Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Одинаковую кинематику - это одинаковые скорость истечения, расход массы и коэффициент конструктивного совершенства?
Это скорее уж динамика, а не кинематика.

Кинематика, как я помню из условного Пёрышкина, это время, скорость, ускорение, дистанция.
Масса и сила - это уже динамика.
Так вот на всех тех ступенях разная масса, разная сила (хотя скорость истечения и удельный расход топлива на массу пустой ступени - один и тот же). Но ускорение (а значит скорсоти, значит дистанции) там у ступеней совершенно идентичные. То есть динамика там разная, кинематика - одна.

Но, не важно. Что-то мне подсказывает, что оптимальное распределение дельты-V по ступеням далеко от равномерного.
Когда-то я перебирал варианты на фортране, распечатки сохранились, но разобраться сейчас, что я там напрограммировал нет никакой возможности. Давно это было. Но в планах у меня этот вопросик существует...

Оптимальная именно "в пустоте"? Вне влияния (заметного) сил гравитации и прочих, типа, сопротивления среды?
Мой склероз подсказывает что как раз подобие ступеней - идеальный случай для такого простого случая.
Но могу быть не прав. Я как-то даже тут уже обещал найти первоисточник... где я эту иллюзию себе подхватил.
Это конечно при условии одинаковой скорости истечения на всех ступенях.
Хотя... возможно я и не прав даже при одинаковых скоростях истечения.
Практической космонавтике такая простая задача оптимизации была бесполезна. Надо искать ее решение у теоретиков-основателей.

[Иван Моисеев]

Оптимальная именно "в пустоте"? Вне влияния (заметного) сил гравитации и прочих, типа, сопротивления среды?

Эти влияния обходятся введением понятия характеристической скорости. Гравитация ограничивает область решения минимальной тягой и все.

Практической космонавтике такая простая задача оптимизации была бесполезна.

Практическая космонавтика решает эту задачу для каждой конкретной ракеты, что правильно. Но в практической космонавтике пройденный путь имеет малое значение, упор делается на характеристическую скорость. А в нашем случае S - определяющая.

[Sergey E.]

И шо? И всё?
И - тишина...
Я, кстати, тормозные лунки не так закрасил. На участке торможения. Наоборот надо. Кто заметил?

И шо? Забросим?
Сергей, фамилию свою дайте! А то я назову эту идею "зонд Сергея Безымянного"
 

Сергей Елистратов.
https://vk.com/ac4glider
Времени нет пока уточнять детали, напишите свой список вопросов - уточню.

[alex_semenov]

Сергей Елистратов.
https://vk.com/ac4glider

Ага. Значит "зонд Елистратова". Ещё почему-то мне хочется эти 8 ступеней назвать "ёлкой", "Ёлка Елестратова". Может потому что новый год вроде как был?
Я смотрю вам понравилась моя картинка с наброском реактора. Это сыро (без минимального расчёта даже. А нет расчёта - нет идеи). Но больше всего меня беспокоит то, что там я написал "бреггавские", а правильно "брегговские". Если есть возможность - исправьте. Люди на такое обращают внимание в первую очередь.

[alex_semenov]

Но в практической космонавтике пройденный путь имеет малое значение, упор делается на характеристическую скорость. А в нашем случае S - определяющая.

Да, конечно, но мы сейчас пока и говорим о максимизации скорости.  Мне кажется связь с максимизацией дистанции тут проста и незатейлива. Я даже не могу себе представить ситуацию когда более быстрая ракета (при прочих равных) пролетела бы дистанцию L за меньшее время... чем такая же но чуть медленней.
Из детской книжки Анатолия Шабанова "Заботы космических архитекторов":

Распределение массы четырехступенчатой ракеты между ее ступенями: а — неправильное; б — правильное.

Здесь показано изменение максимальной скорости двухступенчатой ракеты в зависимости от распределения массы между ее ступенями.

[Иван Моисеев]

Да, конечно, но мы сейчас пока и говорим о максимизации скорости.  Мне кажется связь с максимизацией дистанции тут проста и незатейлива. Я даже не могу себе представить ситуацию когда более быстрая ракета (при прочих равных) пролетела бы дистанцию L за меньшее время... чем такая же но чуть медленней.

