Двигатель для межзвёздных перелётов

[Иван Моисеев]

Так Выкладываю Excel-табличку, которая находит ... параметры оптимальной одноступенчатой ракеты при заданнии ... исходных параметров.

На основе вот этих выкладок. Формулу оттуда перевел в код, и соорудил инструмент для построения трехмерного графика функции от двух параметров т.е. z = F(x,y)
Получился пока сыроватый-неказистый, но рабочий инструмент отображающий "пространство решений".

https://iscalc.map3d.space/

Работать может в одном из трех режимов.
T(x, u) - находит функцию времени перелета от % активного полета x, и от скорости истечения u. При жестко заданной энерговооруженности w.
T(x, w) - находит функцию времени перелета от % активного полета x, и от энерговооруженности w. При жестко заданной скорости истечения u.
T(u, w) - находит функцию времени перелета от скорости истечения u, и от энерговооруженности w. При жестко заданном % активного полета x.
Пока так. Ступени еще не прикручивал, пока проверяем все ли правильно работает...
Как пользоваться:
1) Нажимаем кнопку одного из трех режимов.
2) Вводим свои параметры во все поля, где нам надо.
3) Нажимаем "Вычислить".
4) Любуемся на трехмерный результат, крутим его со всех сторон (кнопками Q, E, можно даже по оси камеры крутиться).
5) Важно! Когда хотим поменять параметры (даже просто изменить минимум/максимум, не меняя режима вычисления) - надо перезагружать страницу, и заново все делать начиная с п.1. Иначе система с невинным видом показывает данные предыдущего расчета. Это должна была, по задумке, устранять кнопка "Очистить" - но пока она как-то работает через пень-колоду, пока не понял почему.
В общем для каждого нового расчета страницу перезагружать надо.

Интересно, но ссылка не работает.

[Татарин]

Есть критмасса, её не обойти.

Или критплотность. В тактических ядерных боеприпасах.

Один фиг - критмасса. Просто при другой плотности.

[Татарин]

Не нужно ненаучной фантастики.

А если это очень  твёрдая научная фантастика?

[/quote]
Если бы у бабушки были бы яйца...

Не надо путать выгорание и задействованную критмассу. Первое - всегда меньше. Иногда сильно меньше, иногда ненамного, но меньше всегда.
И 20г выгорания ничего (в смысле, вот совсем ничего) о критмассе не говорит. Это раз.

Два. Есть характеристики ядра: сечения деления, количество нейтронов на деление и энергия этих нейтронов. Несложно посчитать минимальную критмассу для любой заданной плотности (реально несложно, студенту-второкурснику по силам).
И эта масса для плутония очень далека от 20г при любой разумной и неразумной плотности, при наличии любых отражателей.

Никакой конструкцией ЯВУ это не обойти. Это характеристики самого вещества.
Чтобы уменьшать критмассу, нужно увеличивать сечения и число нейтронов на деление.

[Татарин]

О том что стирлинг ограничен в мощности из-за ПОВЕРХНОСТИ подвода (извне) тепла.

Нет, это даже не пол-дела, а как бы не четверть.
В первую очередь стирлинг ограничен скоростью УВОДА тепла из газа.

Люди считают, что ДВС компактен из-за способа генерации тепла прямо внутри рабочего тела, и это верно. Но куда бОльшую роль играет способ отвода тепла от рабочего тела - просто выбросом отработки в атмосферу. Тот же паровоз потребовал бы втрое-вчетверо бОльшей массы и размеров, если бы работал с водой по замкнутому циклу, без выброса пара в атмосферу, а с конденсацией его в какой-нить прицепной сухой градирне. Но у паровой машины есть огромный бонус в плотности мощности процессов испарения и конденсации. У стирлинга такого бонуса нет.

Это одна из тех идей, которые офигительно красивы в моделях и офигительно сложны и дОроги при должной реализации в практически полезных конструкциях.
Примерно как "из рогатки на Луну" концептуально много проще, чем все эти многоступенчатые ракеты. Но на практике на ракете можно полететь на Луну, а из рогатки - нет.

