Двигатель для межзвёздных перелётов

[Sergey E.]

Корабль 5 ступенчатый, одна ступень работает 30 лет. На счёт испарения вольфрама надо считать, на крайняк кожух из него будет расходник - лет на 10 работы.

[alex_semenov]

Корабль 5 ступенчатый, одна ступень работает 30 лет. На счёт испарения вольфрама надо считать, на крайняк кожух из него будет расходник - лет на 10 работы.

Не несите бреда. У вас где-то ошибка в расчётах. Ступени есть смысл использовать, если у вас ИЗБЫТОЧНАЯ удельная мощность. На порядки. В противном случае у вас ступени - БАЛЛАСТ, тормозящий ваш полёт.
Только если у вас есть безумная тяга, тогда вы быстро разгоняетесь и быстро тормозитесь. И летите, считай всё время в инерциальном режиме.
Тогда вы можете КОМПЕНСИРОВАТЬ недостаток удельного импульса (скорости истечения) избыточно-большим R - массовым числом (числом Циолковского). Вы можете так купить характиристическую скорость ракеты в разы большую чем скорость истечения (расплатившись с проклятьем формулы Циолковского). Но для этого нужна ИЗБЫТОЧНАЯ тяга. Это не покупается нашару.
У вас есть такой избыток?
Нет конечно. В межзвездном космосе на такое может расчитывать только бомболёт.
Если же у вас ионник, пендюрка, которая даёт хорошую скорость истечения (можно помыслить до 10 000 км/с вполне свободно) но при этом страдает хроническим недомоганием ТЯГИ (то есть секундного расхода топлива, то есть  УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ всей системы) то вам нехнен рыпаться со ступенями. Быстрей всего при данной удельной мощности (1-10 квт/кг) вы доберётесь до цели (по оптимальной траектории) с массовым числом R~ 4. Сравните это с R  у многоступенчатых ракет 30-50-100...
Вам не нужны ступени. Если у вас напряжёнка с удельной мощностью - забудьте о ступенях. Это особый случай избытка энерговооруженности, которой в данном случае у вас нет.
Ну и разумеется,  даже на 10 квт/кг вы будете чапапать по оптимальной траектории до ближайшей звезды  столетиями и это никак не избежать. Увы!

[Иван Моисеев]

Но. Главный вопрос остаётся открытым. Хорошо. Мы имеем бесчисленное число "ступенек"- локальных веток рывков-локальных прогрессов. А если всё это теперь сложить в некую одну МЕТК-кривую? Построить ОБОБЩЕННЫЙ тренд? Кривую обобщающую все "ступеньки". Его форма какой будет?

Линейный рост?
Экспонента?
Логарифмическая кривая (почему бы и нет)?
Логистическая кривая тоже (то есть малое фрактально повторяется в большом)?

Я видел много попыток такие кривые нарисовать.
И все попытки нарисовать кривую "вообще" настолько унылы, что их уныло обсуждать.
Единственное, что можно как-то обсуждать, это направление вектора.
Вот пример грамотного и верного прогноза от генерала Кобаладзе - «2023 год будет хуже 2022 года, но ничего - он будет лучше 2024 года».
Но это местный прогноз, глобальный можно строить на реальных данных, например, в космонавтике:

Это только один из параметров, а их много. Их совокупность дает уверенный прогноз на 20-30 лет о быстром росте в космонавтике.

[Проходящий Кот]

Если у вас на 1 ступени 100 двигателей, на второй  --50, 3-25, 4--- 12, 5-6, 6-3, 7-2 , 8- 1.
Только для этого многоступенчатость нужна.

Чтобы сбрасывать ненужный балласт.

[alex_semenov]

Чтобы сбрасывать ненужный балласт.

При массовом числе 4-5 овчинка не стоит выделки. Особенно это бессмысленно для ионника. Сами двигатели весят ерунду. Значит надо сбрасывать "ненужные" реакторы. И за одно радиаторы... Значит надо иметь их "пучками". А это просто так не купится. В общем - дурная морока. Хотя Шепард в 1952-м году это и городил. Он вообще предлагал сжигать "ненужные" двигатели в качестве рабочего тела в оставшихся. Но никто не показал КОЛИЧЕСТВЕННО какая выгода от этой идеи.

