Двигатель для межзвёздных перелётов

[Kеdr]

Это только от Солнца можно взять столько энергии... Летать надо на солнечном парусе!

[alex_semenov]

Нуклон Зевс отличный проект на ближайшее время но сложный и я предлагаю сразу начать наработки по следующему поколению.

Нейросеть Nvidia Nemotron-4:

. . .

Ваша идея представляет собой интересный концепт, который заслуживает дальнейшего изучения. Он может стать одним из вариантов для создания космических кораблей будущего, способных к межзвездным перелетам.

Смотрите. Это лучшее что мне удалось получить для  8 ступеней.



Это АБСТРАКТНАЯ (не важно как устроенная, в чём и достоинство параметра "удельная мощность") ракета с вполне мыслимой удельной мощностью энергоустановки в 1000 ватт/кг (тогда энерговооружённость всей сухой массы, то есть с полезной нагрузкой каждой ступени будет  546 ватт/кг).  Из установленной мной доли полезной нагрузки в полной массе каждой ступени 0,33, при 8 подобных ступенях, при стартовой массе 20 000 тонн, на орбиту звезды-цели выйдет корабль массой 6,2 тонны. Такой себе типичный межпланетный зонд типа Кассини. При этом полезная нагрузка составит 2,8 тонны. Это, видимо, оборудование для наблюдения за планетами (с орбиты или в режиме пролёта) и связи. Вряд ли в такую массу можно впихнуть что-то большее (высадку на планету, например, какого-нибудь зонда).
Кораблю для перелёта потребуется порядка 700 тонн оружейного урана-235, если общая энергоэффективность ядерной установки составит разумные 25%.
Еще. Предполагается что каждая последующая ступень (кроме первой и последней) в качестве дополнительного топлива дополнительной ракетной массы использует 33%  массы конструкции предыдущей ступени. То есть после выключения ступени, следующая ступень прежде чем отделиться, перекачивает себе на борт 33% массы предыдущей ступени в качестве топлива (канибалит отработанную ступень) и только потом разъединяется и включает свой двигатель (возможно часть дополнительной массы будет накапливаться на следующей ступени в процессе работы предыдущей, но часть наверняка можно будет извлечь лишь из неработающей предыдущей ступени).
И так. Смотрите. Чёрной рамкой обведены данные, которые я задал жестко (валюнтаристски). На жёлтом фоне вверху слева - два параметра: скорость истечения и доля массы топлива в массе каждой ступени. Много знаков после запятой у них означает, что это результат поиска решений Excel.  Внизу в пунктирной рамке - ячейка КРИТЕРИЯ оптимизации (поиска минимума) - время перелёта. Лучшее что мне удалось получить - почти 600 лет в пути.

Да, ступенчатость (8 ступеней, это своего рода предел здравого числа)  даёт выигрышь во времени перелёта ценой чудовищного отношения начальной к конечной массы (тут 3228 раз!) Но какой в итоге выигрыш? У нас есть эталон для сравнения. Оптимальная одноступенчатая ракета. Тут главное правильно сопоставить энерговооружённость.
Выше я брал 1000 ватт/кг только к массе конструкции ступени (полагая что почти вся она - энергоустановка). Без полезной нагрузки. Ибо энерговооружённость имеет смысл  только для последней субракеты.
Я выше сказал что энерговооружённость субракет (то есть на сухую массу с учётом массы полезной нагрузки) каждой ступени составит 546 ватт/кг (хотя смысл это имеет только для последней ступени). Вот ее и возьмём как энерговооружённость одноступенчатой ракеты.
Я вызвал свою табличку оптимизации одноступенчатой ракеты (которую я тут давал всем - пользуйтесь!) и отправил одноступенчатую ракету с такой энерговооруженностью к А. Центавре на 4,36 св. года. Минимальное время перелёта в этом случае я получил 1027 лет.