А по-моему легко представить. Это же ваш вариант без пассивного участка.

Из детской книжки Анатолия Шабанова "Заботы космических архитекторов":

Как-то эта книжка ухитрилась мимо меня проскочить. Спасибо, надо прочитать немедленно.
(Детские книжки я с детства предпочитаю всем прочим.)

[alex_semenov]

А по-моему легко представить. Это же ваш вариант без пассивного участка.

Да. Я - затупил. Не так надо было сказать. У нас есть v - конечная скорость есть u - скорость истечения на всех ступенях одна.  Ну и количество ступеней n. Начнём с двух. Но можно сразу взять 8. Надо МИНИМИЗИРОВАТЬ массовое число R всей ракеты.
Я имел ввиду именно такую ситуацию. Максимизация v - неправильный подход.

Как-то эта книжка ухитрилась мимо меня проскочить. Спасибо, надо прочитать немедленно.
(Детские книжки я с детства предпочитаю всем прочим.)

А вы непростой человек Иван!
 
Она есть у Хлынина "Эпизоды космонавтики". Сейчас пытался зайти - не пускает (через ВПН Европа). Нет сайта! Просто четез наш украинский Интернет заходить в Россию бесполезно. Даже Астрофорум - закрыт. Я испугался что хлынинские Эпизоды зкарыли.... Закрыть могут в два счёта (или отгородиться в России от Европы). Зашёл через Азию - пустило. Но вроде как это просто сайт лежал. Сейчас отовсюду пускает. Но... боюсь последние золотые дни живём... Всё хорошее кончается. И именно когда закончилось, люди и понимают как это было здорово! Современники эдем не оценивают никогда! Им это кажется естественным как воздух.

[Vavanzer]

То есть фотоэлемент может принять поток... 107 Ватт/м2 и с эффективностью 55% превратить это в электричество? 10 МВт на м2? И снять ток в  5,5 Мвт? Это пардон, какой ампераж, если у вас напряжение - пару вольт? Толстые сварочные кабеля и рядом не лежали же!

Так значит можно и солнечную энергию концентрировать сколь угодно, раз столько способен поглотить!
А на счёт проводов, так там можно смело сверхпроводники применять. В тени хоть до абсолютного нуля можно охладить все что угодно!

[библиограф]

А на счёт проводов, так там можно смело сверхпроводники применять.

А про критический ток сверхпроводника, не, не слыхал?
Будем пропускать миллион ампер через провод в волос толщиной?

[alex_semenov]

Так значит можно и солнечную энергию концентрировать сколь угодно, раз столько способен поглотить!

Ну ~100 кратный поток от Солнца у Земли (~ 1,3 квт/м²) можно помыслить. В пределе. Знаете что такое "Орбита Кларка"? Это орбита в 0.1 а.е. Артур Кларк считал что там можно разместить многокилометровую солнечную электростанцию, которая будет снабжать солнечной энергией всю Солнечную систему. Так вот именно на этой орбите поток солнечного света будет в 100 раз выше чем у Земли. И возможно это действительно уже чудо. Предел.
Просто прикиньте. Если самая высокая температура при которой полупроводник может нормально работать как фотопреобразователь света в ток это 450 К, то можно посчитать поток с этой пластины (для надёжности будем брать одну сторону поверхности). По Стефану-Больцману это 2 325 ватт/м². Вот теперь и считайте. Пусть у вас упало 10 кВт/м². Пусть 5% отразилось (фотоприёмник чёрный). Значит 95% поглотились. Если ваш фотоприёмник превратит 72% светового потока в электричество (и это уйдет по проводам) то останется  23% энергии, поглощённой в теле фотопреобразователя и нагревшей его. Это и будет поток 2 300 ватт, который  переизлучается как тепло в вакуум с м², если поверхность нагрета до 450 K. То есть полупроводниковый преобразователь нагреется в вакууме до чуть меньше 450 К  начнёт сливать поглощённое как тепловой переизлучатель  той части, что поглотилась но не превратил в ток и  будет продолжать работать. Баланс потоков установлен. Сколько пришло, столько ушло. Если вы дадите поток больше, преобразователь поглотит больше, нагреется выше, кпд токопреобразователя упадёт, в итоге он нагреется еще выше... в общем ваш преобразователь "поплыл". Вы его сожгли. То есть 10 кВт/м² для такой пластины будет предел. Но вы еще научитесь 72% брать в виде тока при 450 К! Это - вызов.
Хотя вон 55% уже берут, если поток монохроматический (лазер). Но мы и собираемся получать что-то близкое, вырезая полоски (платя второму началу термодинамики) брегговскими фильтрами и зеркалами из спектра чёрного тела реактора-нагревателя.
То есть, поток света на поверхность ограничен двумя параметрами. %  энергии, преобразованной в ток и  максимальной температурой, при которой это преобразование могло бы работать.  Рассказывают сказки о микро-диполях, которые будут воспринимать инфракрасный свет как антенны электромагнитное излучение. То есть это ПРОВОДНИКИ (раз) и значит они будут работать при больших температурах, чем полупроводник. Во-вторых обещают что они будут брать чуть ли не 98% падающей тепловой энергии (инфракрасного света). За счет, как я понял (поправляйте) ширины полосы приёма электромагнитных волн (то есть брать широкую полоску спектра). Такие, нагретые, допустим до 700 К (беру от балды) могли бы, наверное получать уже 100 кВт/м² или даже больше, отводя, скажем, 95 кВт тока...
Просто фантастика. Верно?

