Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

А зачем прицеплять полезную нагрузку на тросы?

Это Штерн. Хотя до него эта идея, разумеется, звучала. Здравая. Защита от радиации. Можно тянуть с собой защитный экран, а можно использовать тот факт, что с расстоянием плотность излучения обратно пропорциональная квадрату расстояния. Поэтому реактор можно не экранировать, а нагрузку прицепить на длинном тонком тросе в километры и тянуть за собой. Так получится по массе выгодней.
Вот как выгдядит (в мой реконструкции) проект ковчега (корабль-сеятель, носитель эмбрионов) Штерна из его книги "Ковчег 47 Либра":



Цифры в с нулями - это метры. Длина между элементами системы. Я постарался изобразить это именно в пропорциях как цифры озвучены Штерном.

Я вам нашёл нужное видео и поставил в нужном месте где сам Штерн это объясняет:

https://youtu.be/eYfTGkj6OsE?t=4448

Идея у него продумана более-менее, но непонятно зачем от "тягач" вынес аж на 7 км от энергоблока? Почему не соеденил их в один тягово-энергетический блок? Там же не только энергию передавать надо но и вещество (рабочим телом по замыслу Штерна служили продукты деления из реактора).
Там еще ряд ляпов у него. Но это не принципиально. Это исправимо и даже очень изящно исправляется.
То есть проект у него - верх реализма. Это то что называется имеющиеся у нас технологии. Ну в смысле тяги, а не миссии полезной нагрузки.
Книгу найдите и прочтите. Она не блещет сюжетом, но это очень твёрдая научная фантастика.
Предельно твёрдая.
В СССР и б-СССР, по-сути, больше нельзя найти примеров, наверное...

[Baby[lone]]

А как тормозить эта конструкция будет? Для торможения с огромной скорости нужно повернуться соплом вперед!
И я думаю что подвешенные на тросы модули запутаются при маневрах. Как поворачивать?
Любая коррекция курса и хребет сломается или на тросе занесет грузик. Обмотается трос вокруг оси вращения.

[Baby[lone]]

Идея у него продумана более-менее, но непонятно зачем от "тягач" вынес аж на 7 км от энергоблока?

Почему именно семь км?
А если не тянуть, а толкать полезную нагрузку впереди, а сопла пусть сзади разбрызгивают радиоактивные частицы.

[alex_semenov]

Почему именно семь км?

К Штерну. Так - у него. Я вам даже видеодоказательство дал.
Авторский произвол.

А если не тянуть, а толкать полезную нагрузку впереди, а сопла пусть сзади разбрызгивают радиоактивные частицы.

Да, так привычней. Но вся конструкция будет работать на СЖАТИЕ, а не на РАСТЯЖЕНИЕ. И вам потребуется механически гораздо более массивная силовая структура чем так.

А как тормозить эта конструкция будет? Для торможения с огромной скорости нужно повернуться соплом вперед!
И я думаю что подвешенные на тросы модули запутаются при маневрах. Как поворачивать?
Любая коррекция курса и хребет сломается или на тросе занесет грузик. Обмотается трос вокруг оси вращения.

Тормозить не проблема. Так как мы в пути тысячу лет, то скорость у нас невысокая (относительно) набегающий поток не так опасен и мы может разворачиваться всей конструкцией.
Как это и делают обычно корабли.
Да, тут - ажурная конструкция. По сути - маятник. Два груза на концах длинной нитки. Ну вам надо иметь маневровые двигатели на обеих концах. Синхронно, строго всё рассчитав бортовой компьютер включает нужные двигатели где надо и конструкция начинает медленно закручиваться. При этом возникает центробежная сила натягивающая трос (ничего не спутается). Сделав оборот на 180 градусов, те же маневровые ионники на концах плавно и аккуратно остановят вращение. Ну а потом включаются двигатели на торможение. Трос опять натянулся.
Всё - нормально будет работать. Не мы первые к этой идее прикоснулись.

