Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Но как это повысит ПРОЦЕНТ выгорания топлива?

Кстати о топливе.
Ни одного лишнего грамма в жилую зону!

Ядерному взрыву - нет, нет, нет!
Солнечному миру - да, да, да!!!

Кобзон, значит, за солнечные паруса...
А что вы скажете насчет размещения топлива?
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,82348.msg6164588.html#msg6164588
Думаю верхнюю часть заменить на половину тороида...
Сейчас посчитаю.

Да, Кобзон - в русле курса партии.

О расположении топлива. Я не совсем понял вашу идею.  Вернее совсем не понимаю теперь. Вы что-то пропустили мне объяснить (у задумавшихся людей это бывает). И рисунки только сбивают. Я вижу 1/4 вашей перекрещенной гантели жилых модулей.  То есть один жилой модуль 50 м в диаметре, 500 метровую соединительную шахту и центральную сферу 80 м.
Но что с топливом?
Я предполагал что...

1. Топливо окружает все сферы (и 4-е жилых и одну центральную) вокруг. Но вы тут располагаете топливо полусферой с "загибом", то есть создаёте некую ТЕНЕВУЮ защиту. А зачем?

2. Почему топливо то 8 м толщиной (это понятно), то 17 метров? Зачем такая толщина? 5 т/м2 - это достаточная защита от ГКИ, и при плотности пентаборана в 0.618 т/м3,  это толщина слоя в как раз 5/0.618=8,09 м. А зачем 17? Вы (предположение) решили ВСЁ топливо разместить впереди корабля?

3. Ваша теневая (не полная) по окружению схема и реплика "Ни одного лишнего грамма в жилую зону!" заставила подозревать что у вас ТЕПЕРЬ топливо (вкруг жилых отсеков) - не движется вместе с отсеками по кругу (как предположил я). Так? Вы не хотите эту гигантскую массу вращать вместе с отсеками? И в итоге вы его размещаете именно всё в передней зоне этаким неподвижным полу-бубликом, в тени которого и вращаются две гантели?

Я не посчитал массу этого пока... Хотя что там считать? На самом деле можно очень упрощённо посчитать площадь зелёной фигуры слева, а потом тупо-грубо умножить это на 2*пи()*(500-25) м и получить примерный объем всего нарисованного на последнем рисунке периферийного "полубублика", а из него массу... (ясно что полу-защиту центральной сферы можно пока грубо не оценивать, она на фоне перефирийного полубублика - копейки).

17*40+ пи()*((25+17)^2 - 25^2)*2*пи()*(500-25) =10680085 умножаем на плотность пентаборана, я получил "на салфетке"  6 600 000 т, порядок тот, но многовато... гм... ну у меня грубая формула при правильном интегрированни, возможно и получится близко ка 5 500 000 тонн?

Даже интегрировать не обязательно. Разложить бублик на две фигуры. Обод и полутор из полутора... гм... Сейчас точно прикину..

Двоечник! Не правильно на ходу составил формулу. Ну мало того что забыл скобки, я забыл второе слагаемое разделить на 2!

(17*40+ пи()*((25+17)^2 - 25^2)/2)*2*пи()*(500-25) =7369176 и теперь масса полубубкика 4 554 148 т! Добавить еще полусферу центрального отсека...

4/3*пи()*((40+17)^3-40^3)/2 =253826 м3, то есть масса 156 864 т  и в сумме 4 711 013 т. До грамма не сошлось, но это потому что я слишком грубо считаю полубубрик...
Сейчас посчитаю точней...


До меня, кажется, дошло, почему защита "теневая". Вы где-то там говорили что, мол, вся масса корабля сзади будет закрывать жилые отсеки от ГКЛ...
То есть вы хотите всё-таки иметь СПЛОШНОЙ служебный отсек сразу перед лазерной люстрой (мои потуги разбить его на 100 отдельных "островков" - не годятся)?
Она же (люстра) очень пустотелая и прозрачная. И никакой радиационной тени дать не может!
Почему я и лепил круговую защиту...

[Иван Моисеев]

О расположении топлива. Я не совсем понял вашу идею.  Вернее совсем не понимаю теперь. Вы что-то пропустили мне объяснить (у задумавшихся людей это бывает).

Виноват.
Топливо нельзя крутить, поэтому оно все размещается стационарно на служебном отсеке.
Топливо прикрывает жилые шары сбоку и спереди.
Снизу - конструктивная радиационная защита.

2. Почему топливо то 8 м толщиной (это понятно), то 17 метров? Зачем такая толщина? 5 т/м2 - это достаточная защита от ГКИ, и при плотности пентаборана в 0.618 т/м3,  это толщина слоя в как раз 5/0.618=8,09 м. А зачем 17? Вы (предположение) решили ВСЁ топливо разместить впереди корабля?