А на счёт проводов, так там можно смело сверхпроводники применять. В тени хоть до абсолютного нуля можно охладить все что угодно!

Тень создавать задолбаетесь. Я же насчитал. Если от потока 10 МВт/м² только 5% превратятся в тепло, то такая пластинка нагреется до 1500 К С ОБЕИХ СТОРОН! Какая тут тень? Провода будут нагреты до такой же температуры.

[Vavanzer]

Тень создавать задолбаетесь

Ну те кто создали телескоп Уэбба, смогли решить вопрос, чтоб в глубоком ИК он работал. Многослойный плёночный экран используют.
Я конечно не рассматриваю экстремальное приближение к Солнцу. Скорее склоняюсь к версии паруса преф лектора с тонкопленочными зеркалами. Избыточное в точке концентратора можно утилизировать пустив на предварительный нагрев рабочего тела. Электричество же будет питать ионный или плазменный двигатель.

[alex_semenov]

Надо МИНИМИЗИРОВАТЬ массовое число R всей ракеты.
Я имел ввиду именно такую ситуацию. Максимизация v - неправильный подход.

Еще не так.
Я нашел источник своего убеждения, что пропорциональная ракета - оптимальная.
У меня есть потрёпанная, пожелтевшая бумажная книга 1968 года рождения "Основы космонавтики" М. Фертрегт:



Там в главе 8 "Многоступенчатая ракета" на стр 149 есть раздел 8.7.1 Оптимальное отношение масс. Там две страницы выкладок через метот Лагранджа.... бла-бла-бла...  (могу сфотографировать и всё переслать если есть интерес) и на стр 151 сделан вывод:

получаем:

 

и

  (8.29)

Таким образом, мы установили, что для того что бы P было минимальным, отношение масс r субракет должны быть пропорциональны конструкционным отношениям s.

P - это отношение массы всей многоступенчатой ракеты к массе полезной нагрузки.
R - это массовое число всей многоступенчатой ракеты (начальная масса всей ракеты на конечную массу последней субракеты). Это произведение всех  r_i
p_i - (маленькое) это то же что и большое  для субракеты. У всех субракет кроме последней полезная нагрузка - следующая субракета.
r_i - (маленькое) - массовое число для кажой субракеты.
s_i - совершенство конструкции субракеты. То есть во сколько раз пустая (без полезной нагрузки) субракета легче заправленной (опять же без полезной нагрузки).
S - совершенство всей ступенчатой ракеты. Это произведение всех  s_i

То есть, как я понимаю критерий такой оптимальности.
Если у вас зафиксирована полезная нагрузка (M₀), число ступеней n, конечная скорость v и скорость истечения на каждой субракете равна некой u, то минимизация P (то есть минимизация стартовой массы ракеты из массы полезной нагрузки через минимизацию P : M=PM₀) требует что бы все ступени имели одинаковую пропорцию r/s . У симметричной или "пропорциональной" ракеты так это и есть.
Зонд Елистратова именно так и построен.  На любой ступени пропорции одинаковы. То есть, эта многоступенчатая ракета изначально в смысле оптимизации самой ступенчатости оптимальна и нечего там еще искать какого-то хитрого оптимума.
Как мне ка-а-а-а-ца...
Лично мне так ка-а-а-а-ца...
 