В любом случае. Как раз (как я понимаю) речь идёт о создании компактной, "карманной"  лёгкой энергоустановки очень высокой удельной мощности. Да. Ниша. Но важная ниша. Не зря американцы для реактора на Луне всё же выбирают не турбина, а стирлинг. Турбина выигрывает лишь с некоторой определённой мощнсти.

"Очень высокой" удельной мощности из стирлинга не получится.
Приемлимую удельную мощность (до киловатт) при небольшой абсолютной получить можно. Но это очень дорого (водород или гелий под большим давлением + все необходимые трюки, чтобы тепло не текло мимо).

Кстати, почему на "Нуклоне" планируется турбина? Остаётся вопрос открытым. И турбина ли? Цикл Брайтона? Одни догадки.

Потому что это единственный способ преобразования с минимальными техническими рисками, который даёт одновременно высокий КПД, приемлимую удельную мощность, способен работать с высокими температурами и требует минимума движущихся частей.

Та же термофотовольтаика была бы лучше. Но она считается экзотичной технологией, и очень сложно убедить вкладывать сотни миллиардов рублей в проект, который пойдёт лесом, если что-то не срастётся.

[alex_semenov]

Нет, это даже не пол-дела, а как бы не четверть.
В первую очередь стирлинг ограничен скоростью УВОДА тепла из газа.

Гм... ну да. Разумно. Я было хотел возразить (из вредности), что отводить надо МЕНЬШЕ энергии Qx чем подоводить Qн...
Ну любая тепловая машина...



Но тут я схватил себя за руку. Скорость "перетекания" тепла зависит от ПЕРЕПАДА температур. И хотя отводится Qx=Qн-А меньше но куда "хуже" в смысле медленней или сложней...

Люди считают, что ДВС компактен из-за способа генерации тепла прямо внутри рабочего тела, и это верно. Но куда бОльшую роль играет способ отвода тепла от рабочего тела - просто выбросом отработки в атмосферу. Тот же паровоз потребовал бы втрое-вчетверо бОльшей массы и размеров, если бы работал с водой по замкнутому циклу, без выброса пара в атмосферу, а с конденсацией его в какой-нить прицепной сухой градирне. Но у паровой машины есть огромный бонус в плотности мощности процессов испарения и конденсации. У стирлинга такого бонуса нет.

Да, придётся признать что  стирлинг не просто так остался на обочине...
Увы!

Кстати я, кажется, понял откуда я столь "люблю" стирлинг. Пережитки детства. Мой товарищ, который учился в МВТУ на "дизелиста", приезжая на каникулы (я только-только вернулся из армии и сам уже учился в вузе) взахлёб расхваливал стирлинги (это 1988-90 гг). Последнее лето детства... Да... Ах как хочется вернуться в городок...

Это одна из тех идей, которые офигительно красивы в моделях и офигительно сложны и дОроги при должной реализации в практически полезных конструкциях.
Примерно как "из рогатки на Луну" концептуально много проще, чем все эти многоступенчатые ракеты. Но на практике на ракете можно полететь на Луну, а из рогатки - нет.

Не намёк ли это на мой любимый взрыволёт?

"Очень высокой" удельной мощности из стирлинга не получится.
Приемлимую удельную мощность (до киловатт) при небольшой абсолютной получить можно. Но это очень дорого (водород или гелий под большим давлением + все необходимые трюки, чтобы тепло не текло мимо).

Вы кажется тут стирлингу даже дали фору. 1 киловатт на кг? Гм... это (как мне кажется) было бы очень круто!
Вот смотрите. Это я взял известный в сети график  материалоёмкости (кг/кВт) технологии замкнутой космической энергоустановки от абсолютной мощности (в кВт) и попробовал его проэкстрополировать на бОльшие абсютные мощность установки (для межзвездного корабля-колонии). Это конечно по-сути балавство. Но мало ли?


 
Так вот. Тут к 1 кВт/кг если и приближается, то только наш старый-добрый "паравоз". Цикл Рейнкина. Удивительно, что и цикл Брайтона тут явно от него должен отстать! Стирлинг же безнадёжно асимптотически "зависает" на 40 кг/квт, то есть ... 25 ватт/кг!!!