Есть еще вариант. Если бы вы всё время разгонялись или тормозили, то манёвр описанный выше - лучше и не надо. Но оптимизация показывает что оптимальная траектория полёта, когда чуть меньше пол пути вы движетесь с пиковой скоростью по инерции. То есть с выключенным двигателем конструкция должна лететь сотни лет. Так вот. Решение.
Выключаете реакторы. Поток нейтронов быстро исчезает. Но остаётся гамма. Надо выжадть еще несколько дней. А вообще ничего не надо ждать. У вас трос десятки километров. Начинайте его сматывать потихоньку и аккуратно приближая полезную нагрузку к энергетически-тяговому модулю. За несколько суток гамма упала и ваш груз приблизился к носу. Корабль ужался. Стал компактным. В таком состоянии он может дрейфовать столетия и развернуться очень просто перед торможением. Когда настанет срок, включатся маневровые ионники на обеих концах маятника и начнёт раскручиваться длинный трос. Когда полезная нагрузка опять на десятках километров от тягача, включаются реакторы на полную тягу и ионники выходят на тягу торможения.
Всё - решается аж бегом!
Хотя, когда дело дойдёт до практике в каждой из описанных манёвров будет столько нюансов и их решений, что это потянет на десятки диссертаций... как обычно и бывает.

[alex_semenov]

Идея у него продумана более-менее, но непонятно зачем от "тягач" вынес аж на 7 км от энергоблока?

Почему именно семь км?
А если не тянуть, а толкать полезную нагрузку впереди, а сопла пусть сзади разбрызгивают радиоактивные частицы.

Сейчас подумал. Я глупость сказал. Объяснение есть. И почему тягач 1 отдельно, и почему так далеко, аж 7 км, от энергетического блока 2.  Смотрите рисунок:



Я энергетический блок нарисовал крупней отдельно. Там так. 7 - сам реактор. 8 - радиаторы, два крыла "бабочки". Так у Штерна.  А вот эта хрень с обеих сторон от реактор под номером 6 по 5000 м длинной (5 километров!) это ни что иное как топливо. Урановые стержни, которые постепенно входят в реактор. Я даже придумал механизм их сампо-подачи от теплового расширения...



В чём была гериальная идея Штерна с этими стержнями в романе (он придумал целую историю с изобретением этого реактора)? Вам нужно иметь в реакторе критичность. Если вы подаёте в реактор свежие стержни с 235-м ураном с одной стороны, вы конечно же можете получить и в таком случае критичность. Разместить замедлитель и если торчащий наружу 5-и км хвост "связка" стержней не критична (это можно обеспечить распорками с поглащением на всякий случай) то в реакторе они станут критичными и всё заработает.
НО! Проблема возникла в том, что по мере выгорания урана дальний конец стержня обеднён ураном, а ближний, свежеподанный - его там избыточно много. Каждый стержень попав в реактор выгорает как та сигарета в пепел...



Хотя пример неверный. Сигарета горит узким фронтом,  поданный стержень горит всем своим "телом". И пепел в нём накапливается постепенно вдоль поданной длины. Чем дольше участок стержня в реакторе находится, тем больше в нём "пепла", перегара, и меньше U-235.
И это - очень плохо.
И вот гениальная идея (самого, видимо Штерна) подавать в реактор стержни с двух сторон. Слева и справа. Во-первых. Плотность стержней на каждом из 5-км хвостов в два раза ниже критической (в реакторе стержни встречно встречаются и удваивают плотность делящегося материала), но главное. При встречной подаче одинкового по массе пучка стержней, вы будете иметь в любом поперечном сечении цилиндра реактора равномерную плотность свежего делящегося материала и пепла от деления. Там где входит свежий уран справа, там же его встречает самый старый уже почти полностью прегоревший конец стержня поданного слева. И так - вдоль всей длинны встречных пучков стержней. То есть такой реактор во всех отношениях лучше чем реактор с подачей с одной стороны.
Не спрашивайте как удаляется пепел. Как-то удаляется. Это - технический вопрос. Это действительно решаемо.
Сейчас не об этом.
Смотрите. Раз вы подаёте с каждой из сторон связки стержней урана по 5 км, то разумно, что надо сам тянущий двигатель отодвинуть вперёд от реактора минимум на 5 км. А лучше еще на пару километров что бы ионный выхлоп, который летит на находящийся сзади состав, совсем разошёлся и не создавал бы проблем на энергетическом модуле 2.
Думаю, замысел Штерна был такой.

