Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Вот подумал, ионник двигающийся с средним ускорением в 0,001 g за 100 лет наберет скорость 0,1 с.  Довольно не плохо.

Теперь считайте дистанцию.



Опять же "школьная" формула (вообще. Убил бы этих педагогов! Ну как можно было такие интересные вещи объяснять на таких ТУПЫХ, неинтересных примерах?! Сколько человечество из-за этого педагогического КРЕТИНИЗМА потеряло мозгов, оставшихся в девственном неведении по поводу реального устройства мира и вообще силы, красоты реальных знаний?!)

Тысячная g это 0,0098 м/с2  100 лет это 3153600000 c. Итого у нас получается дистанция разгона 4,87314E+16 м Это  5,15088 св. лет.
Ближайшая звезда куда вы можете прилететь на таком приводе в два раза дальше. То есть это например Эпсилон Эридан. 10, … св. лет.
При этом, обратите внимание.
Средняя скрость перелета - половина от максимальной. Если бы вы имели возможность мгновенно разогнаться и мгновенно затормозить, вы бы за то же время могли бы прилить к этой же цели разогнавшись до скорости 0.05с. При этом вы потратили бы в 4 раза меньше энергии. То есть за счет растягивания разгона вы используете только 25% от затраченной вами энергии.
Поэтому я считаю что есть смысл разгонятся не более 0.1-0.2 от S - всей дистанции полета.
Если вы хотите добраться до звезды 10 св. лет, дистанция разгона у вас должна быть 1=2 св. года. Не больше. Отсюда считайте ускорение.

[ВадимZero]

Может ли объективно понадобится быстрей?

Все зависит от растояния и от количества целей. Экспансия по принципу долетел до ближайшей...построил звездолет..долетел до ближайшей..Не очень эфективна, так как предусматривает разгон, торможение. Проще лететь долго на большой скорости(0,5) на большое растояние, а уже от точки прибытия, ближайшие цели достигать на (0,01-0,1с) Для достижения 0,5с можно пустить в расход запасы целой системы если нужно.

[ВадимZero]

Поэтому я считаю что есть смысл разгонятся не более 0.1-0.2 от S - всей дистанции полета.

Значит полетим на 50 световых лет, либо скорость снизим до 0,05-0,03 с на 10 световых лет.

[alex_semenov]

Видите? До какой скорости "адвансед" тормозит за 800 дней? До 0,056с Дальше - бессмысленно.

бесмыслено..пугающее слово....Если тормозить будем не 800 дней а 8000? До скольки до тянем? Еще один плюс..при уменьшении давления на парус размеры магнитного поля выростут.

Кстати я здесь описался… У Зубрина не 0.056с а как раз 0.0056с. Те самые что я получаю при выстреле от Солнца (обратное направление тока - получается торможение).
Бессмысленно 8000 дней тормозить. Это ведь 22 год. При этом за первые 800 дней 2.2 года вы сольете почти всю скорость до 0.0056 а остальные 20 лет вы так и не сольете и половину от 0.0056. Не хватит импульса набегающей среды.
Он же падает квадратично от скорости.
Импульс за секунду (тяга) mv/t зависит от v и от m/t, которая тоже зависит от v. Если скорост упала в 10 раз тяга упала в 100 раз. Скорость упала в 100 раз - тяга парашюта упала в 10 000 раз.
Бессмысленно тянуть до последнего.
Посмотрите как садятся на Марс!
Парашют работает только на среднем участке. В конце парашют не работает. Нужен бустер.



У нас роль бустера дотормаживания будет выполнять естественный термоядерный реактор - звезда-цель.
Я до сих пор не могу поверить что природа дейсвтительно нам может подарить этот волшебный подарок!

[alex_semenov]

Поэтому я считаю что есть смысл разгонятся не более 0.1-0.2 от S - всей дистанции полета.

Значит полетим на 50 световых лет, либо скорость снизим до 0,05-0,03 с на 10 световых лет.

Да. Именно так. на 50 св. лет со скоростью 0.1с вы доберетесь за 500 лет. Как не верти межзвездный полет - долгий.
Столетиями.
Но ваше ускорение в 0.001g... вы считали удельную мощность? 100 лет... 0.1с Это на килограмм 4,5E+14 дж. За 100 лет (3153600000 с)   это  142 694,06 ватт/кг 143 Квт/кг...
Сдюжите?
Это чистая кинетическая энергия корабля. Разделите ее на эффективность идеальной ракеты (если она у вас такая)0.64  Получаете  222 960 Ватт/кг - это мощность ракетной струи. Теперь КПД двигателя, который эту струю генерирует. Если у вас он 50% то столько же (222 960 ) вы имеете паразитного тепла. Дальше все зависит от конкретной конструкции. Какая часть из этого вас будет донимать? Но возможно чт у вас более эффективный двигатель?
В общем, это уже сложности проекта. Но вам придется очень туго, если вы хотите получить заявленное ускорение в тысячную от g. По меркам межзвездной инженерии это очень крутое ускорение. Очень!!!

