Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Про термическое испарение в вакууме слыхали?

Я так понял, вы вот это моё сообщение-ответ вам не прочли?

Карбонитрид гафния имеет температуру плавления 4500 к так что при 2500 к. испаряться будет мало - данных у меня нет но

Вопрос испарения можно закрыть "эффектом галогенной лампы", тем более что у нас всё равно должна быть колба брегговского фильтра. Сами стержни или что у нас там поступает в реактор, их нет нужды покрывать вольфрамом. Вольфрам в галогенной среде будет циркулитровать только внутри "лампы", самонапыляясь на свежую часть стержня/новую порцию ядерного топлива.

Вопрос в другом. У нас раскалённая до 3000 К конструкция. А ПРОЧНОСТЬ этой конструкции чем мы будем придавать? Форму удерживать всему этому как? Есть у нас материалы, которые при такой температуре смогут служить силовым каркасом для реактора?  Не важно пока как такой реактор устроен. Да, понятно что нагрузки у нас не бог весть какие от ускорения. И тем не менее.
Перове что приходит в голову как образец - лампочка накаливания.

Но здесь мы видим, что проблема прочности конструции решена за счёт МАССЫ конструкции.
По-сути колба из стекла, удалённая от раскалённой спирали и является каркасом.
Да, есть еще усики-проводники, подходящие к спирали. Но они держат только спираль.

Если это сфера, то как  мы эту сферу держать будем? На вытянутых руках как Данко свое сердце?

Не так. Эти события происходят в условиях большой (на фоне межзвёздного полёта) силы тяжести или ускорения. В результате используются несущие опоры, кажущиеся естественными на основе бытового опыта. А космическая (настоящая, а не то что имеем) техника должна делаться из несущих надутых пузырей, внутри которых натянуты несущие сети. Жесткие опоры могут использоваться разве что в жилых модулях для удобства, хотя и там наверное можно придумать что-то поэффективнее.

Вы тут фактически решаете вопрос прочности так же как и электрическая лампочка накаливания.
Да, проволока у вас работает на растяжение и подвешивает ваши нагревающие элементы. Это как усики, держащие спираль в лампе. Но чтобы эффект растяжения тонкой проволоки работал, надо что бы был некий силовой элемент растягивающий передний и задний торец всей вашей конструкции. У вас этот элемент может быть только боковая поверхность (не в масштабе) фоттоэлементов.  То есть по-сути "колба" как в электролампоче.
И это будет очень тяжёлое "силовое" решение.
Да, там не обязательно иметь сплошной каркас. Он может быть ажурным. Но он всё равно будет тяжёлым в силу того, что он будет большим.
Кроме того тут нет обязательного по мнению Татарина (и я с ним согласен) элемента - брегговского фильтра (я бы сказал колбы).
Сами фотоэлементы находятся (как я понял) под прямым действием нейтронов и гамма-лучей из реактора.
Это тоже сильно смущает.

Т.е. температура самих зеркал будет только около 1000 к ближе к центру и ниже по краям так что потери будут небольшие по формуле излучения зависящей в 4 ой степени от температуры.

Я не понял зачем фотоэлементы делать "плоскими"? Дань традиции?



Нет, логика может и есть. Тыльная сторона дает нам дополнительную поверхность охлаждения самих панелей. Но... Мне кажется как бы мы не делали зекала, но дальние края плоской панели будут освещены хуже  (хотя подобная проблема может возникнуть и в моей "трубчатой" схеме что я предложил раньше).
Конечно, если вы расположите реакторы квадратно-гнездовым способом как картошку на поле, то вы проблему ослабите...
Опять же. Вопрос прочности. Что придаст конструкции форму и главное - прочность?
Хотя, да, дизайн прикольный. Если сделать панель не квадратной а круглой. Даже в чём-то футуристичный.