[Проходящий Кот]

Главная выгода в том, что такая система всё-таки долетит  до цели.
Даже если часть двигателей выйдет из строя.

[Sergey E.]

Ни какого бреда Алекс Семёнов тут нет просто немного не ваша область исследований и мой карявый язык)) 1 киловатт на кг; десять в девятой секунд работы- 30 лет работы. 33% ксенон. 33% ионник реактор и фотоэлемент. 34% след. Ступень. Реактор переходит в след ступень и таким образом вес остатка 40% что при 5 ступенях даёт( при скорости истечения 1200 км в сек) итоговый ве в 1% стартового. Киловатт=10 в 3 ей* 10 в 9 ой секунд = 10 в двенадцатой что при квадратном корне даёт скорость истечения. Конечная скорость корабля раза в 2-2.5 выше скорости истечения.

[-Asket-]

На температурах 2000+, и тем более за 3000К материал очень активно испаряется.

Лист из вольфрама при 2500°C в вакууме теряет по 1 мм за год, если испарение происходит только с одной стороны:

[Иван Моисеев]

2 января опубликована статья Kelvin F. Long
Sunvoyager - Interstellar Precursor Probe Mission Concept Driven by Inertial Confinement Fusion Propulsion.

Абстракт
Sunvoyager — это концептуальная миссия космического зонда, который может быть отправлен за пределы солнечной гелиосферы на расстояние 1000 а.е. за время полета всего 3,4 года со скоростью 1500 км/с или 325 а.е./год.  Это усовершенствованный пролетный зонд "Вояджер", но концептуальная конструкция уникальна тем, что в нем будет использоваться термоядерный двигатель с инерционным удержанием, на капсулах массой в грамм с частотой импульсов 10 Гц с использованием энергии лазерного драйвера мощностью 5 МДж, достигающей капсулы.  Такая конструкция может стать возможной во второй половине 21 века.  Зонд будет нести 100-тонную научную полезную нагрузку для наблюдения из точки гравитационного фокуса, пролета карликовой планеты и получения изображений межзвездных астероидов.  Второстепенные научные цели будут включать измерения межзвездной среды, измерения астрометрии и поиск сигнатур внеземной энергии и импульсного излучения.  Маршевый двигатель характеризуется тягой 23 кН, реактивной мощностью 54 ГВт и удельной мощностью 147 кВт/кг.  В этом документе излагаются научные цели в дополнение к расчетам, которые охватывают пространство проектирования с использованием недавно созданного численного инструмента для анализа производительности двигателя и миссии под названием HeliosX.
Смотреть/скачать: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.A35539

Мой краткий коммент в контексте TAU - https://ivan-moiseyev.livejournal.com/287599.html

[Татарин]

Интересно, что то подобное уже создано? Хотя бы в отдельных элементах и составляющих?

Подобное.
Во-первых, над термофотовольтаикой работали применительно к - парадоксально, но - солнечной энергии. То есть, картина предлагалась такая: концентратор солнечного света нагревает некую блямбу, блямба переизлучает света в узком спектре, далее - эффективное преобразование СБ на эту полосу. В середине-конце 90-х достигли 25% "от солнца", но технология, очевидно, проиграла прямому преобразованию (собссно, главная выгода была в компактности преобразователей, пока они были дороги, эти имело смысл, как только массовые СБ подешевели, недостатки вылезли на первый план). В России как раз сделана бОльшая часть работ по гетероструктурам на узкозонных ПП.

Но на этих системах (в лабах) отработаны и селективные покрытия, и подавляющие "паразитное" излучение метаструктуры, и теплоизоляция с селективным отражением.
По метаструктурам отдельно хорошо работали/работают применительно к топливным термофотогенераторам. Ну, та же фигня, но излучатель греется газовой (бензиновой, дизельной, не суть) горелкой с рекуперацией. В теории достигли хороших результатов по КПД, но на практике цена и некоторые, гм, особенности эксплуатации никого пока не радуют (в земных условиях очень сложно хорошо теплоизолировать сильно нагретый излучатель, к которому подводится топливо и окислитель, да ещё и так, чтобы оно ещё и не разлетелось от одного чиха в пяти метрах. Зато по излучательным селективным метаструктурам есть работы офигенные. Вообще, по физике фотонных кристаллов с 2000-х очень сильно продвинулись.