[ВадимZero]

Бессмысленно 8000 дней тормозить. Это ведь 22 год. При этом за первые 800 дней 2.2 года вы сольете почти всю скорость до 0.0056 а остальные 20 лет вы так и не сольете и половину от 0.0056. Не хватит импульса набегающей среды.

Ну почему бесмысленно..если вы хотите добраться до цели за 50 лет, то лишние 20 лет наверное не к стати....а если за 200..то цифра приемлемая.
Еще я как понял Зубрин в своих расчетах использует постоянную величину площади магнтиного паруса. Плюс нашего паруса в том, что увеличивая его массу в двое мы получаем увеличение его площади в квадрате. Если мы делаем парус избыточный, то скажем на начальном торможении его площадь из-за сминания магнитных поверхностей будет иметь площадь бублика или даже обруча.А большинство частиц будет пролетать сквозь обруч беспрепятственно. Нам это и не важно так как на большой скорости торможение и так приличное. Но помере снижения скорости, будет уменьшаться давление частиц, а значит будет расти и площадь паруса. В определенный момент это будет полный круг. Поэтому у нас не совсем марсианский парашут получаеться..

[alex_semenov]

Может ли объективно понадобится быстрей?

Все зависит от расстояния и от количества целей. Экспансия по принципу долетел до ближайшей...построил звездолет..долетел до ближайшей..Не очень эфективна, так как предусматривает разгон, торможение. Проще лететь долго на большой скорости(0,5) на большое растояние, а уже от точки прибытия, ближайшие цели достигать на (0,01-0,1с) Для достижения 0,5с можно пустить в расход запасы целой системы если нужно.

Вообще говоря даже в случае фон-Нейманов они вряд ли будут идти тупой ударной волной по всем ближайшим звездам. Они пойдут от наиболее интересной к следующей наиболее интересной. Допустим это будут скачки на 100 св. лет. (но вряд ли дальше. Шанс погибнуть столкнувшись с чем-то возрастает с длиной дистанции). Добравшись до нового злачного места и обосновавшись там, фон-Нейман отправив первичную волну опять же не к ближайшим вообще а ко всем интересным ближайшим точкам. И только после этого  можно рассылать вторичную волну (возможно на меньшей скорости но большим числом) к ближайшим менее интересным звездам. И там не обязательно уже строить космодром и даже самовоспроизводиться.
Кстати. В этом смысле Солнце должно было попасть в первую волну и иметь именно базу самовоспроизведения с космодромом. Ведь здесь есть живая планета (светящая на всю округу своим кислородом). Вряд ли такие вещи попадаются слишком часто.  А значит тут должен быть не просто разведчик-наблюдатель (если он есть) второй волны. Тут должен быть прилетевший издалека фон-Нейман первой волны. Тут должен быть старый космодром, когда-то рассылавший фон-нейманы и к дальним и  к ближайшим звездам попроще (всяким красным карликам). Тут должен быть старый центр бурной астроинженерной деятельности.
Именно потому что здесь есть мы.
Но все это если и было, то было миллионы лет назад. Так что если и искать здесь их, то искать надо космические развалины.

[alex_semenov]

Ну почему бесмысленно..если вы хотите добраться до цели за 50 лет, то лишние 20 лет наверное не к стати....а если за 200..то цифра приемлемая.
Еще я как понял Зубрин в своих расчетах использует постоянную величину площади магнтиного паруса. Плюс нашего паруса в том, что увеличивая его массу в двое мы получаем увеличение его площади в квадрате. Если мы делаем парус избыточный, то скажем на начальном торможении его площадь из-за сминания магнитных поверхностей будет иметь площадь бублика или даже обруча. А большинство частиц будет пролетать сквозь обруч беспрепятственно. Нам это и не важно так как на большой скорости торможение и так приличное. Но помере снижения скорости, будет уменьшаться давление частиц, а значит будет расти и площадь паруса. В определенный момент это будет полный круг. Поэтому у нас не совсем марсианский парашут получаеться..

Может быт вы правы.  Тут физика плазмы. Нужны расчетные модели, кстати. И если мы хотим сделать свой вклад в проблему, то надо делать именно их.