Да все. 17 м - это в начале полета. К концу разгона останется только 3 м.

Даже интегрировать не обязательно. Разложить бублик на две фигуры. Обод и полутор из полутора... гм... Сейчас точно прикину..

Я считал - боковая площадь цилиндра высотой 40 м + половина площади тора + площадь полусферы, прикрывающей центральный шар.

[Иван Моисеев]

До меня, кажется, дошло, почему защита "теневая". Вы где-то там говорили что, мол, вся масса корабля сзади будет закрывать жилые отсеки от ГКЛ...
То есть вы хотите всё-таки иметь СПЛОШНОЙ служебный отсек сразу перед лазерной люстрой (мои потуги разбить его на 100 отдельных "островков" - не годятся)?
Она же (люстра) очень пустотелая и прозрачная. И никакой радиационной тени дать не может!
Почему я и лепил круговую защиту...

Не ГКЛ, а ГКИ!!!
А так разумно. Можно на служебном отсеке разместить диск из топлова, закрывающий жилые страны.
Для этого надо оценить массу ДУ... Дайте свою оценку "с потолка".

[alex_semenov]

Я считал - боковая площадь цилиндра высотой 40 м + половина площади тора + площадь полусферы, прикрывающей центральный шар.

Да, так проще всего:



Здесь

R = 500-25 = 475м
r = 25м
h =17м
L=40м

И я получаю:  V₁+V₂ =2172599,816+5339702,721  = 7512302,537
плюс полусфера в центре   V₃ =253826,0256
Итого 7766128,562 м³ и при плотности 0.618 т/м³, я получаю массу 4 799 467 т.
Не получается до грамма. 
Что бы разместить так всю массу топлива с самого начала, то есть 5 770 000 т, вам надо задать толщину h = 19,810 м

Не ГКЛ, а ГКИ!!!

Да ради бога! ГКИ так ГКИ!

А так разумно. Можно на служебном отсеке разместить диск из топлова, закрывающий жилые страны.
Для этого надо оценить массу ДУ... Дайте свою оценку "с потолка".

Я не дам сейчас оценку массы ДУ. Просто нет параметров пока. Но  я не вижу зачем. ДУ - далеко (в километре от жилых отсеков) и радиационную тень, которую бы эти 100 двигателей могли бы создать, это действительно "тень на плетень". Ерунда. Не создадут они серьезной защиты жилым отсекам. Как и сама "лазерная люстра". Она же состоит в основном из пустоты! Если она в основном прозрачна для теплового излучения (а так и должно быть), то и космическим излучением она простреливается насквозь.
Я до сих пор не могу понять чем вы собираетесь защищать жилые отсеки сзади. Там по-сути нечем. Да, масса корабля сзади - огромна. Но это не поможет. Корабль в силу необходимости избавляться от термической нагрузки будет состоять из "пустоты" (мыльный пузырь, так сказать) и поэтому серьёзной тени для жилых отсеков сзади создать эта масса не сможет.
Почему я и предлагал окружить все 5 модулей сплошной круговой биозащитой из части тормозного топлива. То что она будет создавать нагрузку на ось... Да, но может быть это можно стерпеть?
А может сделать сплошной неподвижный бублик вокруг жилых отсеков (с прорезью внизу для шахты) и пусть там внутри вращаеются эти 4-ре сферы...
Несколько смешное решение. Но если вам так хочется....
Вот так:

[Иван Моисеев]

Не получается до грамма.

Что бы разместить так всю массу топлива с самого начала так, то есть 5 770 000 т таким образом, вам надо задать h = 19,810 м

Помните, я говорил про контейнеры топлива? Вы еще не хотели их все вырисовывать?
Их партия начинается здесь.
Единица измерения толщины защиты - 1 контейнер.

Контейнер топлива 1 тонна            
Контейнер кубической формы выполнен из бора и содержит твердый пентаборан            
Бор по массе   41%         
Пентаборан   59%         
Бор по объему   16%         
Пентаборан   84%         
Масса контейнера      1000      кг
Масса бора              410      кг
Масса пентаборана      590      кг
Объем бора              0,18      м3
Объем пентаборана      0,95      м3
Объем контейнера      1,13      м3
Длина контейнера      1,04      м
Толщина стенки      5,7      см
Число контейнеров            
разгон       4 692 517       
торможение    873 911       
Объем контейнеров            
разгон       5 302 104   м3
торможение       987 438   м3
       6 289 542       м3

[MenFrame]

Масса 1 мм3 волфрама 0,00001925   кг, а на скорости 100 км/с это 96250 Дж. За 10 нс, это мощность удара 9,625E+12 Ватт. А теперь поднимите мощность (в импульсе) всех этих лазеров в том же NIF.