Да, это космос. Надо поправлять. Там будут радиаторы. И тем не менее...
Кстати, исходный график:



Блин. Только теперь понял. Тут же еще и РЕАКТОР, кажется!!!
Семён Семёныч!
 

Кстати, почему на "Нуклоне" планируется турбина? Остаётся вопрос открытым. И турбина ли? Цикл Брайтона? Одни догадки.

Потому что это единственный способ преобразования с минимальными техническими рисками, который даёт одновременно высокий КПД, приемлимую удельную мощность, способен работать с высокими температурами и требует минимума движущихся частей.

Я думаю этот ответ порадует Сергея Елистратова. Он тут уже задолбал своими вопросами-воплями по поводу "Нуклона".
Я тоже думаю, что выбор больше сделан в силу ПРИЕМСТВЕННОСТИ инженерно-научных "школ":

Та же термофотовольтаика была бы лучше. Но она считается экзотичной технологией, и очень сложно убедить вкладывать сотни миллиардов рублей в проект, который пойдёт лесом, если что-то не срастётся.

Да. Нужен толчок. Должна случится неотложная необходимость...

[alex_semenov]

Сюда же то же. Только в профиль (тогда получится более-менее общая картина):



Тут есть термовольтаж. И судя по всему 50% для нее (общий КПД) - это асимптота... Хотя куда там чему рости? То есть таки общий КПД 40%?
Я рассчитывал на 50...
 
Видно что Реинкен выше 25% вряд ли поднимется. Плохо. Поэтому в общем ясно почему всё-таки Брайтон на "Нуклоне".
Круче всех тут стирлинг.
Но в целом ясно, что достоинства - расплата за недостатки и наоборот.

[Foma]

Если дело только в высокой удельной мощности и божеском кпд преобразователя, то проблему можно решить масштабированием. Для турбины мощность пропорциональна площади, а вес - объему. Поэтому с уменьшением размеров ее удельная мощность растет. Еще в 90х годах были созданы газовые MEMS-турбины с хорошими характеристиками, см популярное описание и техническое. Идея как таковая не взлетела, но достигнутые результаты вызывают уважение.



Вот такая штучка размером 20х20х3 мм и весом 2 г может вырабатывать 20 Вт электрических, то есть имеет удельную мощность 10 кВт/кг - не знаю, есть ли что-то близкое по удельным характеристикам среди взрослых турбин.

[библиограф]

 Пришёл диванный турбинист и всё объяснил!
Какой только кпд у такой микротурбины?
Микро ТРД в авиамоделизме используют уже полвека!
https://archive.rcopen.com/articles/avia/jets_intro/
3 литра керосина хватит на 15 минут, при тяге 100Н
А на красивых цветных графиках нет одного, но важного класса преобразователей
МГД генераторы.
Можно скомбинировать МГД генератор с обычной газовой турбиной,
так сделали на опытной ТЭС в Новомичуринске, в конце 80- х, дело
не пошло, а КПД планировали 65%. А если на выхлоп турбины
посадить еще термоэлектрический генератор, то КПД будет 70%

[Vavanzer]

Военные думают как они будут это применять если собак спустят с цепи. Но вся суть нашего мира что собак НИКОГДА не спустят. Потому что если их спустить, то миф развеется

    Особенно в сегоняшнее время, когда мир опять лихорадит, и на грани жестих потрясений...
Ну дайте им бомболет, сомневаюсь , что онтполетит к Альфе Центавра, или к звезде Барнадра... Он на голову людям и приземлится. Ради мутных политических и экономических амбиций.

[Vavanzer]

есть ли что-то близкое по удельным характеристикам среди взрослых турбин.

Мелкие штучки жиаут в другом масштабе реальности. Для стрекоз и пчел плотность воздуха  гораздо более "вязкая", чем для больших птиц...
 Мелкие аэродинамичесие изделия живут исключительно в мире ламинарных потоков. Это размеры в сантиметры и меньше... Большие штуковины живут в области турбулентных потоков... 
Тут один товарищ выкладывал фотку движка самолетика из авиамодельного кружка... Он  гораздо больше пояснит в этой теме!