В середине 0-х в Штатах начали работать по радиоизотопным термофото-генераторам для космоса. Утверждается, что 30% было достигнуто для диапазона мощности в десятки Вт (на плутонии-238). Применительно к изотопам всё заглохло в том числе потому, что падение тепловой мощности сильно сказывается на спектре, всё по закону Вина (соотвественно, КПД падает сверхлинейно, соотвественно - резко снижается срок службы, или недоиспользуется масса, или и то, и то).

Собссно, поэтому сейчас и можно говорить, что всё вполне достижимо.

Более того, в прЭссу относительно недавно выплыла из "Росатома" инициативная работа позапрошлого года по "Ромашке" - как раз компактному микрореактору с термофотопреобразованием. Не факт, что там что-то дойдёт когда-то для железа, но факт, что серьёзные мужики рассмотрели этот вариант и идея дошла хотя бы до эскизного проектирования.
Это говорит о том, что как минимум это не полная фигня, которую можно просто откинуть после пары часов расчётов. И даже после пары суток, и даже после месяца.

  Есть ещё подвох. На температурах 2000+ , и тем более за 3000К материал очень активно испаряется. Плюс радиоизотопная деградация структуры как самого "ядра", так и всего обвеса.
   Сильно сомневаюсь что такая система не точто 600лет,   Даже 60 и 6 лет в автономном режиме не отработает)))

Углерод в правильной форме очень плохо испаряется вплоть до момента плавления около 4кК. В термоядерных установках попробовали - нормально едет (а там и плазма в 10-100МК, и рентген, и вакуум). Причём, та степень испарения, которая там считается "приемлимой" - офигительно мала. Добавки тяжёлых ядер, у которых энергия полной ионизации больше температуры плазмы, резко увеличивает излучение, пропорционально 4 и 8-й, что ли, степеням (по разным механизмам) температуры (да и просто тормозное ~ Z^5), а учитывая температуру - это очень дофига, ничтожное число атомов примеси мгновенно выморозит плазму в ноль.

Кстати, что характерно, поначалу пробовали именно вольфрам. И на маломощных установках именно он. Но оказалось, что там есть пороговые плотность плазмы и  поток мощности на поверхность (даже без всякого там термояда, просто утекающее из нагретой плазмы тепло - и рентгеном, и самой плазмой), начиная с которого вольфрам начинает испаряться в плазму, появляется "ложка говна в бочке варенья" и вот всё это.

"Ядро", ессно, должно быть предельно простым. Управление реактором должно быть утечкой нейтронов из зоны через частичное отражение обратно, светящаяся часть там должна быть максимально простой.
Спектр нейтронов для такой системы - отдельная тема для обсуждения, быстрый спектр заманчив возможностью поддерживать около-единичный запас реактивности меньше доллара, а у теплового спектра есть своя фишка - саморегуляция мощности и температуры напрямую через допплеровское уширение и температурное ужесточение спектра нейтронов, без всякой внешней автоматики.

Системе в целом не нужно работать 600 лет. Отработанную зону можно просто отстреливать и заменять. Там всё равно ничего ценного, зачем отработанное топливо волочь с собой?

[Vavanzer]

Но для этого нужна ИЗБЫТОЧНАЯ тяга. Это не покупается нашару.

Что это такое?) Что за избыточная тяга?

И почему не должно быть ступеней?) Хотя бы тех же отваливающихся баков с расходным веществом.
Какая разница в невесомости в плане ускорения, что 0.1 м/с2, что 100 м/с2, по итогу импульс полезной нагрузки будет один и тот же, только во времени разгона будет разница, и в мощности источника энергии.