Так из всех этих мощностей по итогу в саму 10мг мишени удается вкачать 40 кДж, что по сути соответствует кинетической энергии 100 км/с для массива пеллет такой же массы.

И сами себя убеждаете, что учёные - дебилы.

Не кто не кого не убеждает, ускорители пеллет претензионной точности это технологии в лучшем случае сегодняшнего дня. Во вторых для ученных термояд дело десятое, основная цель NIF изучение вещества при чрезвычайных давлениях. Ускорительные системы в этом плане совершенно иной эксперимент. В общем может быть много причин почему используют именно лазер, а не другие системы поджига.

[MenFrame]

К вопросу о возможности термоядерного зажигания
мишеней прямого облучения на мегаджоульных
установках с длиной волны лазерного излучения
0.35 мкм и 0.53 мкм

[Vavanzer]

Так из всех этих мощностей по итогу в саму 10мг мишени удается вкачать 40 кДж, что по сути соответствует кинетической энергии 100 км/с для массива пеллет такой же массы.

  Вот и получается, что для запуска термоядера нужна энергия не сильно меньше энергии выхода самого термоядера))) Те у них КПД всех систем "поджига" в сборе крайне низкое, и уже несколько десятилетий ме могут никак решить проблему!))) И это при том что и установки очень массивные, и применяются все самые передовые решения!
  Отсюда, экстраполируя линейно стоимость предполагаемой системы способной заработать, эт надо еще в 1000 раз ценник поднять! И система, которая поджигает милиграмм, будет стоить дороже годового бюджета Америки)))) При том что будет импульсная и долго не протянет при постоянном горении в промышленном режиме!))) А про звездолетную версию и вовсе лучше не мечтать! Дорого, тяжеленная, и требует мощный источник электричества.для работы!
Суммарный выхлоп по отношению к массе юудет похуже чем у нынешних ионников на ритегах))) 

[DRUID_3]

Лазер не CO2, а Kr-F. кпд 70%.

А шо, уже есть лазеры с КПД > 50%? Вот это я отстал от жизни.

[Иван Моисеев]

Лазер не CO2, а Kr-F. кпд 70%.

А шо, уже есть лазеры с КПД > 50%? Вот это я отстал от жизни.

Есть 78%.

[DRUID_3]

 Очень интересно мне.

[Vavanzer]

Лазер не CO2, а Kr-F. кпд 70%.

А шо, уже есть лазеры с КПД > 50%? Вот это я отстал от жизни.

Есть 78%.

  Какие нибудь микроскопические, маломощные, стоят миллиарды долларов , и вообще на уровне опытного экземпляра нестабильного!)))) 
Так, или не так?

[Иван Моисеев]

Так, или не так?

Конечно, не так.

[alex_semenov]

Отсюда:

Коэффициент полезного действия лазера (wall-plug efficiency, эффективность)
Перевод Романа Молочкова

Определение: полная электрическо-оптическая энергетическая мощность лазерной системы.
Коэффициент полезного действия лазера – это эффективность преобразования электрической энергии в оптическую. Если использовать термин аккуратно, то потребляемая электроэнергия должна быть измерена непосредственно «в электрической розетке на стене», так, чтобы эта эффективность включала в себя потери в блоке питания, а также мощность, требуемую для системы охлаждения, которая может быть существенной для мощных лазеров. Однако, как правило, коэффициент полезного действия вычисляется из расчета электроэнергии, поставляемой в лазерные диоды (например, в диодной накачке твердотельных лазерных систем), без учета электрических потерь и энергозатрат на охлаждение.
Если рассчитывать эффективность этим способом, обычно достигается 25% КПД для многих лазерных систем с диодной накачкой. Получение значений выше 30 % возможно, например на Yb:YAG дисковых лазерах, с накачкой на эффективных лазерных диодах. Следует ожидать, что в ближайшие несколько лет лазерные диоды могут стать еще более эффективным, и КПД таких систем еще более возрастет. Лазерные системы, в которых используются только диодные лазеры, могут достигнуть самой высокой эффективности, иногда выше 60 %, но они могут использоваться не во всех применениях, например, из-за их плохого качества луча, а также их неспособности генерировать интенсивные короткие импульсы. С другой стороны, у ионных лазеров (например, аргоновых), и тем более у титан-сапфировых лазеров и т.п., для накачки которых использовались ранее аргоновые лазеры, коэффициент полезного действия не превышал 0.1 %.
Высокий коэффициент полезного действия - очень важное качество, особенно для мощных лазеров. При высоком КПД уменьшается потребление электроэнергии а, также количество тепла, которое должно быть удалено из системы для охлаждения активной среды. Поэтому, это не только снижает расходы на оплату электроэнергии, но также и уменьшает требования к электрическим подключениям, к системе охлаждения, и, в свою очередь, к размеру лазерной системы. Даже для маломощных лазеров, эффективность может быть важной в определенных прикладных областях, где запас мощности ограничен. Примерами являются телекоммуникационные устройства с большим количеством передатчиков и лазеры для космической техники.
по материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com