[alex_semenov]

Ну те кто создали телескоп Уэбба, смогли решить вопрос, чтоб в глубоком ИК он работал.

Нет, коненчо, если вы как следует экранируете... Но это же МАССА. Экраны. И будет ли это того стоить? Тем более что отводить вы должны непосредственно с нижней (как я понимаю)  и верхней поверхностстей тела фотопреобразователя, который уже раскалён до 450 К.
Вам нужен хрендостаниум с планеты Пандора!

Кстати, еще одна проблема. С фотопреобразователей мы получаем много тока с малым напряжением. Но на ионный двигатель надо подавать именно высокое напряжение. Нужен "трансформатор". Собственно это тоже машина со своим параметром  удельной мощности, то есть мощности (пропускаемой через неё) на массу ее собственной конструкции. Нам нужна очень лёгкая и мощная такая машина. Если мы хотим получить 5 квт/кг или даже 10 квт/кг всей ракеты, то узлы из которых ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО состоит эта ракета должны в разы быть еще более энерговооруженными. То есть нужен трансформатор в ~ 100 квт/кг. И тут опять возникает та же проблема потерь. При такой мощности (на кг массы не важно как устроенной машины) минимальная потеря (там 1-5%) ведёт к чудовищному нагреву (и потере функциональности агрегата).
Так вот. Тут то как раз сверхпроводники, думаю, и могли бы решить проблему просто устранив потери и тем самым обеспечив чудовищную энерговооруженность узла. То есть в месте куда стекается большой ток с огромного числа фотоэлементов должен быть хороший экран и очень холодный и лёгкий агрегат на сверхпроводниках, который преобразовывает ток в напряжение, которое потом идет на ионники.Тут, я уверен, игра с экранированием будет стоить свеч!

Кстати. Никто не стал выяснять как город Терминатор на Меркурии самокатился по рельсам у Кима Стэнли Робинсона в романе «2312», уходя от преследующего его восходящего там Солнца?



Рельсы нагревались восходящими лучами и... расширялись. А расширяясь они катили колёса города. То есть само Солнце катило город от себя.



Точно так же сам реактор будет нагревать стержни и они будут расширяться. А расширяясь, себя втягивать в реактор. Это будет даже куда надёжней и проще:



Достаточно сделать конусный вход в экране-стенке-теплоизоляторе и... реактор сам будет втягивать в себя урановые стержни за счёт расширения стержней. Эффект можно улучшить, поставив этой тепловой машине дополнительный холодильник в виде втулки из более теплопроводного материала с отводом тепла. Никакого специального привода, движущихся частей тут не надо. Только нужен тормоз, который останавливал бы втягивание если что. Можно даже регулировать скорость, управляя скоростью отвода тепла (то есть на том же принципе можно, кажется придумать и "тормоз").
Красиво?
Это действительно достойно патента! Но не будем мелочиться на потомках!

[Иван Моисеев]

Этому дереву 3000 лет...
Это я к вопросу о длительности перелетов.

[Иван Моисеев]

У меня есть потрёпанная, пожелтевшая бумажная книга 1968 года рождения "Основы космонавтики" М. Фертрегт:

Могу похвастаться, что и у меня есть. И читал я ее, когда она была совсем новой. Видимо, надо еще раз посмотреть..

[Ulkolainen]

Кстати, еще одна проблема. С фотопреобразователей мы получаем много тока с малым напряжением. Но на ионный двигатель надо подавать именно высокое напряжение. Нужен "трансформатор".

А почему для той же цели не подключить те же фотоэлементы последовательно?
Или есть к-л технологический барьер, мешающий это сделать?

[Sergey E.]

Кстати, еще одна проблема. С фотопреобразователей мы получаем много тока с малым напряжением. Но на ионный двигатель надо подавать именно высокое напряжение. Нужен "трансформатор".

А почему для той же цели не подключить те же фотоэлементы последовательно?
Или есть к-л технологический барьер, мешающий это сделать?