И ещё. Не лежит у меня сердце к большому числу маленьких реакторов. Да, один большой реактор (на каждой ступени) - это тоже крайность (наверное) но тысячу мелких (к пример) - это тоже нездраво. Только на вид подобный реактор кажется простым. Когда у вас проступят все нюансы, выяснится что эта машина требует массы всякой вспомогательной "машинении".
Я уже приводил этот рисунок:

Сам реактор - это очень небольшой объем (и даже масса) по сарвнению с тем оборудованием, который этото источник тепла обслуживает и окружает. И там далеко не всё оборудование - тепловое или защита. Там и каркас и управление и... У нас тоже возникнут проблемы. Уже возникли с испарением. Кроме того я всё же сторонник "стержневого" подхода Штерна. Непрерывной загрузки-выгрузки топлива в реактор. И выгрузка отработки - еще та головная проблема.
Да, там... 22.5% массы осколков 235-го превращается в газы (цезий, ксенон и криптон) и это можно просто откачивать из колбы ("просто" надо брать в кавычки ибо ничего простого там не будет). Цезий не совсем газ но при тех температурах - да.  А вот остальное?
Шаровые конструкции не решают (в отличии от стержней Штерна) проблему "деградации" конфигурации реактора с выгоранием.
А что делать с распуханием?
Там масса неприятных деталей. Только на первый взгляд всё кажется просто.

[alex_semenov]

Пока так. Ступени еще не прикручивал, пока проверяем все ли правильно работает...

Я не совсем понял зачем оптимизация удельной мощности? И так ясно что чем больше у вас удельная мощность - тем лучше. Хотя в общем то понятно что вы пытаетесь все параметры "симметрично" перебирать.
Кстати. С удельной мощность и ступенями. Тут начав заниматься ступенями я обнаружил тонкость, в которую меня постоянно вредоносно тыкал Иван Моисеев. Мол, а абсолютную полезную мощность  НА ЧТО ДЕЛИТЬ? На какую массу?
Я уверял, что, мы НЕБРЕЖНО, пока делим на массу пустой ракеты.
Но масса пустой ракеты это масса конструкции плюс масса полезной нагрузки. То есть,  я изначально как бы "облегчаю" границу для инженернуой задачи, включая массу полезной нагрузки (которая по-сути никаким боком к инженерному совершенству ракеты как энергетической установки) в инженерную массу. В случае одноступенчатой ракеты такое "послабление" (мы же считаем задачу с "мораль" что "нам нужно НЕ МЕНЬШЕ" w, а скорей и больше!) было не сильно принципиально. Ну если полезная нагрузка составляет, скажем 10% массы пустой ракеты (а у ионников это где-то так и получается)...
Но... с переходом к ступенчатости, мы получаем абсурд при таком подходе. Масса каждой ступени состоит из трех масс. 1 - рабочая масса  (которая отбрасывается), 2 -масса конструкции (которая в общем то и должна считаться при расчете удельной мощности) и 3 - массу полезной нагрузки. И только у последней ступени эта масса - масса именно полезной нагрузки. У всех предыдущих 7-и ступеней E-зонда полезная нагрузка - следующий каскад субракет, которые тоже состоят из трёх масс, и т.д.
Таким образом для ступенчатой ракеты нужно ужесточать понятие "удельная мощность" высчитывая ее не из массы всей пустой ракеты, а только из массы именно конструкции ракеты/ступени.
Для того что бы сравнение с оптимальной одноступенчатой ракетой было верным, и для нее придётся ввести такое же ужесточение. Для этого придётся ввести в условие задачи еще один параметр, учитывающий долю полезной нагрузки в массе ракеты.
Я было забеспокоился, мол, придётся все выкладки сделанные для оптимизации одноступенчатой ракеты с вводом этого дополнительного параметра, надо будет переделывать. Но оказалось что нет. Переход от w к m-c-точкой (через массу пустой ракеты) - в одном месте. В начале. Ничего переделывать не надо.  Просто там, где участвует параметр w, его надо домножить на некий коэффициент, скажем f, который учитывает поправку на вычитание из массы пустой ракеты, массы полезной нагрузки. В сущности эту поправку можно даже не вводить в формулы и расчет, а просто сразу умножив истодно задаваемый w' на f, получить уже w учитывающий уход массы ПН, и всё считать из него.
Вот тут для E-зонда это уже сделано:



Кстати. Еще. Правильный рисунок для расчёта дистанции разгона-торможения E-зонда. На предыдущей "тормозные лунки" были не правильно закрашены.

[Sergey E.]

