Двигатель для межзвёздных перелётов

[Иван Моисеев]

Я вам показываю реальный математический результат (который перепроверили и подтвердили здесь еще несколько человек и от части даже вы!

Один и тот же расчет можно провести многими разными способами, вводя разные параметры. Например, корень кубический из скорости истечения в кубе. И получить правильные результаты. Это кривая дорога, но никто запретить не может. Могут только сказать, что дорога кривая.
Я бы и цепляться не стал.
Но вы используете этот выдуманный параметр для оценки проектов.
А  это не рационально и неверно.
Если вы говорите, что такой-то проект не сработает, потому что у него удельная мощность мала - можно ответить, а почему не использовать Raptor?

[alex_semenov]

Но вы используете этот выдуманный параметр для оценки проектов.
А  это не рационально и неверно.

То есть не надо дразнить гусей? Разумоно... Дурак я.
Сканы статьи Шепарда 1952-го года дадите?

[Иван Моисеев]

Я провел эту оптимизацию будучи еще студентом.

Иван НЕ ТУПИТЕ.
Вы ее провели лишь по одной координате. По траектории (по длине инерционного участка).
А мы тут провели оптимизацию ракеты с непрерывно включенным двигателем (неверно считая что это оптимальный режим) по скорости истечения (что вы никак втемяшить себе не можете).
Потом я сообразил что это две координаты одной поверхности.
Ваша оптимизация - лишь ЧАСТЬ более полной оптимизации выполненной здесь.

Ерунда. С чего вы это взяли?
Я оптимизировал весь полет по минимуму времени, требуемого для перелета.
А что такое "более полная" оптимизация?

[Иван Моисеев]

Сканы статьи Шепарда 1952-го года дадите?

Отправил в личку.

[Иван Моисеев]

Но вы используете этот выдуманный параметр для оценки проектов.
А  это не рационально и неверно.

То есть не надо дразнить гусей? Разумоно... Дурак я.
Сканы статьи Шепарда 1952-го года дадите?

На гусей мне наплевать.
Но ваши заблуждения - это ваши враги.
Так что, здесь я занялся чуждым нам альтруизмом.

[alex_semenov]

Сканы статьи Шепарда 1952-го года дадите?

Отправил в личку.

Спасибо, Иван! Буду искать знакомые буквы! Вы собираетесь выложить  где-то у себя перевод? Это ведь по-сути первая научная статья о звездоплавании!   

Так что, здесь я занялся чуждым нам альтруизмом.

Мы тут все - альтруисты. Террариум альтруистов. Храни нас (квантовый) бог (не важно есть он или нет)!
 

[Иван Моисеев]

Сканы статьи Шепарда 1952-го года дадите?

Отправил в личку.

Спасибо, Иван! Буду искать знакомые буквы! Вы собираетесь выложить у себя перевод?

Еще не решил. Редакция JBIS очень ревниво относится к своей интеллектуальной собственности.

[alex_semenov]

Еще не решил. Редакция JBIS очень ревниво относится к своей интеллектуальной собственности.

Кстати, там написано Space Chronicle:  JBIS, Vol. 56, Suppl. 2, pp. 80-91, 2003 Interstellar Flight.
2003 год. Это перепечатка изначальной статьи?
Статья (на первый взгляд) радикально отличается от того что напечатано в 1953-м в "мурзилке". Я давал ссылку. Можете сами сравнить.



https://drive.google.com/file/d/173kRiseznD3THNhTI4qiMDJ91eTLmbgq/view

[Иван Моисеев]

Есть идея рассмотреть некий абстрактный корабль-автофаг как предельный случай многоступенчатости.

Именно так. Когда-то я считал такой случай на машинах, вводя коэффициент использования сухой массы в качестве рабочего тело.
Но алгоритм и результаты не сохранились.

[Иван Моисеев]

2003 год. Это перепечатка изначальной статьи?

Да, это точное воспроизведение. Затем они еще раз перепечатали в книге Дедал, откуда я ее и взял.

[alex_semenov]

2003 год. Это перепечатка изначальной статьи?