[Baby[lone]]

КПД низкий, большая доля энергии через теплоотводы излучается в вакуум. А давайте построим мини-сферу Дайсона вокруг этого "Карандаша" и используем тепло, переведя его в электричество.

[Baby[lone]]

А быстрые резкие манёвры этой конструкции возможны или только медленно поворачивать?

[alex_semenov]

А быстрые резкие манёвры этой конструкции возможны или только медленно поворачивать?

А зачем? Вы еще спросите, пулимёт сверху поставить можно? Ну шоб отстреливаться если шо!
Не вижу нужды для резких манёвров. Ни малейшей.

КПД низкий, большая доля энергии через теплоотводы излучается в вакуум.

Ну а что вы хотите? Второе Начало Термодинамики. Слыхали о таком?
Ну и формула Карно вам известна?



Ни объехать ни обойти... Мы же тут ни в бирюльки играем! У нас тут всё - по-взрослому!
 

А давайте построим мини-сферу Дайсона вокруг этого "Карандаша" и используем тепло, переведя его в электричество.

Не понял, почему карандаш? Манта, рыба такая...



Или вы "карандашом"  "бабочку" Штерна назвали? Потому что стачивется как карандаш в точилке?
Да, похоже!!!
 

Ну и про сферу Дайсона.. Которую все кому не лень поминают как дух императора Наполеона... И? Толку то?
А еще можно там блекджек и шлюх пристроить. Не думали?
 

Вы явно не понимаете дух конструкции, что тут обсуждается. Речь в том, что без особых ухищрений, даже набора ухищрений  (что ложится в основу, в самую базу дизайна, и ради которых жертвуется очень многое) вы не можете получить сколько-нибудь приемлемую МОЩНОСТЬ звездолёта (что бы это действительно можно было назвать звездолётом) при минимальной его МАССЕ. 
То есть тут верховный бог - удельная мощность.
Идол, которому на жертвенник приносится лучшее!
От этого и пляшется. Миримум массы, побольше ватт!
Это то - на чём всё заточено. И ради этого жертвуется "манёвренность" (кому она вообще нах упала?) или даже КПД... 
Так, ну чисто для примера, вы могли бы получит общий КПД под 60% на цикле Стирлинга. Но удельная мощность установки... увы и ах...  Значит забыли про Стирлинг в данном контексте. Хотя вообще идея (в нужном месте) - хорошая. Но здесь, в Париже, она нужна как в бане пассатижи... (с) И почти все прочие идеи, что "на слуху" - так же "нужны"...

[DRUID_3]

Ни объехать ни обойти...

А если максимум в кривой ИК излучения соответствует частоте накачки какого-нить лазерного процесса? Не обязательно же только "Стирлингом" тепло отводить...

А еще можно там блекджек и шлюх пристроить.

Было бы неплохо. Плеядцы то к нам напостой смешанными экипажами прилетают. Видать помнят свои ошибки со времен Еноха...

[alex_semenov]

А если максимум в кривой ИК излучения соответствует частоте накачки какого-нить лазерного процесса? Не обязательно же только "Стирлингом" тепло отводить...

Да как ни выкручивай, через какие процессы, плата Второму Началу, сцу-ко, выходит немалая! Вот КПД любых процессов преобразования тепла в электричество...