Картина налицо!
То есть все эти наши усилия с пределным числом ступеней и даже частичной автофагией (вряд ли будет разумна полная) привели лишь, грубо, к двойному выигрышу во времени.
Но какова расплата за этот эффект? Давайте сравним что прилетает у одноступенчатой ракеты к цели.
Массовое число оптимальной одноступенчатой  ракеты в данном случае R= 4.4. То есть на 1 тонну сухой ракеты получается 3.4 тонны ракетной массы. Скажем, при стартовой массе в те же 20 000 тонн, цели в этом случае достигли бы 4,5 тысячи тонн (доля полезной нагрузки берётся та же 33%, это более тысячи тонн оборудования). И тут бы места хватило был для сколь угодно изощрённой роботизированной миссии.
Оптимальная скорость истечения у такой экспедиции 2 750 км/с (в то время как у 8-и ступенчатой версии 1 476 км/с). Разница невелика и обе скорости истечения находятся в пределах достижимого для ионного двигателя. Зато у ступенчатой ракеты гораздо лучше условия работы реакторов. Каждая "внутренняя" ступень должна непрерывно отработать 58 лет. Крайние ступени (первая и последняя) - в половину меньше. Это мыслимо даже для современных реакторов.
По-сути, многоступенчатая ракета будет под тягой 68% времени полёта, но так как ступени работают последовательно то это конечно же огромный плюс.
В случае одноступенчатой ракеты, та под тягой будет находится примерно столько же - 64% времени. Но это 656 лет! И энергоустановка у нас одна. Ясно что без хитростей, никакой реактор или радиатор, контур получения энергии так долго не проработает.

Главный (пока промежуточный) вывод-гипотеза.
По-сути предельное использование многоступенчатости (8 ступеней - это своего рода предел разумного), в лучшем случае УПОЛОВИНИВАЕТ то время, которое нужно аналогичной (по энерговооружённости) оптимальной одноступенчатой ракете.
То есть, применение многоступенчатости даёт эффект (я раньше считал что эффекта вообще не будет, и был не прав), примерно равный эффекту повышения у одной ступени эенрговооруженности на порядок. Так, оптимальная одноступенчатая ракета с энерговооружённостью не в 546 ватт/кг, а в 5 460 ватт/кг преодолеет путь к А.Центавре за  476 лет (привет Виверну!). Чуть быстрее чем наш восмиступенчатый зонд.
Если же нашему 8-и ступенчатому зонду назначить фантастическую удельную мощность в 10 000 ватт/кг вместо 1000 ватт/кг, то он окажется у цели через... 270 лет. Почти половина предыдущего срока.
Закономерность очевидна.
Подьём на порядок энерговооружённости - плюс-минус уполовинивается время (и можно понять почему из w~ 1/T³, 2³=8~10).
Ступенчатость, похожее, может дать "уполовинивание срока" один раз (и то в случае очень большого числа ступеней). Где-то так. На сегодня.
Всё что пока имеем.

[Иван Моисеев]

Да, ступенчатость (8 ступеней, это своего рода предел здравого числа)

По-сути предельное использование многоступенчатости (8 ступеней - это своего рода предел разумного)

Предположим, что для хранения 99 кг топлива надо 1 кг хранилища. 1 канистра, для наглядности.
Предположим у вас на старте 1 миллион тонн топлива.
И предположим у вас развилась полезная привычка - выбрасывать опорожненную канистру.
Сколько ступеней в вашем звездолете?
Число ступеней равна числу канистр минус одна.
А именно - 9 999 999 ступеней.

[alex_semenov]

А именно - 9 999 999 ступеней.

А через что вы будете ОТБРАСЫВАТЬ это топливо?
Или вы всё это будете цедить через одни и тот же движок "первой ступени"? До задницы тогда все эти СВЕРХЗАПАСЫ.
Это по-сути одноступенчатая ракета с безумным массовым числом.
Эффект ступенчатости, что проявился выше, работает если вы масштабируете и энергоустановку. Не только запас рабочего тела но и двигатели, то есть их тягу. А это - не бирюльки. Это ЛИШНЯЯ (отбрасываемая) энергосистема высокой ценности. И вы ее явно перерасходуете почём зря.
Это никак не обойти.
Вот если бы вы не воротили нос от кривой  энергоэффективности рактеты с самого начала, то никогда бы не сморозили тот радостный бред, что тут сморозили, Иван!

Зы.
Смотрите. Я взял предыдущую 8-и ступенчатую ракету и задал ей долю полезной нагрузки в массе ступени 0.01 вместо 0.33. (Да. Режим автофага пришлось выключить. Поиск решения сходит с ума, нужно еще искать граничные условия). А потом поискал оптимум. И вот что получил:



Тут выскочили нули, потому что задан формат округления. А так там цифры есть. Я получил безумную ракету у которой конечная масса по сравнению с начальной различается в 447533440246934 раз! То есть масса пустой последней ракеты тут 0,00000004469 кг.

И какой же срок перелёта? 420 лет! Да всё та же ПОЛОВИНА  от одноступенчатой идеальной. Потому что энерговооружённость из-за смены пропорции последней ступени (как и всех) стала аж 955,2 ватт/кг. И если подставить это же в задачу оптимизации одноступенчатой ракеты тот там оптимум-минимум  будет 852 года.