Да, это точное воспроизведение. Затем они еще раз перепечатали в книге Дедал, откуда я ее и взял.

Интересно.
Я до сих пор думал, что вот это - начало оригинальной статьи 1952-го года в JBIS

https://johnesimpson.com/images/pdf/16874030-CBOS10-Interstellar-Flight%20%5BPages%201%20-%202%5D.pdf

Но это видимо еще одна сильно упрощённая статья (она совпадает с той что я уже дал выше) в какой-то "мурзилке" тех лет (обилие картинок и фотографий указывает на популярную сущность журнала). Это, видимо какой-то журнал по астрономии...

Зы. Я пробежался по статье. Да, это несомненно ПОЛНАЯ версия статьи, укороченную версию которой я давно перевёл.

[alex_semenov]

Для любителей летать к звёздам на астероидах... 
Случайно (ища другое) наткнулся тут на это:



Идея 1956-го года рождения.
Наслаждайтесь ошибками наивных первопроходцев!
 

На Конгрессе Международной астронавтической федерации в Лондоне в 1951 году Л.Р. Шепард из Британского межпланетного общества выдвинул концепцию астероида, выдолбленного в искусственном мире, для межзвездных путешествий нескольких поколений. Он описал это в статье под названием «Межзвездный полет», впервые опубликованной в 1952 году и перепечатанной в журнале «Реалии космических путешествий» под ред. Л. Дж. Картер, Патнэм, 1957 год. В течение нескольких недель 1957 года это было проиллюстрировано в ныне забытом комиксе «Ракета», начатом News of the World в 1956 году, слишком рано из-за ажиотажа «Спутника». Там также был показан сериал с участием некоего Джи-Джи Нэша, который был похищен марсианами, управлявшими флотом полых астероидов – на который в немалой степени повлияли подобные астероиды в «Мире в опасности», третьем сериале BBC «Путешествие в космос». Космические сериалы по сценарию Чарльза Чилтона.

Фрэнк Тинсли изобразил альтернативную, полностью искусственную сферу диаметром десять миль в своей книге «Ответы на вызов космического полета» (Уайтстоун, 1958). Впоследствии Айзек Азимов продемонстрировал, что астероид такого размера, выдолбленный соответствующим образом, может вместить всю человеческую расу. («Вселенная и будущее» в книге «Кто-нибудь там?», Эйс, 1957.) Если бы один из них прибыл сюда сейчас, это было бы все равно, что добавить целый населенный мир к Солнечной системе – то, чего никогда не делал ни один писатель-фантаст. Насколько я знаю, попыталась изобразить. В «Страннике» Фрица Лейбера добавляется настоящая планета размером с Землю, но только временно, и роман почти полностью посвящен физическим воздействиям на Землю.

Шар Тинсли я нашёл давно и давно уже перевёл и выложил.
https://files.balancer.ru/forums/attaches/2020/12/09-9279957-mechanix-illustrated-02-1953-1.png
https://files.balancer.ru/forums/attaches/2020/12/09-9279957-mechanix-illustrated-02-1953-2.png

А вот информация, что Шепард в 1951-м году ЕЩЁ предлагал лететь к звёздам на астероиде... гм... это интересная информация. Возможно именно из анализа этой идеи он и пришёл к тому, что это плохая идея тянуть за собой лишние камни. Это объясняет иллюстрации, сопровождавшие его статью в популярных журналах (выдолбленный астероид), хотя в самой работе 1952 и упрощённой 1953-го года об астероидах уже ни слова.
Но исторически, идея лететь к звёздам, видимо предполагала выдолбленный астероид. Оседлать астероид - исторически самая первая идея.

[alex_semenov]

Еще не решил. Редакция JBIS очень ревниво относится к своей интеллектуальной собственности.