Распухание реактора лечится пористой стурктурой углерода с ураном 235.
А газ откачивается из внутренней полости сферы из карбонитрида гафния и урана 235 с углеродом и выбрасывается в космос.
Сотни небольших реакторов, по моему, нормальное решение, вот только пересчитав вес следующей ступени на 36% я подумал что ступеней в реальном проекте будет всего 6, ведь итак снижение массы со стартовой до полезной нагрузки в 400 раз. Скорость истечения тогда будет 2500 км в сек. А полная набираемся скорость будет 6000 км в сек.
А нужны ли брегговские зеркала при 2500 к? Может просто зеркала.
Фотоэлементы нужно делать проскими чтобы их не задевало нейтронное облучение.

[Андрей Астрофизический]

Я не совсем понял зачем оптимизация удельной мощности? И так ясно что чем больше у вас удельная мощность - тем лучше.

Ну например для того чтобы эту взаимосвязь времени перелета с энерговооруженностью иллюстрировать наглядно
Это вам, мне, оно уже понятно как 2+2. Но в теме же регулярно появляются читатели которым это надо заново пояснять, вы сами это видели.
Кроме того, форма поверхности пространства решения тоже значение имеет.

[Татарин]

А нужны ли брегговские зеркала при 2500 к? Может просто зеркала.

Скорее всего, нужны. В пользу диэлектрических зеркал три соображения:
1. Дополнительный фильтр всё равно нужен, всё "лишнее" излучение, попавшее на фотопреобразователь, должно быть рассеяно, ухудшает условия работы и уменьшает срок службы,
2. На своей длине волны и с правильным углом брегговские зеркала одновременно и легче, и эффективнее металлических. Это не так сильно выражено для ближнего ИК, но всё-таки это так и там. Металлическое зеркало просто вот уже по самой физике поглощает излучение.
3. Брегговские зеркала тупо живучей. Испарение металла в вакуум (особенно, под сильным облучением нейтронами и гаммой) портит поверхность зеркал. Геометрию конструкции можно выбрать такой, что мутность поверхности не повлияет сильно, но всё равно проблема испарения металла на больших сроках остаётся. Металл очень плохо излучает в ИК, а зеркала неизбежно нагреваются излучением, то есть, и равновесная температура будет выше. Наконец, выбор металлов для зеркала невелик, а если прибавить ещё требования по испарению, слабой активации нейтронами, малой атомной массе (желательно) и т.п., то может оказаться, что выбор-то - из нуля возможных.

[Vavanzer]

Карбонитрид гафния имеет температуру плавления 4500 к так что при 2500 к. испаряться будет мало - данных у меня нет но предполагаю что 10-11 г см^2 в секунду (или вообще 10-12) так что при площади фотоэлементов в 1000 раз больше площади поверхности испарения за миллиард секунд выделится с 0.3 квадратных метра 300 грамм углерода азота и гафния - на площадь в 300 квадратных метров в объеме 1500 куб метров ксенона весом в 90 килограмм при 1 килопаскале, т.е. только 0.33% примесей в газе.

   Про покрытие оптики отражающими, просветляющими и защитными компонентами изучите. Та слой бывает и в 10нм, и чуть более.

Длина свободного пробега в ксенона мала так что углерод и гафний успеют остыть внутри газа и с чего вдруг они будут оседать на фотоэлементах?

  И, остынут, и дальше куда ? Исчезнут?

Про испарение в вакууме и при низком давлении вообще отдельная тема. Хорошо разогретый материал даже тугоплавкий будет "растворяться", сублимировать.

[Vavanzer]

Вопрос испарения можно закрыть "эффектом галогенной лампы", тем более что у нас всё равно должна быть колба брегговского фильтра.

И, сколько живет эта лампа?))) Причём без радиоактивного распухания. 300лет?)))

Шаровые конструкции не решают (в отличии от стержней Штерна) проблему "деградации" конфигурации реактора с выгоранием.
А что делать с распуханием?
Там масса неприятных деталей. Только на первый взгляд всё кажется просто.

Тут на это пофиг, те все равно никто ничего строить не будет!
Максимум, что доступно обывателю - вместо реактора сделать газовую печку - "лампу", и испытать оболочку из терофотопреобразователей с Али экспресса ))))

[Vavanzer]

ступеней в реальном проекте будет всего 6, ведь итак снижение массы со стартовой до полезной нагрузки в 400 раз

А одна ступень с отбрасываемыми баками не прокатит? Ну или 2-3, чтоб скидывать отработавшийся движок и реактор, на случай если их ресурс так себе будет.
 Опять же, где гарантия, что движок следующей ступени запустится после десятилетней "спячки"!?