[Vavanzer]

Во-первых, над термофотовольтаикой работали применительно к - парадоксально, но - солнечной энергии. То есть, картина предлагалась такая: концентратор солнечного света нагревает некую блямбу, блямба переизлучает света в узком спектре, далее - эффективное преобразование СБ на эту полосу. В середине-конце 90-х достигли 25% "от солнца", но технология, очевидно, проиграла прямому преобразованию (собссно, главная выгода была в компактности преобразователей, пока они были дороги, эти имело смысл, как только массовые СБ подешевели,

Есть способ намного проще - добавить к панели зеркала.  А сам фотоэлемент охлаждать дополнительно извлекая ещё энергию.
Можно не просто зеркала, с покрытием, отражающим лишь нужный диапазон спектра, который усваивает фотоэлемент, чтобы не перегревать его.
Зеркала - по сути та же нанопленка, которая весит миллиграммы на квадратный метр. Т.е массовая эффективность энергосборника будет сотни и тыщщи киловатт на килограмм веса.

[Vavanzer]

Углерод в правильной форме очень плохо испаряется вплоть до момента плавления около 4кК. В термоядерных установках попробовали - нормально едет (а там и плазма в 10-100МК, и рентген, и вакуум). Причём, та степень испарения, которая там считается "приемлимой" - офигительно мала

   Тут совсем другая задача. Судя по тому что сейчас обсуждаете, вы хотите зажечь ядерную лампочку больших размеров, да ещё и с управляемыми характеристиками. И надо чтобы она не развалилась, и не испарилась в вакууме. А температуры для того спектра, который пригоден для фотоэлементов, как раз в области, когда самые тугоплавкие материалы теряют прочность.
  600 лет чтоб ещё проработала... Тут уж увы, ещё в лохматые годы выяснилось, что конструкционные материалы в активных зонах реакторов быстро деградируют из-за трансмутации ядер, и насыщаются в тч и газообразными изотопами, проще говоря в труху превращаются. За считанные годы.

[Vavanzer]

Системе в целом не нужно работать 600 лет. Отработанную зону можно просто отстреливать и заменять. Там всё равно ничего ценного, зачем отработанное топливо волочь с собой?

  Есть ли гарантия, что через 100 лет системы будут все еще в сосооянии "соображать" и что либо отстреливать?)))

И кстати,  посчитате, сколько проработает ядерная лампа, зная энергоёмкость  изотопов, да ещё и с учётом того, что по мере их распада, мощность будет падать. Можно прикинуть её примерное время работы, зная температуру и площадь излучающей поверхности.

[Татарин]

Углерод в правильной форме очень плохо испаряется вплоть до момента плавления около 4кК.
   Тут совсем другая задача. Судя по тому что сейчас обсуждаете, вы хотите зажечь ядерную лампочку больших размеров, да ещё и с управляемыми характеристиками. И надо чтобы она не развалилась, и не испарилась в вакууме. А температуры для того спектра, который пригоден для фотоэлементов, как раз в области, когда самые тугоплавкие материалы теряют прочность.
  600 лет чтоб ещё проработала... Тут уж увы, ещё в лохматые годы выяснилось, что конструкционные материалы в активных зонах реакторов быстро деградируют из-за трансмутации ядер, и насыщаются в тч и газообразными изотопами, проще говоря в труху превращаются. За считанные годы.

Так я и говорю, что у углерода с этим проблем нет - ни с тугоплавкостью, ни с испарением. Работать 600 лет одной конкретной зоне не нужно - лучше будет выкидывать отработанные зоны.

Про "деградацию" - не то и не так, в земных реакторах зона не "изнашивается", а тупо выгорает топливо. За месяцы, да. Потому что именно за месяцы (за 1-3 года в "больших" реакторах) топливо и выжигают.

Так и тут "изнашивается" даже не "активная зона" в смысле традиционном же, а активная зона, на 100% состоящая из топлива. В ней нет никакого конструктива, только топливо в оболочке (в отличие от традиционных реакторов, где теплоноситель, барьеры безопасности, СУАЗ, САОР, измерительные системы и т.п.. Тут всего этого нет, как нет нужды держать давление, выдерживать геометрию, нести знакопеременные механические нагрузки связанные с турбуленцией, местным кипением, нет потребности удерживать ГПД - пусть свистят себе спокойно в открытый космос по мере диффузии.
Так что остаётся только выработка топлива и деградация поверхности, да и то... отработала - выкинули, поставили новую.