Пошли они!... Статья 70-и летней давности! И это действительно первая и как я теперь окончательно вижу очень дельная (Шепард зрит в корень!) статья на тему МП, которая по-сути есть LUCA всех остальных работ на эту тему. Мне интересно вот что. Её, возможно, читал Дайсон. И тогда,  его статья 1968-го года "Межзвездный транспорт" может еще рассматриваться как своеобразный ответ-продолжение на вопросы, которые остались у Шепарда открытыми в "Межзвёздный полёт" 1952-го (во всяком случае консервативный дизайн звездолёта Дайсона очень подходит под задачу, описанную Шепардом). Хотя в ссылках статьи Шепарда нет.
Зато есть еще одна эпохальная работа E. Purcell, "Radio astronomy and Com­munication Through Space",  1960. (в сети есть) с которой Дайсон осторожно полемизирует. Это работа по CETI. Но в ней, кажется, впервые ярко и очень авторитетно проблема МП столкнулась лоб в лоб с проблемой CETI (которая только-только начала быстро всходить). Пурселл попытался разгромить идею межзвездных полётов на корню что бы обосновать то, что я называю "Щучей" версией нашей Вселенной. Камня на камне не оставить от попыток куда-либо летать! И с тех пор его аргументация постоянно всплывает в почти неизменном с 1960-го года виде.

Вот, собственно, тут эту реперную статью можно взять:

https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc868785/m2/1/high_res_d/4017898.pdf

[Vavanzer]

Кому нужна космическая ракета, которая не может выйти в космос по определению?

  Звездолеты и межпланетные лайнеры примерно таковыми и будут. Они не в состоянии выйти в космос. Потому что там родятся, полностью приспособленные под стихию, в которой рождены!
  Спокойное длительное ускорение и торможение. Отсутствие необходимости пробивать атмосферу (тк это удел мелких спускаемых аппаратов). Их задача - предоставить обьем и защиту для комфортного время-провождения экипажа при длительных перелетах в месяцы и годы!

[Vavanzer]

А не считали нигде умные люди, намного ли меньше эффективность в сравнении с ЖРД у бомболётов на обычных ВВ, даже на самых мощных типа октогена или чего получше?
Интересно было бы запустить в космос такую модельку и погонять к Луне.

  Скорее всего детонационные импульсные движители отвалились еще на этапах зарождения ракетных движков. Не выдержав конкуренции с поточными жрд и трд.
  Какие именно причины, наверное стоит выяснить подробнее!

[petrovich1964]

Ракета должна отбрасывать ракетную массу со скростью РОВНО равную её текущей мгновенной скорсти.

Не вижу логики. Есть максимально возможная скорость истечения. Превысить её нельзя. Если ракета имеет скорость 100 м/с относительно точки старта, то не выгодно использовать скорость истечения 100 м/с. Выгоднее использовать максимальную скорость истечения.
Простой пример. 1 кг топлива выбросили со скоростью 100 м/с или со скоростью 10 000 м/с, что выгоднее, где ускорение будет больше?

[alex_semenov]

Ракета должна отбрасывать ракетную массу со скростью РОВНО равную её текущей мгновенной скорсти.

Не вижу логики. Есть максимально возможная скорость истечения. Превысить её нельзя. Если ракета имеет скорость 100 м/с относительно точки старта, то не выгодно использовать скорость истечения 100 м/с. Выгоднее использовать максимальную скорость истечения.
Простой пример. 1 кг топлива выбросили со скоростью 100 м/с или со скоростью 10 000 м/с, что выгоднее, где ускорение будет больше?

Если вы хотите сэкономить, минимизировать НАЧАЛЬНУЮ МАССУ РАКЕТЫ, то вы правы.
Вы должны отбрасывать ракетную массу со скоростью КАК МОЖНО БОЛЬШЕЙ. Тогда запас ракетной массы у вас будет минимальным.



Это лучший способ бегства от проклятья формулы Циолковсокго, экспоненты при v/u.
Надо ВСЕГДА максимизировать скорость истечения.
Эту идею настолько хорошо в нас вбили всякие учебники и мурзилки (типа популярных книг Клушанцева), что это стало НЕПРЕРЕКАЕМЫМ МИФОМ для многих очень образованных людей (например имеющих хорошее физико-математическое образование) через который они не могут переступить.
Те же Стругацкие считали фотонную ракету (так как у нее предельно возможная скорость истечения u - скорость света) - лучшим средством для любых полётов даже внутрипланетарных. Для полёта с Земли на Венеру и обратно (v ~ 50-70 км/с) они использовали именно фотонную тягу (u=300 000 км/с)!