Тут и фортотермовольтовка есть тоже. Да, вроде как радиатора там нет. Привычного. Но бреговские фильтры и зеркала по-сути играют ту же роль.

Единственная чисто теоретическая уловка, какая тут возможна, это очень сильно поднять температуру нагревателя.

Скажем, при T нагревателя 1 000 000 К, даже если Т хол. = 1000 К, получаем 1- 1000/1000000 =0,999

Но это температуры по-сути уже в боНбе. И там энергия всеми силами пытается диссипировать (убежать) по массе каналов. Особенно через свет. Поэтому при взрыве в космосе обычной теромядерной бомбы, в плазме остается лишь 10% энергии. Остальное -рентген. Перевернуть ситуацию - почти невозможная задача. Хотя...
Точно поднимают до 40%, можно ли дотянуть до 60-70%? Вопрос.

Кпд, кстати ЖРД - феноменально высок. 70-80% уже есть у самых лучших ракетных двигателей. Но там вообще всё начинается с ~50%... Просто дырка без всякого конфузора-свехзвукового сопла Лаваля  дает 30-50% тепла в кинетическую энергию. Но и у ЖРД 75 %  в вакууме по-сути всё, верхний предел. Потолок. 

В общем, Второе Начало пытаться объегорить - самому себе яйца лучше откусить. Ей богу! Поэтому смело закладывайте потери в 50% и выше. Не ошибётесь. Если у вас КПД выходит под 75%... это что-то чудовищно круто-уникальное! Или пресчитайте свой расчёт. Где-то ошибка - точно.
Поэтому умный Штерн, не напрягаясь, заложил 25% как острожный реализм.... Тише едешь? Дальше будешь...

[PathFinder]

Александр Анатольевич, а поведайте, пожалуйста, вот такую вещь. Допустим, есть у нас двигатель с переменным импульсом, отбрасывающий реактивную массу со скоростью движения ракеты v. И ракета разгоняется этим двигателем оптимальным образом.


Как будет выглядеть график зависимости массы, отброшенной со скоростью v от этой самой скорости?
Ну или как будет выглядеть нормированный вариант такого графика, который будет показывать долю реактивной массы, отбрасываемой со скоростью v, и интнграл которого по v равен 1.

Короче, как будет выглядеть m(v)?

[alex_semenov]

Короче, как будет выглядеть m(v)?

Хотите погрузиться?
Правильно. Это как наркотик. Только начни!
Честно?
Не знаю.
По-идее может быть выглядеть по-разному. Я думаю нет разницы как вы отбрасываете массу (какими порциями в секунду). Главное u=v. Надо думать как будет луше?
Но боюьсь итоговая кривая будет похожа вот на это:



Ну если вы будете нормировать секундный расход топлива по постоянной мощности W (а какой смысле ее менять, никакого!), то в начале вы будете отбрасывать много массы ибо u низкое, а потом расход массы будет падать ибо скорость расти... И хотя в начале ваша масса будет больше, всё равно в начале у вас будет ускорение больше. Кажется... Хотя... надо смотреть. Возможно (на глаз прорицаю) всё зависит от абсолютного значения W. Если W большое, то у вас будет гипербола, а если не очень, может быть что-то типа s-образной кривой. Сначала как ракета будет прогиб, потом начнёт расти, пересечёт среднюю (как знак доллара две полоски) и выгнется в итоге пузом вверх... Надо играться с моделью!

[alex_semenov]

Короче, как будет выглядеть m(v)?