 

[Алексей Николаевич.]

Я что то задумался.
А может эти разведочные миссии и не будут посылать, если дольше 50-100 лет сроки. В самом деле, за 100 лет или за 300, обязательно что то откроют или найдут, что позволит быстрее летать.
Не важно что. Даже не важно, откроют ли.
Важно что людская натура скорее всего будет заставлять надеяться на это.
Следовательно посылать очень длительные экспедиции будет интереснее и мотивированнее сразу для заселения, колонизации новых территорий.
Либо в случае крайней необходимости.
Я это к тому, что обсуждать сроки разведывательных экспедиций пролётного типа, как то не целесообразно, что ли, в случае слишком уж большой длительности полёта, (200-300 и более лет).
Может и не прав, но это тоже моё личное мнение.

[alex_semenov]

А может эти разведочные миссии и не будут посылать, если дольше 50-100 лет сроки. В самом деле, за 100 лет или за 300, обязательно что то откроют или найдут, что позволит быстрее летать.

Как вы думаете. Вы первый тут (а может вообще?) высказали эту "свежую" мысль?

Следовательно посылать очень длительные экспедиции будет интереснее и мотивированнее сразу для заселения, колонизации новых территорий.
Либо в случае крайней необходимости.

Да. Это и смущает в концепции Елистратова. Узкое место. Все это прекрасно понимают. И я ему пытаюсь тоже помочь (взяв его задачу как свою). Он же хочет послать ракету СКРОМНОЙ массы, которую можно по-частям вывести на орбиту с Земли. Он хочет предельного реализЬму... И цель он ставит скромную. Что бы прямо сейчас! Ну какая колонизация может быть прямо сейчас? А вот прилететь туда, выйти на орбиту, пофоткать планеты с пролётных траекторий... Никакой телескоп (даже в гравлинзе) такое не даст.
И если бы хотя бы мы могли вложиться в 100 лет на имеющихся технология!.... Но не получается 100 лет. Получается ~500. Да и то собирать на орбите надо не вожделенные 400 тонн, а все 20 000 тонн!

[Иван Моисеев]

Или вы всё это будете цедить через одни и тот же движок "первой ступени"? До задницы тогда все эти СВЕРХЗАПАСЫ.

Для того, что я хотел проиллюстрировать - неважно. Сначала надо разобраться с выбрасываемыми канистрами, а потом можно и на движок посмотреть.

Это по-сути одноступенчатая ракета с безумным массовым числом.

Что означает "по сути"? Описанная ракета - одноступенчатая или 9 999 999 ступенчатая?
А как в такой схеме возникает "безумным массовым числом"?
Я вполне могу взять миллион тон топлива, миллион тонн двигателя и миллион тонн нагрузки.
Если мы под массовым числом понимает одно и тоже - то весьма и весьма скромно получится.

Вот если бы вы не воротили нос от кривой  энергоэффективности рактеты с самого начала, то никогда бы не сморозили тот радостный бред, что тут сморозили, Иван!

Какой именно?

[Иван Моисеев]

Это и смущает в концепции Елистратова. Узкое место.

Там совсем другое узкое место. Такое узкое, что вообще непроходимо.
И вы его не заметили именно из-за вашей любви к удельным величинам.

[Алексей Николаевич.]

И если бы хотя бы мы могли вложиться в 100 лет на имеющихся технология!.... Но не получается 100 лет. Получается ~500.

Так вот же ж, это и огорчает...
За 300 лет,тем паче за 500 даже пессимисты не станут уверенно говорить о не открытии новых технологий и даже принципов перемещения...
А мысль конечно же не новая, я и не претендовал.))

[alex_semenov]

Что означает "по сути"? Описанная ракета - одноступенчатая или 9 999 999 ступенчатая?

"Дедал" сколько ступеней?
ПО-СУТИ 2. А если выделываться в вашем духе то пять.
Вот эту картинку делала "девочка":



В момент разделения из шести баков первой ступени, кажется, должны оставаться только два.
Так же?
Пустые баки я вообще не считаю за достойную вниманее массу и тем более за "ступени". Во-первых оптимальное массовое число в 4-5 не бог весть какое. Баки тут нужны небольшие. Во-вторых звездолёт наверняка стартует из космоса при этом на мизерных ускорениях. То есть нагрузки на несущую конструкцию - никакие (в сравнении с ракето-носителями у нас). Топливо можно заморозить или еще как-то самого себя хранить (например неплохое топливо для межзвездного ионника литий - метал который сам себя держит).
Конструкция корабля или ступени -  это прежде всего ДВИГАТЕЛЬ. Он - почти вся масса (всё остальное -  полезная нагрузка. То что скрепляет и держит 0.0-дым...)
Вот сколько раз вы отбросили двигательную установку (если ионник, то считаем и реакторы и ... всё к ним вплоть до ионника присобаченное) - то это и есть "ступень отошла"
То есть у Дедала ФАКТИЧЕСКИ две ступени.
Остальное - фигня. Экономия на кошечках...