Возможн вы и правы по поводу 200 лет. Тут, разрабатывая конкретный проект надо смотреть конкретно. И возможно я зря сказал что не стоит 8000 дней тормозить. Но в любом случае нужно понимать закономерность. До самого конца тормозить парашютом у вас не получится. Как бы вы его не раскрывали, не делали его супер-пупер легким и большим и амперажным.
Все-равно вам придется как-то дотормаживать по-другому. И чем меньше скорость отсечки (отстрела?) парашюта, тем легче дотормаживать.
Я что только для этого дотормаживания не пытался приспособить!

И неработающий двигатель Зубрина на соленой воде.
И урановый парус-реактор с катализом антипротонами (но это для очень легких систем).
И старый добрый взрыволет (на атомных бомбах) по схеме "Медуза" мастырил.

Но это всегда очень дорого обходится.
Разгоняем мы парус который 2/3 - сам парус 1/3 полезная нагрузка. Из 1000 тонн сам межзвездный корабль 330 тонн. Сюда входит парашют. Зубрин обещает что он будет 30 тонн (1/10 от ПН). Это было бы прекрасно! (хотя скорей всего парашют потянет половину этой массы). Даже в самом лучшем случае остается 300 тонн (в худшем 165). Это полезная нагрузка с бустером дотормаживания и топливом для него.
Хотя фон-Нейману нужно сбросить всего 1000-2000 км/с скорости, но задача ведь нетривиальная! Попробуй вложись так, что бы это сделать за время сравнимое с периодом торможения на парашюте (800 дней)!
В итоге от полезной нагрузки остается в лучшем случае 100 т. В худшем вообще ничего.
А вот если тормозить о корону то даже в худшем случае мы имеем 165 тонн полезной нагрузки!  Вместится в нее саморепликатор?
Я допускаю что вполне!
В лучшем случае мы имеем 300 т полезной нагрузки! Вся тормозная система поз 30 тонн.
Мечты-мечты…
 

[ВадимZero]

Но ваше ускорение в 0.001g... вы считали удельную мощность? 100 лет... 0.1с Это на килограмм 4,5E+14 дж. За 100 лет (3153600000 с)   это  142 694,06 ватт/кг 143 Квт/кг... Сдюжите?

Если у нас гигавтная элетростанция на борту...то сколько она должна весить чтобы достичь 0,001 g. Будем считать кпд близок к 100% скорость истечения  5 Мэвные альфачастицы.

[alex_semenov]

Где вы видели кпд близкий к 100%? В трансформаторе?

[ВадимZero]

Но в любом случае нужно понимать закономерность. До самого конца тормозить парашютом у вас не получится. Как бы вы его не раскрывали, не делали его супер-пупер легким и большим и амперажным.Все-равно вам придется как-то дотормаживать по-другому

Вот поэтому нам нужно додумать реальную достижимую скорость торможения, и реальную скорость торможения в звездном ветре. Вот если у нас эти цифры сойдуться можно в ладоши хлопать. Или искать дотормаживатели..
Еще есть глупая мысль..Когда полетим через облако аорта можно подорвать пару другую комет на пути, для увеличения тормозного импульса...

[ВадимZero]

Где вы видели кпд близкий к 100%? В трансформаторе?

В сверхпроводящем двигателе...
 

[vsevolodson]

Тема о движителе для межзвёздных перелётов. Не пускайтесь в рассуждения о "волнах экспансии" опять, пожалуйста. И отталкиваться следует не от требуемого ускорения, а от идеи конструкции движителя. Bот А. Семёнов ещё не подсчитал разгон в перигелии с радиационным нагревом в фокусе (то, что это в принципе невозможно также не показал), а уже переметнулся на магнитный парус и рассуждения о зондах фон-Неймана и прочих лирических вещах. Я вот пока не убедился что термический глиссер в перигелии L_Pt работать не будет, не перепрыгивал с пятого пункта на десятый. Соблюдайте дисциплину обсуждения! 

[vsevolodson]

Вот поэтому нам нужно додумать реальную достижимую скорость торможения, и реальную скорость торможения в звездном ветре. Вот если у нас эти цифры сойдуться можно в ладоши хлопать.

Ограничение по массе (в виде константы или функции от параметров паруса - не важно) - не забудьте показать, прежде чем в ладошки хлопать.

[alex_semenov]

Соблюдайте дисциплину обсуждения! 