Фотонная ракета "Хиус"… Как и любой инженер-ядерник, Быков был знаком с теорией фотонно-ракетного привода и с интересом следил за всем новым, что появлялось в печати по этому вопросу. Фотонно-ракетный привод превращает горючее в кванты электромагнитного излучения и таким образом осуществляет максимально возможную для ракетных двигателей скорость выталкивания, равную скорости света.

То есть можно посчитать что Хиус (будь он полноценной фотонной ракетой) для полёта туда и обратно использовал exp(70/300 000)=1,000233361  0,02 % начальной массы! Феноменальная экономия! Верно? На тонну массы 23 грамма ракетной массы всего! На "мотнуться" туда и обратно (да там были посадочные атомные двигатели, но мы округлим)!
Да, я знаю что там, "в Крыму", не всё так однозначно. Там у Братьев, вылетали не только фотоны и можно утверждать,  что Хиус был скорей термоядерной ракетой (и даже можно утверждать что это был взрыволёт!) Но цитата из книги однозначно интерпретирует миф о том что фотонная ракета -  лучшее средство для полёта с Земли к Венере! Оптимальная в смысле использования массы. И таки да!
Это правда.
Но это тот случай когда неполная правда порождает удивительную ложь. Хиус в этом смысле прекрасен как апофеоз мифа-заблуждения (стойко живущего во многих головах) и удивительной эпохи! Лучшая ложь - полуправда. Сузив критерии оптимизации только на массе мы забываем о других аспектах, которые не менее важны, и даже могут быть более важными. О энергии.
Я сам долго разделял миф предельной скорости истечения.
Всегда надо стремиться к максимизации скорости истечения! Сколько можно, столько и нужно получать!
Но это - БРЕД. Идиотизм.
Высшая форма кретенизма. Узколобости.
Для меня был своеобразный катарсис ("мировоззренческая катастрофа"), когда я очень просто сам, сделав простые выкладки в одну строчку, открыл, что миф неправильно понят! Что стремление к максимизации скорости истечения - это заставить дурака богу молиться! Да, вы таким образом уменьшите стартовую массу. Но при этом вы забываете об энергозатратах которые у вас очень быстро растут за грань всего разумного! Вы  увеличите энергозатраты ракеты до бессмысленно-чудовищных, отапливая очень быстрым ракетным выхлопом вселенную! То есть, стремясь как моно больше снизить массу ракеты на старте, вы очень быстно можете начать неэффективно используете энергию запасённую для полёта! А это  куда большая проблема (избыточные энергозатраты, паразитные потоки энергии) для конструкторов чем та же масса! Голову вытянули - хвост увяз! И это - оптимизация? Это инженерный подход?
Энергетичекая эффективность фотонной ракеты Хиус на трассе Земля-Венера-Земля - НИЧТОЖНА. Смехотворна. Безумна!
Вы тратите безумно много энергии отапливая вселенную ради ничтожного результата!
И стоит ли такая экономия массы таких энергозатрат?
Нет конечно!
Ваша/наша погоня за минимизацией (оптимизацие) стартовой массы - оптимизация узколобого кретина!
Но если вы проведёте  ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ оптимизацию ракеты, то вы увидите, что минимум энергозатрат у абстрактной ракеты с произвольно выбираемой но постоянной скоростью истечения будет при v/u=0,627500... или если u/v = 1,59



Кстати. В только что полученной мной от Ивана Моисеева работе Шепарда 1952-го года это так же отмечено:

Before proceeding we might well pause to consider the nature of the propulsion unit which would raise our interstellar vehicle to the considerable velocities which we are contemplating. Let us take a closer look at a vehicle having a characteristic velocity of say 10 000 km/sec. Under the optimum conditions and for γ ≤ 3.9 as we have shown, the exhaust velocity would be ve /1.59, i.e., 6 300 km/sec.