Я вполне могу взять миллион тон топлива, миллион тонн двигателя и миллион тонн нагрузки.

И привезёте к цели 1 кг полезной нагрузки?
И нахрен это надо?
Сколько вы сожжёте при этом энергии на доставку этого 1 кг?
Когда вам неудобно - вы взываете к здравому инженерному смыслу, не увлекаться абстракциями.
Но когда вам удобно - вы впадаете в безумные абстракции.
Ну и как вас после этого назвать?

[Иван Моисеев]

В момент разделения из шести баков первой ступени, кажется, должны оставаться только два.
Так же?

Да. Дедал - четырехступенчатый аппарат.

Баки я вообще не считаю за массу и тем более за "ступени".

Можете не считать. Но тогда ваши результаты расчетов будут неверными.

Конструкция корабля или ступени -  это прежде всего ДВИГАТЕЛЬ. Он - почти вся масса (остальная полезная нагрузка)

Корабль=ДУ+ПН.
ДУ=Двигатель+Топливо.

о есть у Дедала ФАКТИЧЕСКИ две ступени.

Деда имеет 4 ступени.

[Иван Моисеев]

И привезёте к цели 1 кг полезной нагрузки?
И нахрен это надо?

Написано же миллион тонн полезной нагрузки. Это просто пример, показывающий, что никаких "безумных" массовых чисел не возникает.

Сколько вы сожжёте при этом энергии на доставку этого 1 кг?

Не жалко.
Со мной в эскадрилье служил механик из сельской местности.
Так он все время возмущался - "Шесть тонн керосина за 45 минут!!!!"
А я не возмущался. Мол, дело житейское...

Но когда вам удобно - вы впадаете в безумные абстракции.

Когда надо что-то наглядно показать удобно брать выразительные примеры. Например, устроить гонку Фалкона с ТЭМом...

Много-много ступенчатость на межзвездных маршрутах - дело обязательное.
Крайний вариант, автофаг - аппарат с бесконечно большим количеством ступеней.

[Vavanzer]

Ступенчатость, похожее, может дать "уполовинивание срока" один раз (и то в случае очень большого числа ступеней). Где-то так. На сегодня.
Всё что пока имеем.

Скорее всего больше. Тк много безполезной массы отбрасывается. Отработавшие движки и реакторы, емкости, соединительные конструкции. В одноступенчатом варианте вы весь этот мусор , многократно превышающий массу ПН, будете разгонять  "до талого", и проиграете в скорости в разы, если не в десятки раз!

  И еще, у многоступенчатости плюс, своего рода бонус - замена ведущих движков, отбрасывание изношеных. В нашем случае это оч актуально, тк через них слишком много энергии будет пропущено.  И общая продолжительность работы большая, мб месяцы и годы! Это не нынешние пшикалки на химической тяге!))) Которые делаются из расчета на несколько минут работы)))

[MenFrame]

В самом деле, за 100 лет или за 300, обязательно что то откроют или найдут, что позволит быстрее летать.

Это точка зрения обывателя, который в реальном научно-техническом прогрессе участия не принимает. Для которого все что появляется новинка. В реальности лет через сто уже будут известны все возможные физические концепции межзвездных полетов и их ограничения. Я думаю даже от текущего момента вряд ли появиться что то кардинально новое. Опять же потому что для этого какая то новая физическая база, а ее нет просто по факту.

[Vavanzer]

Крайний вариант, автофаг - аппарат с бесконечно большим количеством ступеней.

  Кто такой автофаг? Часто это слово тут применяют.
И причем тут бесконечное количество ступеней!?)