[Vavanzer]

Та же термофотовольтаика была бы лучше. Но она считается экзотичной технологией, и очень сложно убедить вкладывать сотни миллиардов рублей в проект, который пойдёт лесом, если что-то не срастётся.

  Можете обосновать, что для этого надо сотни миллиардов рублей?))) Там всего то  надо нескольо сот тыш максимум, чтоб обкатать систему. Самое дорогое - фотоприемники.
  Можно и вовсе, в миниатюре все воспроизвести. Там вложений минимум.  "Сущие копейки")))

[Vavanzer]

Люди считают, что ДВС компактен из-за способа генерации тепла прямо внутри рабочего тела, и это верно.

  Тут один товарищ , самый активный на данный момент в  теме , спрашивал про цикл Карно... Что вы знаете об это цикле?))) Что он знат нем. Да в общем то и ничего!))))
В нем есть главная тайна всех тайн тепловых машин!

[Татарин]

Нет, это даже не пол-дела, а как бы не четверть.
В первую очередь стирлинг ограничен скоростью УВОДА тепла из газа.

Гм... ну да. Разумно. Я было хотел возразить (из вредности), что отводить надо МЕНЬШЕ энергии Qx чем подоводить Qн...
Ну любая тепловая машина...

Но тут я схватил себя за руку. Скорость "перетекания" тепла зависит от ПЕРЕПАДА температур. И хотя отводится Qx=Qн-А меньше но куда "хуже" в смысле медленней или сложней...

На самом деле всё ещё хуже: теплопроводность газов при том же давлении зависит от температуры, выше температура - выше теплопроводность. И сильно.

А теплообмен "газ-поверхность" даже при обдуве критически зависит от теплопроводности самого газа.

[Татарин]

Люди считают, что ДВС компактен из-за способа генерации тепла прямо внутри рабочего тела, и это верно.

  Тут один товарищ , самый активный на данный момент в  теме , спрашивал про цикл Карно... Что вы знаете об это цикле?))) Что он знат нем. Да в общем то и ничего!))))
В нем есть главная тайна всех тайн тепловых машин!

В смысле?
Никакой тайны в этом цикле нет: две изотермы, две адиабаты, вот и всё.

Другое дело, что его сложно реализовать на практике. И стирлинг, как машина его реализующая, - тому пример.

[Татарин]

А на красивых цветных графиках нет одного, но важного класса преобразователей
МГД генераторы.

Потому что попросту нет этого важного класса преобразователей.
Уж очень высокие температуры нужны, чтобы это работало как надо. И очень большие поля.

А сверх этого бонусом при превышении некоторой удельной мощности возникают сильные отклонения от школьного объяснения принципов их работы: плазма начинает "вести себя".

Ну, как пример: взаимонаправленые токи притягиваются, так? Вот и в плазме мощные токи самособираются в этакие жгуты (называется Т-слой), саморазогревающиеся омически, и начинают высвечивать свою энергию излучением.
Высвечивание пропорционально 4-й степени температуры, так? Пока газ относительно малоплотный и холодный, он "прозрачный" и светит плохо, но во-первых, 4-я степень температуры это очень много, и в какой-то момент даже очень малоплотный газ начинает светить с дикой силой, во-вторых, разряды самоуплотняются. В итоге собранная с потока энергия уходит в свет (и на нагрев стенок).
От этого пытались избавиться, например, доводя давление газа до величины, когда он становится оптически плотным, непрозрачным, если по-простому. Или, хотя бы, не таким прозрачным, чтобы энергия излучения хотя бы грела близлежащий газ. Но при этом возникает куча других проблем - например, время жизни иона сокращается, соотвественно, приходится работать на равновесной температуре, а сам принцип преобразования тепла в движение завязан на то, что газ нужно расширять (в сопле).