Хорошо, хорошо. Просто достигнутая скорость 0.0056с в моем расчете достаточно убогого паруса Денфорда (очень даже перетяжеленного на мой взгляд реализмом) МИСТИЧЕСКИ совпадает с оценкой Зубрина нижней границы скорости для продвинутого магнитного парашюта 0.0056с!
Получается система торможения для моих гипотетических фон-Нейманов на сумасшедших скоростях 0.1с и выше! Одним и тем же приводом! Почти!
Мечта идиота!
Простите.
Больше не буду…
Я знаю что обещал посчитать теплозащиту…

[vsevolodson]

B случае если мы используем не парус и не гравиманёвр, а обычный "ракетный" двигатель с каким-нибудь соплом (взрыволёт тоже сюда входит), можно вывести уравненье для оценки необходимых масс топлива.

откуда

и затем получаем массу топлива:
.
Если применить для скорости истечения упрощённую формулу
(где "E₀" - суммарная извлекаемая энергия топлива)
то зная что эта энергия также приближённо равна
(где "С" - удельная "теплотворность" топлива)
можно получить следующее выражение скорости истечения:


Тогда оценка требуемой для разгона до скорости дельта-v массы топлива с удельной теплотвороностью С и конечной массой после разгона m₁ будет следующей:

Думаю эта формула может быть полезной для быстрых прикидок нескончаемых вариантов.

[alex_semenov]

Нашел что искал.

https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,37713.msg1707252.html#msg1707252

сожалею, но хоть тройной слой делайте, а будет 8,5 Вт/м2 на 2АЕ от Солнца по наступлению теплового равновесия

Ерунда. Падающиё поток, во-первых, будет отражаться от первой пластины, во-вторых, первая пластина будет сама нагреваться и излучать тепловое излучение. Половина этого излучения будет падать на вторую пластину и нагревать её, она в свою очередь будет отражать и излучать часть в направлении первой, а часть излучать в пространство за преградой.

Если аккуратно учесть все процессы отражения и излучения, то для термобарьера из двух пластин с коэффициентом поглощения излучения а (в данном случае а = 0,05). То связь между перпендикулярно падающим потоком излучения на первую пластину (WI) и потоком излучаемым второй пластиной за преграду (W2):



Солнечная постоянная на расстоянии 1,6 а.е. 534 Вт/м2. Подставляем и получаем - поток за преградой 6,8Вт/м2.

В принципе увеличивая колличетво слоёв барьера его можно сделать ещё меньше.

На расстоянии где проходит парус (0.01 а.е.) мощность светового потока возрастает в 10 000 раз по сравнению с мощностью у Земли. 1400 Ват/м2 * 10 000 получаем 14 Мвт/м2

Теперь я посчитаю поток от нашего сверхпроводника при 90 К по Стефану Больцману. Это 3.72 Вата/м2 для  AЧТ То есть для бесконечного сохранения сверхпроводимости надо обеспечить коэффициент изоляции в 3.76 миллионов раз.
Чтобы двухслойный отражатель давал такую термоизоляцию (4 миллиона) по формуле от AleхAV нужно чтобы коэффициент поглощения каждого слоя a = 0,000001  Это за гранью добра и зла. Даже бреггевские зеркала, подобранные для лазерного излучения строго определенной длинны волны и со  строго определенным углом падения не имеют такого низкого коэффициента поглощения (вернее они должны быть очень толсными что бы иметь такой коэффициент).
Вот отражение разных материалов в видимой части света (той что идет от солнца):



Надо рассчитывать на a=0.1. И нужно иметь гораздо больше слоев изоляции вакуум-зеркало-вакуум-зеркало-вакуум-зеркало…

Очень упрощенно формулу выше можно было бы представить так. Передний слой поглощает a . То есть отражает 1-a энергии назад.  Второй слой уже отражает  a от поглащенной части a передним слоем. a^2.
Третий а от a от a. n-тый a^n
Тогда получается что при a=0.1 нам нужен зеркальный термос с 7-ю слоями. Тогда мы получим коэффициент отражения десять миллионов.
Кстати. Моя формула очень огрублена. Она дает эффект изоляции с запасом. Я ведь считаю что вся поглащенная предыдушим солоем энергия уходит внутрь следующему слою. Но туда уходит только половина. Хотя я не считаю что данному слою достается энергия не только от наружнего но и от внутреннего. Второе вносит гораздо меньший вклад чем первое. То есть моя упрощенная логика  дает некую гарантированную границу с запасом!
Кроме того. 0.1 это коэффициент поглащения для видимого света. Но каждый слой ниже становится все холодней и холодней. А там (смотрим график) коэффициент отражения становится лучше и лучше. Уже не 0.1 а где-то 0,04.
То есть. СЕМИСЛОЙНЫЙ термос по идее (если я нигде не ошибся в самой логике рассуждений) сможет спасти наш сверхпроводник от перегрева БЕСКОНЕЧНО ДОЛГО.