 У ступеней кстати тоже есть пару подвохов. Во первых шаг между их размерами и массой должен быть оптимальным, тк если слишком часто мельчить их, то иного безполезной нагрузки ввиде движков получается.
 И с другой - каждая следуюшая ступень вносит меньший прирост к проценту общей скорости по отношению к своей и общей массе.
   Т.е 9 ступеней к примеру, каждая разгоняет условно на 1000 км/с. Получаем скорость 9000 км/с. А следующая , 10я ступень при 11% добавлении скорости (на те же 1000км/с) увеличит массу вдвое. Итого, у нас уже будет не 2^9 масса относительно массы ПН, а 2^10й степени)) 512 масс станут 1024 !
 И так далее, масса будет расти лавинообразно, а скорость добавляться на считанные проценты по убывающей.
 Т.е нам выгодно всеж еще и скорость истечения стараться выжать максимально возможную!

[Алексей Николаевич.]

Я думаю

Вы знаете что откроют за 300 лет?
А я вот думаю, что откроют ,притом будут смеяться, отчего ж раньше не смогли.
Каждый раз когда наука объявляет о "познании всего сущего", наступает прорыв и скачок.
Будет за 200-300 лет такой скачок.
Иначе капец всем.
И ваше мнение о остановке прогресса в науке, не более чем мнение, как и моё о обязательных рывках в развитии.
И не стоит читать по диагонали.
Это очень вредит.
Я писал что за 100-300 лет что то откроют и придумают.
И поэтому нет смысла до открытий этих, посылать нечто ,что будет лететь 300-500 лет и более.
Это очень глупо.
Подводные лодки и самолёты появились по настоящему только с развитием электричества и ДВС.
До этого это были героические но смешные попытки.
То же будет и с звездолётами.
Два три прорыва, и они станут вполне возможны.
Хотя бы до 20-50 лет сократят срок полёта, одновременно увеличат продолжительность жизни в два раза.
И полетят.
Через 300 лет.

[Vavanzer]

Опять же потому что для этого какая то новая физическая база, а ее нет просто по факту.

  Вопрос очень спорный. Есть она или нет. Для догматиков конечно нет и не может быть ничего, что не написано в "священных писаниях")))).  А если посмотоеть повнимательнее на природу вещей, там оч много чего интересного... Может оказаться даже что E не равно mc2 !))

И ваше мнение о остановке прогресса в науке, не более чем мнение, как и моё о обязательных рывках в развитии.

  Прогрес по сути остановлен. Но технических прогресс как бы дожимая возможности "старья" пробивает потолок и приносит очень интересные и обнадеживающие данные! Которые люди живущие в рамках старой картины мира просто не видят)) 

[Иван Моисеев]

Кто такой автофаг? Часто это слово тут применяют.
И причем тут бесконечное количество ступеней!?)

Автофаг - аппарат использующий часть конструкции в качестве топлива/рабочего тела.
Бесконечное количество ступеней из-за того, что на каждую дельта-t приходится дельта-m конструкции ракеты.
 

[MenFrame]

А я вот думаю, что откроют ,притом будут смеяться, отчего ж раньше не смогли.

Для того что бы что открыть, нужна загадка природы нераскрытая. А их сейчас попросту мало. Навскидку темная материя, какие то частицы которые не взаимодействуют с обычным веществом. Даже если станет ясно что это за частицы как они помогут в хозяйственной деятельности если не с чем не взаимодействуют.
  Так что увы надежда на прогресс не чем не оправдана, вернее оправдана но там где этот прогресс понятен. Вы же ждете каких то чудес неведомых, а почему они должны быть непонятно.

И ваше мнение о остановке прогресса в науке, не более чем мнение, как и моё о обязательных рывках в развитии.

На самом деле это уже свершившийся факт, прогресс в науке почти не идет в последние 50 лет. Потому наука зарылась в тонкости. А самые большие научные открытия, это начало двадцатого века. Технический прогресс отстает от науки потому тут оптимистичней, но зато уже без сюрпризов. Куда он движется понятно, электроника, биотехнологии. В остальных сферах по сути уже прогресса нет или он совсем вялотекущий.  Так что ваши надежды сугубо следствие вашего незнания.

[Vavanzer]

С чего это вдруг?  Потому что так захотелось в иллюзорном мышлении!?)

С того что так работает физика проекта, которым ты даже не интересовался.

Конечно не интересуюсь. Всей этой бестолковой дремучестью! На кой она нужна? Понятно давно уже, что это все громождкое и сомнительное в самой основе так и останется на бумаге и будет лишь темой для различных дискуссионных клубов!)))
  На Луну то до сих пор не могут никак слетать, все чет топчутся, откладывают, отменяют, сроки удлинняют...  А всего то несколько десятков тонн со "скоростью черепахи" надо отправить, в 2-3 км/с. И не могут по седняшний день! Даже 50 лет назад это проще далось!  . Технологии не туда развиваются!