас два тела СВЯЗАННЫХ термически друг с другом...
Но вот что вас начинает мучить. Вы взяли холодное тело (солнце) и с помощью своей чудесной системы линз организовали САМОПРОИЗВОЛЬНЫЙ поток энергии к... более горячему! Ведь ваша мишень нагрета до 10 000 градусов! Она - более горячая чем поверхность Солнца!
Нет. Мы все живем в век кондиционеров и знаем что такое бывает...
Но кондиционеры перекачивают энегию от холодного к горячему  затрачивая на этот неестественный процесс электрическую энергию.
А ваша линза?
Они ничего не тратят на это дело. Вот в чем загвоздка...
Улавливаете, на ЧТО вы тут наступили? На какой мозоль господа бога своей чудо системой?
Второе (свят, свят, свят) Начало!!!
У вас получилась так называемая "машина Клаузиуса" или вечный двигатель второго рода...



И кто сказал, что пытаться строить звездолеты - бесполезная трата времени?! Ну как иначе вы ОЩУТИТЕ всю неколебимость законов природы? Их взаимосвязь?
 
В общем.
Ничего не выйдет. Нельзя используя любую оптику, нагреть от Солнца тедо до температуры, которая выше чем у поверхности Солнца. Этот закон знают все мальчики зачитвывавшиеся в детстве "Гиперболоид инженера Гарина"  и хотевшие себе такой же девайс... Разьяснять почему "лучи смерти" невозможно (или сложно) получить - занятие до изобретения лазеров было очень популярное. Ну а когда появились лазеры - тем более. Все кому не лень объяснял что лазеры намного ярче даже поверхности Солнца и теперь....
 

У красных карликов этот предел еще ниже. Да и яма гравитационная там меньше.

насчёт ямы опять ошибаетесь
вторая космическая у поверхности КК не меньше, чем у Солнца

Гм... Неуже ли?  Не считал. Заявил на глаз... И попал пальцем в небо...
Надо же!
Век живи - век учись!
Обязательно посчитаю!
Удивительно! Видимо это как-то связано с плотностью звезд? Карлим менее массивен но и более плотен (имеет меньший радиус)?
Тогда... а как насчет планет-гигантов? Юпирета, например?

Мне лично этот маневр интересен не столько как двигатель для межзвездной сколько как еще один РЕДКИЙ подарок природы разуму. То есть как ШТРИХ к портрету РЕАЛЬНОГО будущего, а не выдуманного дураками-писаками в угоду дуракам-читакам.

[ledox]

Интересно, можно ли использовать как-нибудь солнечные выбросы (вспышки) для разгона корабля?

[vsevolodson]

Улавливаете, на ЧТО вы тут наступили? На какой мозоль господа бога своей чудо системой?
Второе (свят, свят, свят) Начало!!!
У вас получилась так называемая "машина Клаузиуса" или вечный двигатель второго рода...

Да нет же. Мощность более горячей точки в фокусе будет всё равно меньше, чем мощность, собираемая зеркалами. Приток энергии будет извне в фокус. Не пойму Фокус он на то и фокус... никакого мошенничества. Может быть конечно у меня эпический пробел в знаниях в этом месте.
Не ну почему таки  Мы же можем собранную энергию обернуть в электричество и нагревать небольшое кол-во вещества до ещё более высокой температуры...

Удивительно! Видимо это как-то связано с плотностью звезд? Карлим менее массивен но и более плотен (имеет меньший радиус)?

Да, поздние красные карлики плотнее свинца. B то время как Солнце примерно такое же плотное, как и Юпитер. Bсё дело в том что мощность звёзд растёт в 3,5 степени от массы. Более массивные звёзды распирает очень сильно.

Тогда... а как насчет планет-гигантов? Юпирета, например?

У Юпитера же маленькая плотность. Ну давайте прикинем.
v2 = 59 км/с
Отседова прирост скорости 30 км/с даст лишь 2хкратное умножение - до 66 км/с.
Для межпланетных перелётов ещё годится, но не более того.
Юпитер неплохо было бы использовать, чтобы недорого швырнуть наши разгонные блоки к Солнцу уже на гиперболической скорости относительно последнего.