Блин! Только позже дошло что вы меня спрашиваете о самом элементарном!
Вам нужна формула Циолковского для такой ракеты?
Да всё просто.
Та же формула Циолковского, только... без логарифма.
Простая пропорция из закона сохранения импульса.

v =v₀ (M₀/M)


v  - конечная скорость
v₀ - начальная скорость истечения. Вы же знаете что  такая ракета не может начать движение с 0, если у вас v=0, то как вы можете отбрасывать какую-то массу с нулевой скоростью? Должна быть некая минимальная начальная скорость. Выбирайте произвольно. Чем она будет меньше, тем больше будет массове число такой ракеты. Зато КПД движителя будет ближе к 100%

M₀ - масса на старте
M - масса пустой ракеты

То есть M₀/M =Z - число Циолковского.

Почему всё так примитивно-просто? А включите голову. Если вы отбрасываете ракетную массу со скоростью u(t)=v(t)+v₀, то по отсечке в системе отсчёта старта что вы будете видеть? Пуская ракета с массой  M  летит вправо со скоростю v, а вся отброшенная ракетная масса M₀-M единым целым летит в противоположну сторону относительно точки старта со скоростью v₀
А суммарный импульс как был равен нулю до того так и остался равен нулю. Закон сохранения импульса. Из него и формула. Два шара разной массы покоились и разлетелись в разные стороны. Ситуация идеально такая. Хотя вы отбрасывали массу постепенно, но это роли не играет.

[PathFinder]

Короче, как будет выглядеть m(v)?

Блин! Только позже дошло что вы меня спрашиваете о самом элементарном!
Вам нужна формула Циолковского для такой ракеты?
Да всё просто.
Та же формула Циолковского, только... без логарифма.
Простая пропорция из закона сохранения импульса.

v =v₀ (M₀/M)


v  - конечная скорость
v₀ - начальная скорость истечения. Вы же знаете что  такая ракета не может начать движение с 0, если у вас v=0, то как вы можете отбрасывать какую-то массу с нулевой скоростью? Должна быть некая минимальная начальная скорость. Выбирайте произвольно. Чем она будет меньше, тем больше будет массове число такой ракеты. Зато КПД движителя будет ближе к 100%

M₀ - масса на старте
M - масса пустой ракеты

То есть M₀/M =Z - число Циолковского.

Почему всё так примитивно-просто? А включите голову. Если вы отбрасываете ракетную массу со скоростью u(t)=v(t)+v₀, то по отсечке в системе отсчёта старта что вы будете видеть? Пуская ракета с массой  M  летит вправо со скоростю v, а вся отброшенная ракетная масса M₀-M единым целым летит в противоположну сторону относительно точки старта со скоростью v₀
А суммарный импульс как был равен нулю до того так и остался равен нулю. Закон сохранения импульса. Из него и формула. Два шара разной массы покоились и разлетелись в разные стороны. Ситуация идеально такая. Хотя вы отбрасывали массу постепенно, но это роли не играет.

И в итоге, каким будет m(v)? Тут v это не конечная скорость!  Я хочу знать мгновенные значения отбрасываемых масс при произвольном v из всего диапазона скоростей вплоть до конечной скорости.

Парабола же должна получаться, асимптотически стремящаяся к оси аргумента v. И это ещё без учёта уменьшения массы ракеты и, следовательно, возможносит снижать мощность двигателя.

[alex_semenov]

И в итоге, каким будет m(v)? Тут v это не конечная скорость!

Тогда уточните во еще что. В вашей ракете переманная скорость истечения. Это ясно.
Но. У нее может быть при этом (умозрительно)

Постоянная отбрасываемая масса за секунду. Будет один график. Мощность будет расти в квадрате от скорости, кстати в этом случае. И это - плохо.
Вы можете начать отбрасывать массу с какой-то максимальной начальной величина кг/с и постепенно снижать, так, например, что бы затрачиваемая  мощность росла линейно.
Но лучший способ - зафиксировать мощность и секундный расход считать исходя из нее. Так как в начале у вас скорость истечения небольшая, то при фиксированной мощности вы будете отбрасывать много массы. А потом снижать, снижать, снижать секундный расход. И в принципе если бы вы не везли всю ракетную массу с собой (брали извне), то ваша кривая была бы похожа на ту самую параболу идеального движителя. Но вы везёте с собой сразу очень большую массу (и быстро ее по-началу тратите). Это у вас ракета. А кривая ракеты наоборот, выгибается вниз. Ну вот наложение кривой ракеты и параболы дадут почти прямую, которая слегка извивается змеёй. Кажется так. У меня нет электричества. На нотбуке и с дефицитом энергии не хочу возиться строить.