У нас 300 квадратных метров фотоэлементов на 1 блок реактора, конечно для лития в ионнике с 4 мя сетками можно запитать последовательно солнечные батареи и получить требуемые 60 киловольт напряжения.

[Татарин]

Кстати, еще одна проблема. С фотопреобразователей мы получаем много тока с малым напряжением. Но на ионный двигатель надо подавать именно высокое напряжение. Нужен "трансформатор".

А почему для той же цели не подключить те же фотоэлементы последовательно?
Или есть к-л технологический барьер, мешающий это сделать?

Конкретного одного барьера нет.
Но есть великое множество технических сложностей. Из-за которых это не делают и на Земле (3-20кВт удобнее, чем нынешние де-факто принятые стандартом 1.5кВ напряжения в последовательном соединении).

Впрочем, до 60кВ довести для космоса наверняка можно.

[Татарин]

То есть фотоэлемент может принять поток... 107 Ватт/м2 и с эффективностью 55% превратить это в электричество? 10 МВт на м2? И снять ток в  5,5 Мвт? Это пардон, какой ампераж, если у вас напряжение - пару вольт? Толстые сварочные кабеля и рядом не лежали же!

Так значит можно и солнечную энергию концентрировать сколь угодно, раз столько способен поглотить!
А на счёт проводов, так там можно смело сверхпроводники применять. В тени хоть до абсолютного нуля можно охладить все что угодно!

Можно. Но концентраторы сами по себе очень сложная, дорогая и тяжёлая конструкция (с сильно нелинейным ростом массы, инерции и моментов инерции). Собссно, поэтому на спутниках их не используют почти (кроме как в виде микролинз в некоторых СБ от "Боинг Спектролаб"). Хотя чисто формально если подумать - офигенно же, отражатель-то сильно полегче солнечной батареи, дешевле и куда менее уязвим, а ещё в КПД возможен выигрыш (КПД СБ при концентрации света и одинаковой температуре несколько растёт).

Со сверхпроводниками есть такая сложность, что в тени-то оно да... но вот где та тень ещё... Сам спутник - излучает, затенятель - излучает. Не, можно, конечно. Но тоже с большим перечнем мелких технических проблем, после которых у технических предложений наступает "смерть от ста тысяч царапин".

[alex_semenov]

А почему для той же цели не подключить те же фотоэлементы последовательно?
Или есть к-л технологический барьер, мешающий это сделать?

Честно говоря - не знаю. Может и можно. А может есть причина, почему не стоит. Но я знаю что с "Топазов" - термоэмиссионников снимал всё же большой ток с малым напряжением, а потом его преобразоывали в нужный (при этом там, кажется использовались последовательно-параллельные "гирлядны"). Тут нужно вникать именно что в тонкости уже самой этой механики. Быть в теме по самые уши. Может кто-то объяснит, кто в курсе?

У нас 300 квадратных метров фотоэлементов на 1 блок реактора, конечно для лития в ионнике с 4 мя сетками можно запитать последовательно солнечные батареи и получить требуемые 60 киловольт напряжения.

Сергей. Вы мне показали хороший пример того, что я сам часто делаю тут неверно. Но со стороны это не видно. Когда ты вываливаешь массу конечных цифр, полученных каким-то там расчётом у тебя под рукой, который есть только у тебя, то это только запутывает того, кто читает это и не в курсе промежуточных расчётов.
60 000 вольт... Если каждый элемент по 1.5 вольт это сколько же должно быть последовательно включенных элементов?
А если один порвётся?
Да, ясно, можно сделать обходной ключ... Но может всё же богу богово, а кесарю кесарево? На фотопанелях соединить всё так, как лучше для работы собственно преобразователя, ну а сам ток... Я вполне допускаю что некий генератор "в тени" на сверхпроводниках мог бы с энерговооруженность и 100 квт/кг преобразовать ток в напряжение. Нет? Кстати, допускаю что на зонде-Мафусаиле (тысчяелетнике)  могут быть движущиеся часть. Движущиеся не обязательно трущиеся. То же вращение, это не страшно если всё подвешено в магнитном поле и ничто ни обо что не трётся. Только поле пересекает проводники. Ну и хай себе так крутиться 1000 лет! "1000 лет" - это условный предел, разумеется. Ну 100 лет... в реале.