Прежде чем продолжить, мы могли бы остановиться и рассмотреть природу движителя, который поднял бы наш межзвездный корабль до значительных скоростей, которые мы рассматриваем. Давайте более подробно рассмотрим корабль, имеющий характерную скорость, скажем, 10 000 км/сек. При оптимальных условиях и для γ ≤ 3,9, как мы показали, скорость истечения составит ve /1,59, т. е. 6 300 км/сек.

Если вы в качестве критерия оптимизациии (минимизации) возьмёте не стартовую массу ракеты, а минимум энергозатрат на достижения конечной скорости v, то вы не должны бесконечно увеличивать скорость истечения u. Вы должны держаться "плато" на графиках выше. В этом случае массовое число будет не столь уж и большим (вполне терпимым 4-5, "плато" можно считать вплоть до 10), а КПД процесса разгона на пике оптимума достигнет  64,76% (очень даже неплохо)
Вот тут тонкий момент, который приводит Ивана в бешенство.
КПД.
Надо различать КПД (или эффективность) двигателя и КПД (или эффективность) движителя. Общий КПД тяговой системы (или "привода") - произведение обоих.
В данном случае мы говорим о втором. О эффективности движителя. То есть как полезная энергия ракетной струи (ее кинетическая энергия направленная от ракеты) превращается в кинетическую энергию движения самой ракеты. Возможный пик - 64,76%
График выше это показывает.
Но можно ли для ракеты еще улучшить результат?
Да!
Как не странно - да.
Для этого надо отказаться от фиксированной скорости истечения! И тут то и возникает идея "энергетически почти идеальной ракеты" у которой скорость истечения ПОЧТИ равна мгновенной скорости полёта. КПД движителя такой ракеты может быть приближена сколь угодно близко к 1 (но никогда не достигнет).
Тут это обсуждалось и оспаривалось. Очень жарко. И даже меня где-то прижали к стенке, что мол, этот вот график не есть строго говоря КПД такой ракеты:



Что если ракета уже имеет изначально некую начальную скорость движения v₀ (иначе она не запустится), то мы не знаем (из формулы) как эта начальная энергия Mv₀²/2 была получена и с какой эффективность.
И ту нужна хитрая поправка.
Но суть сейчас не в этом. Суть в том, что у такой "энергетически почти идеальной ракеты" чем ближе ее энергетическая эффективность приближается к 100%, тем большим становится массовое число. И это - расплата за почти идеальный КПД движителя. Так всегда в природе и бывает. Бесплатный сыр - в мышеловке.
При этом, второй  КПД, термическую эффективность двигателя никто не отменяет, а если она, скажем 0.75 (типичный для современных ЖРД) - то это уже хорошо. Полная эффективность всей ракеты это, как я сказал, произведение эффективностей двигателя и движителя. Поэтому, если у вас эффективность двигателя, скажем 0.5, то  возможно нет смысла гоняться за предельной эффективностью движителя (допустим 0.9), если можно удовлетвориться эффективностью 0.76 у ракеты с постоянной скоростью истечения. То есть. Да, теоретическая возможность для максимизации полной энергоффективности ракеты есть. Но практически к ней не стремятся очертя голову. Овчинка не стоит выделки.  Достаточно чтобы она была приемлемой. 
Сделать хороший ракетный двигатель с переменным импульсом (скоростью истечения) - это головная боль (если вообще возможно). Даже дросселирование (переменная тяга) - уже большая проблема. Поэтому принцип переменной скорости истечения если и используется (слегка) то только "попутно" в составной ракете, когда вы используете разные двигатели в начале и в конце разгона. Так Шаттл отрывается от земли в основном на твердотопливных бустерах. И их скорость истечения явно ниже чем у тройки маршевых водород-кислородных ЖРД-"жеребцов". И это даёт небольшой но эффект энергоэффективности.
Вы спросите зачем это вообще надо?
В случае ракет-носителей стартующих с Земли на орбиту по-сути ... незачем. На самом деле типичная скорость истечнеия ЖРД в  3-4 км/с к финальной скорости в 8 км/с отностится с коэффициентом v/u =2,66-2. Это не сильно отличается от оптимума 1.59 (у Шепарда так! "Начальник приказал!" (с) ). То есть ЖРД ракета стартующая с Зелми на орбиту изначально оказывается на плато энергетической оптимизации. Поэтому никого из практиков-ракетчиков это и не волнует. Потому в учебниках об этом ПОЧТИ не пишут (но пишут, я искал и находил!). На этом точно не акцентируют внимание. А зачем, если и так всё прекрасно?
Но если мы отправляемся к звёздам, то ситуация радикально меняется.
Здесь из за необходимости огромных конечных скоростей, мы, в первую очередь, в качестве проблемы имеем именно ЭНЕРГИЮ (ее добыча, управление, избавление от паразитной платы Второму началу термодинамики). И минимизация энергозатрат, в итоге и  означает  сокращение времени перелёта. Что на моих картинках полной оптимизации наглядно демонстрируется.
То есть для Теоретических Основ Звездоплаванья именно энергия, оптимизация энергозатрат становится КЛЮЧЕВОЙ.
 