[alex_semenov]

И в итоге, каким будет m(v)? Тут v это не конечная скорость!

Дали электричество. Вот построил для ракеты с постоянной мощностью двигателя (все остальные случае просто бессмысленны и неинтересны).
Ничего особо интересного на графике нет. Скорость от времени растёт... как не странно... линейно. Масса (общая масса ракеты) падает по гиперболе.
В начале масса (коричневым) падает быстро, потом, разумеется, очень медленно.



Начальная масса 1000 кг, конечная 10 кг. То есть Z =100. Начальная скорость истечения 10 м/с. Постоянная мощность двигателя = 20 000 Ватт. Из нее считается переменный секундный расход dmi/t. За 244 с ракета разогналась до 995,64 м/с (конечна масса 9,98 кг). Кпд ракеты, кстати, получилась по факту 99, 376%

[PathFinder]

Масса (общая масса ракеты) падает по гиперболе.

Отличный результат! Спасибо!
Не догадываетесь ещё, зачем я всё это пытался выяснить? 

[alex_semenov]

Отличный результат! Спасибо!
Не догадываетесь ещё, зачем я всё это пытался выяснить? 

Нет. Не уж то кто-то мне покажет ценную идею, которую я пропустил? Нет, я серьёзно допускаю и мне интересно (история с многоступенчатым ионным зондом меня вдохновила!) Но обычно я разочаровываюсь... 

[PathFinder]

Отличный результат! Спасибо!
Не догадываетесь ещё, зачем я всё это пытался выяснить? 

Нет

А чтобы в очередной раз "воскресить" мой маховик. Там Elind оставил небольшую лазейку, позволяющую решить или смягчить проблему радиационного трения. Если увеличить размер маховика до тысяч километров. Оно и понятно. Движение тогда будет стремиться к прямолинейному. Он-то посчитал, что это приговор концепции.

Однако, смотрите какой финт тут можно сделать.
Маховик очень хорошая вешь для организации переменной скорости истечения! Это же сплошное твёрдое тело и скорость его движения растёт от его центра к периферии.

А масса с ростом скорости (или с ростом расстояния от центра маховика, что в нашем случае одно и то же), как мы выяснили, падает гиперболически. То есть не такая уж и большая масса будет на периферии маховика двигаться с гигантской скоростью. Хоть размер и получается как у астросооружения, "консистенция" получается, как вы говорите, как у мыльного пузыря.
Получается что-то вроде двух вертолётных лопостей, толщина которых гиперболически падает с расстоянием от центра. Ну а дальше надо считать.

[alex_semenov]

То есть, вы хотите сделать такой гигантский маховик в космосе. Раскрутить его (зарядить энергией) а потом как-то превратить его в ракету (притом идеальную)?
И как конкретно вы хотите это сделать? Ну допустим накопитель вы получили.
Вы можете набросать проект?
Мне кажется, это было бы интересно для каких-то меньших скоростей но не межзвездных.
Учтите идеальная ракета не может разогнаться до скорости БОЛЬШЕЙ чем скорость истечения. А вот любая ракета с посотянной скоростью истечения разгоняется легко!
В общем. Попробуйте свой проект сколько-нибудь приблизить к инженерной конструкции.
Я не понимаю как она должна работать.
Вы сначала сольёте мало энергии но много массы с центраьной части маховика... а как он будет сохранять целостность?
Я что-то непонимаю?
Надо нарисовать, нужно более подробное описание.