Скорость истечения тогда будет 2500 км в сек.

  Каким методом разгонять газ будете до таких скоростей?

Испарение металла в вакуум (особенно, под сильным облучением нейтронами и гаммой) портит поверхность зеркал.

  Вот тут вопрос интересный. Что будете делать с жесткими излучениями большой интенсивности?
Вам не кажется странным, что в гражданской атомной энергетике до сих пор не перешли на прямое преобразование, раз оно такое простое, на первый взгляд, да ещё и имеет КПД выше 50% !))) Да ещё можно и охлаждающую панели воду кипятить и загнать в турбину, и тем самым поднять КПД  АЭС до 70%!?
Это была бы огромная экономия на генераторах и охлаждающей системе. Атвы сразу викосмос неизведанную не обкатанную технологию хотите отправить, которая и на Земле  очень в тему была бы.

[библиограф]

  Карбонитрид гафния имеет температуру плавления 4500 к так что при 2500 к. испаряться будет мало - данных у меня нет но предполагаю что 10-11 г см^2 в секунду (или вообще 10-12)     

Данных нет, поэтому придумал, такие, какие захотел
А вот данные по сечениям поглощения нейтронов гафнием есть, десятки и сотни барн, в
зависимости от энергии нейтронов. Гафний - очень эффективный поглотитель нейтронов,
в этом качестве он применялся в регулирующих стержнях реакторов подводных лодок.

    Шаровые конструкции не решают (в отличии от стержней Штерна) проблему "деградации" конфигурации реактора с выгоранием.
А что делать с распуханием?
Там масса неприятных деталей. Только на первый взгляд всё кажется просто.     

Как это верно!
Все эти умозрительные конструкции и наивные рассуждения не имеют ничего общего с  процессами
в реальных реакторах.
Студентам МИФИ в курсе физики реакторов читают спецкурс по кинетике и динамике реакторов
Казанский Ю. А., Лебедев А. Б. Кинетика ядерных реакторов, полистайте этот учебник, понтов
может и поубавится.

[Vavanzer]

Геометрию конструкции можно выбрать такой, что мутность поверхности не повлияет сильно

  Мутноть , которая не влияет сильно, это вообще "высший пилотаж" инженерной мысли 21века!)))) Особенно если металлами и пр дрянью покроется...
  Таким макаром можно не мыть окна, фары, не протирать солнечные панели и люстры, не мыть телескопы, да и снег с солнечных панелей тоже можно не убирать! Да что там, в пасмурную погоду они должны выдавать столько же , сколько в ясную !))))

[библиограф]

 Мутность - это пустяки. Фотоэлементы будут работать в поле нейтронного и гамма излучения от
неэкранированного реактора. Поглощенная доза там будет порядка сотен Гр в час. Несколько
десятков или сотен часов и от фотоэлементов останутся лишь приятные воспоминания;
полупроводники станут проводниками.

[alex_semenov]

Мутность - это пустяки. Фотоэлементы будут работать в поле нейтронного и гамма излучения от неэкранированного реактора.

Ключевая идея - поместить фотоэлементы в ТЕНЬ радиационной защиты. Единственное что фотоэлементам угрожает - ГКЛ.

Все эти умозрительные конструкции и наивные рассуждения не имеют ничего общего с  процессами в реальных реакторах.

Вы предлагаете отказаться?

[библиограф]

 Идея превосходна!
Сумеете посчитать защиту, чтобы доза за все время полета не превысила 10000 Грэй?
Сколько онa будет весить?