[Vavanzer]

Если вы в качестве критерия оптимизациии (минимизации) возьмёте не стартовую массу ракеты, а минимум энергозатрат на достижения конечной скорости v, то вы не должны бесконечно увеличивать скорость истечения u.

  Так и выбора то особо нет)) Была бы еще эта энергия в килограмме "абсолютного топлива" соразмерна аннигиляционной, хотяб раз в 10 меньше, то и было бы чем кидаться!
  Для межпланетных то скоростей вся эта ядерщина с огромным запасом, а чтоб подальше, там только многоступенчатое и "низкоэнергетическое" само собой уже остается, тк другого то и нет)))

   Но максимум возможной скорости все равно извлечь придется. Тк удорожание и усложнение будет несуразное, если массу первых ступеней сильно раздуть!

[MenFrame]

Простой пример. 1 кг топлива выбросили со скоростью 100 м/с или со скоростью 10 000 м/с, что выгоднее, где ускорение будет больше?

Выгоднее в первом лучае. Если у вас источник энергии статичен по мощности, то выбросив больше рабочего тела с меньшей скоростью вы получите больше тяги и соответсвенно больше ускорение. Вообще до людей очень туго доходит,  что если скорость истечения больше или меньше скорости корабля то вы посути тратите энергию на разогрев вселенной а не на совершение полезной работы.

[Ulkolainen]

Почему по-вашему удельная мощность ТОЛЬКО двигателя имеет смысл, а удельная мощность всей пустой ракеты - не имеет?
Один двигатель (как вы верно замечаете) не разгоняется. Разгоняется ракета. Транспортное средство.
Так какая религия мне (я согласен, что я - первый, на Западе дебилы не додумались) запрещает использовать удельную мощость всей ракеты (пустой ракеты)?

Для того параметра, который Вы уговариваете называть удельной мощностью, есть синонимичный  тех.термин "энерговооруженность"  - он измеряется как раз в Вт/кг и относится только к массе транспортного средства целиком, тогда как мощность люди уделывают всяко-разно, исходя из актуальной потребности вплоть до

𝑃 — удельная мощность (ватт/ньютон тяги);

.
Попробуйте, вдруг "ЭВ" встретит меньшее сопротивление оппонентов.

Сделать хороший ракетный двигатель с переменным импульсом (скоростью истечения) - это головная боль (если вообще возможно).

-  VASIMR.
О том, насколько он хороший, можно спорить, но концептуально именно такой, Как Вы заказывали. Существует в металле и потенциально готов к полету. Ждёт миссию, в которой понадобится именно он.

То есть для Теоретических Основ Звездоплаванья именно энергия, оптимизация энергозатрат становится КЛЮЧЕВОЙ.

А если энергию подводить извне?