Если нет надежды, что автоматика проработает сотни лет, то нет смысла и вообще браться и думать о чём-то. Но в целом, не видно причин быть пессимистом.

[MenFrame]

Углерод в правильной форме очень плохо испаряется вплоть до момента плавления около 4кК. В термоядерных установках попробовали - нормально едет (а там и плазма в 10-100МК, и рентген, и вакуум). Причём, та степень испарения, которая там считается "приемлимой" - офигительно мала. Добавки тяжёлых ядер, у которых энергия полной ионизации больше температуры плазмы, резко увеличивает излучение, пропорционально 4 и 8-й, что ли, степеням (по разным механизмам) температуры (да и просто тормозное ~ Z^5), а учитывая температуру - это очень дофига, ничтожное число атомов примеси мгновенно выморозит плазму в ноль.

Дураки видимо не знают что углерод в правильной форме, лучше бериллия. Ну а совсем дураки литий на микропоре обсуждают.

[alex_semenov]

Конечная скорость корабля раза в 2-2.5 выше скорости истечения.

То есть R (число Циолковского) ракеты 7.4-12,2? И конечная скорость 2400-3000 км/с?
Торможение не предусмотрено?
Предусмотрено другими средствами (электический или магнитный парашют по-моему на таких скоростях еще почти бесполезен)?
Почему  такая скорость истечения? 1200 км/с? Почему не больше? Как по мне при большей скорости истечения и меньшей R вы получите лучший результат (время перелёта)
Я не понял этого пассажа:

Киловатт=10 в 3 ей* 10 в 9 ой секунд = 10 в двенадцатой что при квадратном корне даёт скорость истечения.

Что такое 10 в 9 секунды? Время? Тогда у вас получаются джоули, но я всё равное   не понял как получается скорость истечения? Растолкуйте. Торможу. Скорость истечения, это корень квадратный из УДВОЕННОЙ энергии затраченной на разгон порции ракетной массы (скажем, на кг).
Какая у вас всё-таки полезная удельная мощность? 1 квт/кг? 10 квт/кг? Куда вы летите? Это перелёт? Это флай бай?
Если у вас перелёт (разгон и торможение) на дистанцию 4.3 св.года, то при 1 квт/кг вам оптимальной будет скорость истечения в примерно 3000 км/с. И до цели вы доберетесь по оптимальной траектории за 823 года. Если у вас 10 квт/кг, ваша оптимальная скорость истечения 6 500 км/с и у цели вы будете через 386 лет.
У вас в проекте явно заниженная скорость истечения и завышенная R (от оптимума при данной удельной мощности). Вы оптимизируете ступенями неоптимальную ракету. Зачем ломиться в открытую дверь?
В ионнике, в принципе, можно задать себе любую скорость истечения вплоть до 10 000 км/с (дальше будет пробой вакуума от высокого напряжения). Но при 1-10 квт/кг мы еще вписываемся в этот диапазон с оптимальной ракетой (чего нельзя сказать уже при больших удельных мощностях).
В принцие, если бы мы могли получить для ионника энерговооруженность в 30 квт/кг, то оптимальная скорость истечения всё еще 9 500 км/с. На пределе, но еще можно использовать ионный двигатель. И минимально возможное время перелёта к А  Центавре (4.3 св.года) составит 268 лет.
Вся засада тут  - в удельной мощности системы.
Кстати, на Штерновские 30 св. лет - уже нет.
Имея даже удельную мощность в 30 квт/кг на такой дистанции оптимальная скорость истечения уже 19 000 км/с и мы ее в ионнике получить уже не можем. А если бы ухитрились как-то то были бы у цели через  978 лет.
Прикол в чем? Если ограничить себя скоростью истечения в 10 000 км/с,  то для оптимального перелёта на дистанцию 30 св. лет у вас получается удельная мощность 5 квт/кг и время перелёта  1776 лет. И дальше увеличивать энерговооруженность (даже если есть возможность) бессмысленно. Вы не можете в ионнике получить оптимальную скорость исчетения.
Штерн считает что на 30 св. лет можно добраться за 3000 лет.
Да, такой срок будет у оптимальной ракете при удельной мощности в 1 квт/кг и скорости истечения 6 000 км/с.
Все эти варианты объединяет одно. Массовое число всех этих оптимальных ракет в районе 5 (на килограмм пустой ракеты ~4 кг ракетной массы).
Расчет выше не проверял, не учитывал границу калорийности топлива. Если представить невозможную ситуацию, что делящийся  уран САМ СЕБЯ будет ускорять с 100% эффективностью то скорость истечения получается ~15 000 км/с (с такой же скоростью летят осколки деления сразу после деления). Таким образом при предельном для ионника истечении ~10 000 км/с ЗАМЕТНАЯ доля ракетной массы должны составлять уже продукты деления из реактора. Это - отдельная головная боль.
Это к тому, что выбрасывать за борт отработанное ГОРЮЧЕЕ (не путать с ракетной массой)... в данном случае может быть непозволительной роскошью.