[alex_semenov]

Вы явно не утомляете себя изучением контекста спора прежде чем в него ввязаться...
И правильно! 
Базовая идея высказанная тут несколько страниц назад (даже мысль, ибо нет никаких расчётов пока) за которую я держусь до сих пор вот нарисована (с грамматическими ошибками):



Две шайбы по краям реактора и создают ТЕНЬ в которой прячутся две  цилиндрические панели термофотопреобразователей (на самом деле их можно сделать коническими). Для этого и нужны зеркала. Брегговский фильтр вырезает нужную полоску в спектре АЧТ (мы понизили температуру до 3000 К), зеркала ее окончательно формируют и пускают в обход радиационной тени.
Такая идея изначально.
Хотя я думаю что придётся там всё усложнить. Например сами "шайбы" придётся снабдить собственными радиаторами (вдоль конуса тени) и пустить охладитель на них (что бы шайбы не плавились). Еще сама прозрачная колба брегговского фильтра не может быть силовым элементом удерживающим правую и левую стороны. Лучшее что я придумал - пустить по центру соединяющий стержень (он может быть элементом управления). Который тоже надо будет охлаждать что бы он механически всё держал.

[Андрей Астрофизический]

Интересно, а 235-й Уран в стержнях может быть заменен на плутоний?
Просто есть некоторые подозрения, что спустя века, у нас плутония может быть больше чем 235-го урана... Если все так, как говорят, конечно.

[alex_semenov]

Интересно, а 235-й Уран в стержнях может быть заменен на плутоний?
Просто есть некоторые подозрения, что спустя века, у нас плутония может быть больше чем 235-го урана... Если все так, как говорят, конечно.

В принципе да.
Но во-певых он при нагревании будет сжиматься. Но главное. Даже оружейного качества плутоний буде достаточно быстро "менять свои свойства" из-за более активного распада чем уран-235. А у нас полёт - столетия.

[Андрей Астрофизический]

Даже оружейного качества плутоний буде достаточно быстро "менять свои свойства" из-за более активного распада

Период полураспада Плутония-239 - 24 тыс. лет, вроде как.
По идее на столетия его хватит. Во всяком случае те изменения которые в нем успеют произойти, вполне поддаются инженерному учету кмк, и не успеют сделать его непригодным.

[Vavanzer]

А у нас полёт - столетия.

  Дай бог чтоб ваш драндулет хотяб 5 минут проработал, и не взорвался! )))) И чтоб хотяб часик фотоэлементы пожили под прямым излучением ядерной лампочки!)))

   Мне вот идея с экспериментом с печкой , которая час назад тут пришла, оч понравилась. Я давно размышлял о прямом преобразовании тепла в электричество с орошим КПД, без вращающихся генераторов и турбин. А тут готовый вариант, для бытовых и космических нужд!)
 Берём печку из тугоплавких материалов, закидываем туда дрова, или уголь, или подаем жидкое или газообразное топливо, продуваем воздухом, под давлением в камере сгорания. Ну и вокруг шатер из фотоэлементов! Мне оч нравится эта идея. Тепло лишнее утилизируем в различных целях - отопление к примеру.

Изотопную же версию можно прикинуть тоже. Хотяб на тех же обычных самораспадающихся изотопах, как в ритегах. Но, с защитными слоями , и у ядра и у фотоприемников. Авось прокатит. Но это уже надо в Росатоме изобретать, а не в гараже))))

[Vavanzer]

Мутность - это пустяки. Фотоэлементы будут работать в поле нейтронного и гамма излучения от
неэкранированного реактора. Поглощенная доза там будет порядка сотен Гр в час. Несколько
десятков или сотен часов и от фотоэлементов останутся лишь приятные воспоминания;
полупроводники станут проводниками.

Библиграф, +1!   Норм все у них, 300 лет проработает безотказно!))) В фантазиях и мечтах. А мож и все тыщщи лет даже!)))

[Vavanzer]

Идея превосходна!
Сумеете посчитать защиту, чтобы доза за все время полета не превысила 10000 Грэй?
Сколько онa будет весить?

Зачем её считать! В параллельных мирах сновидений и грёз радиации не существует, да и фотоэлементы ей не подвержены, даже если вдруг обнаружится!
Все бы АЭС на таком техпроцессе работали бы!

Вот радиоизотопную лампочку с более спокойными продуктами распада и лёгкой защитой можно прикинуть. Для межпланетных миссий, возвратных, циклических, пролётных... Есть же тритиевые и кобальтовые "вечные" фонарики на люминофорах. Чудики даже пробовали к ним фотоэлементы приделывать. Какие то микроватты получали. Раз в год даже телефон хватает зарядить, если накопитель без саморазряда!))