А теперь перечитываем Денфорда еще раз.

http://go2starss.narod.ru/pub/E014_PPV.html

Он заложил на тепловую изоляцию экран толщиной в 3 мм (и как раз что-то типа алюминия).  То есть расслоив его на 7 зеркальных слоев мы получаем по 0,43 миллиметра каждый слой.  Я думаю этого раз в 10 больше чем надо (интересно какой толщины фольга от шоколадки?). Разумеется. Передний слой должен быть толще. Задний может быть тоньше.
На самом деле все  реальные слои будут тоньше. Но надо учитывать что у нас будет еще структура поддерживающая слои на расстоянии друг от друга (диэлектрик и изолятор). Ну и кроме того. Я думаю что в самих солях нужно сделать перфорацию и на дно все-таки чуть-чуть загнать водородного снежка…
Скажем тонну, 500 кг...
Ведь нам на самом деле не обязательно вечно держать эту оборону от тепла! Разгон длится … (кстати, надо посчитать!)
Но эти оценки надо делать отдельно.

В целом. Задача не выглядит нерешаемой.

Однако. Надо в эту бочку меда…  Нагадить. Кто как не я же?
 
Главная проблема для сверхпроводника тут будет не в световом тепле, а тепле, возникающем при торможении высокоэнергетических заряженных частиц и особенно нейтральных. Они будут проходить нашу 3 мм фольгу насквозь как фольгу. И даже без тепла простой ионизацией разрушать тонике сверхпроводниковые структуры.
Вот как раз радиация - главный претендент на убийцу идеи.
И если и тут получится проскочить…
Мои фон-Нейманы, считай, вырвались на галактический простор!

[vsevolodson]

Мне сейчас интересно обобщить и вывести общее среди множества вариантов звездоплаванья. Это позволит окинуть взглядом картину целиком и делать выводы.

Первое, что бросается в глаза - это разделение каждой идеи на 4 составляющих: способ получения энергии; способ передачи рабочему телу; вариант рабочего тела; вариант двигателя(способ извлечения импульса). Эти 4 компонента есть в любом случае - будь у вас термоглиссер, парус или орионский взрыволёт.

Хочу предложить составить эту картину - из неё можно будет увидеть, что уже опробовано, а что - ещё нет. Итак, я начну - а вы дополняйте - какие варианты я упустил из рассмотрения.

А. Используемая энергия.
    1. Ядрёная.
        1.1. Солнце.
        1.2. Радиоизотопы.
        1.3. Расщепление.
            1.3.1. Стационарный реактор.
            1.3.2. Заряд (бомба).
        1.4. Синтез.
             1.4.1. Стационарный реактор.
             1.4.2. Инерциальный.
    2. Гравитационная.
        2.1. Джеты компактных аккрецирующих объектов.
        2.2. Гравияма.
    3. Химическая.
Б. Передача энергии рабочему телу.
    1. Облучение.
        1.1. Прямое.
        1.3. Фокусировка.
    2. Электричество.
   3. Контактная теплопередача.
         3.1. Смешение.
        3.2. Изоляция.
   4. Гравиполе.
B. Рабочее тело.
    1. Бозоны.
        1.1. Фотоны.
        1.2. Гравиполе.
    2. Фермионы.
        2.1. Электроны.
        2.2. Нейтроны.
        2.3. Газ.
            2.3.1. Слабо ионизированный (до ~4000К).
            2.3.2. Плазма.
Г. Двигатель.
    1. Ионный.
    2. Гравиманёвр.
    3. Сопло.
        3.1. Тепловое.
        3.2. Магнитный.
    4. Парус.
        4.1. Cветовой.
        4.2. Магнитный.
            4.2.1. Пассивный.
            4.2.2. Активный ("загребающий среду").

[bob]

какие варианты я упустил из рассмотрения.

Посмотрите сначала старые темы:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,839.msg308347.html#msg308347

[vsevolodson]

Посмотрите сначала старые темы:

Да вроде бы всё включил.

Позже хочу иллюстрацию из этого списка сделать - разделить на четыре столбца по пунктам самого верхнего уровня. Тогда наглядно будет виден весь доступный "инструментарий проектировщика звездолётов". Экземпляр варианта конструкции достигается соединением линиями "пунктов" из каждого столбика. Как-то так. Bзрыволёт "Дедал", например, описывается "формулой" двигательной установки А-1.4.2/Б-3.1/B-2.3.2/Г-3.2 и никак иначе.