[Sergey E.]

У меня при 1 киловатт на кг энергия 10 в двенадцатой и m*v*v/2 даёт скорость истечения 1400 км в сек( у вас получилось 3000 км в сек это при менее оптимальном соотношении когда газа меньше чем сухой массы - погрешности рассчёта)при оптимальном соотношении масс топлива и двигателя в равных пропорциях -импульс m*v и элементарно кинетическая энергия.

[alex_semenov]

У меня при 1 киловатт на кг энергия 10 в двенадцатой и m*v*v/2 даёт скорость истечения 1400 км в сек( у вас получилось 3000 км в сек это при менее оптимальном соотношении когда газа меньше чем сухой массы - погрешности рассчёта)при оптимальном соотношении масс топлива и двигателя в равных пропорциях -импульс m*v и элементарно кинетическая энергия.

У меня не может быть ошибки. Мы тут несколько страниц назад, несколько человек более-менее независимо пришли разными путями к одним по-сути результатам при поиски отпимума абстрактной ракеты при перелёте на дистанцию L со скоростью истечения u , энерговооруженносью w и доле активного участка 0<x<1.
Можно зафиксировать u и w и искать локальный оптимум x (для данной дистанци L), как это делает Моисеев своим методом для своей термоядерной ракеты с фиксированной скоростью истечение (и это совпадает с моим расчётом).
Можно вообще найти глобальный оптимум для абстрактной ракеты при данном L и w, то есть оптимальные u и оптимальное x одновременно.
И секрета тут нет. Берите и пользуйтесь!
Время перелёта:

Тупо перебором находим экстремум, например:

Именно эти данные (из этой таблички, но подставляя в нее разные исходные данные) я вам и привожу здесь выше.
Ошибка у вас. И я не понимаю даже где. Что значит "при оптимальном соотношении масс топлива и двигателя в равных пропорциях -импульс m*v и элементарно кинетическая энергия" Это что за такой странный критерий оптимальности?
Где вы его взяли или как вывели?

[Татарин]

Углерод в правильной форме очень плохо испаряется вплоть до момента плавления около 4кК. В термоядерных установках попробовали - нормально едет (а там и плазма в 10-100МК, и рентген, и вакуум). Причём, та степень испарения, которая там считается "приемлимой" - офигительно мала. Добавки тяжёлых ядер, у которых энергия полной ионизации больше температуры плазмы, резко увеличивает излучение, пропорционально 4 и 8-й, что ли, степеням (по разным механизмам) температуры (да и просто тормозное ~ Z^5), а учитывая температуру - это очень дофига, ничтожное число атомов примеси мгновенно выморозит плазму в ноль.

Дураки видимо не знают что углерод в правильной форме, лучше бериллия. Ну а совсем дураки литий на микропоре обсуждают.

Дураки, наверное, не знают.
А ещё дураки, наверное, не знают, что в ТЯ-установках важны другие и факторы, которые я тут даже называл (например, есть такая стратегия минимизировать Z конечного покрытия вакуумной камеры, и пофиг на всё остальное).
Конструкторы ТЯ, конечно, обо всём этом знают.

Но к обсуждаемому вопросу это имеет отношение... примерно никакое.