А у этого есть ещё и далеко идущие следствия. Подумайте о том, сколько будет жить сопло, в котором с большой скоростью дует газ с температурой в разы выше, чем у электросварки и под давлением сотни атмосфер... и это при том, что у электрической дуги обычной сварки температура уже выше, чем температура испарения ЛЮБОГО материала. Заметьте: температура не превращения в жидкость, а превращения в пар. И заметьте: я даже не про металлы (годные для токоотвода), а вообще про ЛЮБЫЕ известные и неизвестные материалы (потому что энергия связей орбиталями электронов ограничена).

Это просто один пример, почему с МГД (газовым) так ничего и не получилось (там вообще оказалось много внезапного(тм)). Задачка оказалась сильно сложнее, чем палка с верёвкой или школьная моделька с демонстрацией на солёной жидкости...
Физика, конечно, очень интересная и красивая, но те, кому нужны были электростанции на предложения покопаться в этом ещё лет 30 сказали "нафиг-нафиг". И, наверное, в этом решении был смысл.

[Татарин]

Та же термофотовольтаика была бы лучше. Но она считается экзотичной технологией, и очень сложно убедить вкладывать сотни миллиардов рублей в проект, который пойдёт лесом, если что-то не срастётся.

  Можете обосновать, что для этого надо сотни миллиардов рублей?))) Там всего то  надо нескольо сот тыш максимум, чтоб обкатать систему. Самое дорогое - фотоприемники.
  Можно и вовсе, в миниатюре все воспроизвести. Там вложений минимум.  "Сущие копейки")))

На уровне лабораторий и общих принципов всё это обкатали. ГуглСкулар в помощь на тему работ по термофотопреобразованию. НИР проведены.

Но НИОКР и реальный рабочий высокотемпературный космический реактор - это совершенно другие порядки денег.

[alex_semenov]

Другое дело, что его сложно реализовать на практике. И стирлинг, как машина его реализующая, - тому пример.

Да, возможно высокий КПД Стирлинга и уникальная плавность хода - причина того что он наиболее близок к машине Карно. Но расплата - невысокая удельная мощность.
На самом деле любая тепловая машина это четыре "такта" 1 сжатие- 2 нагрев- 3 расширение- 4 охлаждение.
Если 1 соединить с 4 (сжимать и охлаждать плавно и одновременно) и 2 с 3 (нагревать и расширять плавно и одновременно) то мы получим ИДЕАЛЬНУЮ ситуацию.
Лучше и быть не может.
Это и есть машина Карно. С максимально мыслимым КПД. Все остальные циклы (Стирлинга, Ренкина,Брайтона, Отто, Дизеля)  - ухудшенные версии этого цикла. Да их тепловой КПД явно хуже. Зато они себя в другом (как поручик Ржевский) покажут!


Я спрашивал про сходство машины Карно с машиной Тьюринга.
И это была почти шутка.
И то и то - теоретические, умозрительные машины, призванные как можно ПРОЩЕ объяснить суть наиболее общего абстрактного понятия.
Машина Тьюринга должна объяснить суть того что такое "алгоритм" (вычислимость). Точно и строго.
Машина Карно (цикл Карно) - должна была формализовать точно и строго что такое вообще любая тепловая машина (наиболее общие ее свойства) превращающая тепло в полезную работу (например живая клетка - именно такая машина с точки зрения термодинамики).
Но так как это ПРЕДЕЛЬНОЕ УПРОЩЕНИЕ то ни машиной Тюринга, ни машиной Карно на практике пользоваться бессмысленно.

[Vavanzer]

Никакой тайны в этом цикле нет: две изотермы, две адиабаты, вот и всё.

Другое дело, что его сложно реализовать на практике. И стирлинг, как машина его реализующая, - тому пример.

  Есть там некоторые тайны. Если его чуть по другому рассматривать! И лазейки интересные.  Летом займусь их проверкой.

[библиограф]

  Потому что попросту нет этого важного класса преобразователей.   

Не поэтому, а потому что, ты, попросту, невежественный балабол
http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t105-3_2008/go,16/

[AVS88]

У меня немного ламерский вопрос, но все же.
Как в термоядерном заряде осуществляется нагрев дейтерида лития-6 до температуры иницирования термоядерной реакции? Ведь при взрыве плутониевого заряда температура не достигает тех значений, которые необходимы для запуска термоядерной реакции...