По крайней мере, спор о том, перешли ли лазеры рубеж в 50% КПД - несерьёзный. Перешли.  Но в действительности нас должен волновать хороший промышленный лазер для народно-хозяйственных нужд. Вот, как мне кажется, хороший  пример современного уровня:

Волоконный лазер непрерывного действия мощностью 100 кВт промышленного класса

Выходная мощность демонстрирует линейную зависимость от тока. Измеренная полная мощность составляет 101,3 кВт. Энергопотребление при максимальной мощности составляет 286 кВт, что соответствует КПД лазера 35,4%. Нестабильность выходной мощности при полной мощности составляет ± 0,2% в течение 30 минут.

Насколько я понимаю, 35% - это честно измеренное КПД "от розетки" (кто же будет так накалывать покупателя? Он же придёт и спросит, ты что мне обещал?) И это - непрерывный лазер с очень хорошим качеством луча. То есть без дураков. Лазер в NIF выдает 500 ТВт, но в ~10 нс импульсе, а потом остывает "пол для" (примерно).  То есть его квази-непрерывная мощность (что нас должно волновать),... я насчитал 120 ватт.
Шаг вперёд -  оптоволокно и диоды накачки. Накачка лазера светом - самая эффективная как для активной среды. Но она же раньше была и самой затратной. Лампы-вспышки сами в свет накачки выдавали не более 15% затраченной на вспышку электроэнергии и даже эта энергия была размазана по спектру чернотельного излучения. Светодиодная техника (чудо, которое каждый держал в руках, этого не отнять) здесь сделала явный скачок (с 1-2% до 30%).
Данный лазер весит 3600 тонн. Моя "комета-2", 1989 года рождения, примерно столько же весила, но выдавала всего 1500 ватт (и качество было так себе). Всего лишь. 
На самом деле КПД 35% типичного промышленного лазера в непрерывном режиме, без дураков, отличается от заявленного кпд 70% лишь В ДВА РАЗА.
Не на порядок а в 2 раза.
Да, не факт, что вы легко этот разрыв пройдёте, но всё-таки, это обнадёживает.
Куда больше волнует другое.
Масса установки (до розетки) 3600 кг и если мощность поделить на это то получаем... 27,8 ватт/кг. Как у ... у межорбитального ядерного буксира в пректе.
То есть 30 ватт/кг - это типичная удельная мощность подобных установок. Я не поленился высчитать размеры установки и прикинуть массу железного ящика предоложив 1 мм стали, и я получил порядка 200 кг. На само деле будет 300-400 кг и эту массу можно выкинуть в оценке удельной мощности. Далее, надо понимать что всё электрооборудование внутри - типичное. В общем, мы вполне могли бы при "форсировании" удельной мощности реалистично надеятся на ... трехкратное снижение веса. То есть мы могли бы дотянут удельную мощность такого лазера до 100 ватт/кг.
Но вообще то нам МИНИМУМ  нужно 1000 ватт/кг, а лучше 10 000 ватт/кг.
То есть тут нам нам не хватает 1-2 порядков. И это куда важней (на мой взгляд) чем КПД.

Вообще же, коль скоро идёт речь о газовых лазерах с накачкой электрическим разрядом, то надо смотреть только их параметры. И какие-то там рекордные показатели "по всей больнице" ничего нам не скажут.

Собственно говоря, я бы (на мой глаз) считал бы уже хорошим (приемлемым) КПД лазера в 30% (реализм) и очень хорошим в 50% (оптимизм).
10% - это конечно же пессимизм.

Да. Еще. Длина волны. Там есть противная чисто термодинамическая закономерность, которая понижает КПД  процесса перехода спонтанное-вынужденное излучешие с уменьшением длины волны.  Лазер выше 1 мкм (инфракрасный). Но нам бы ультрофиолет бы... В 10 раз короче...~100 нм.

Нашёл... "Космическое оружие, дилемма безопасности..." (у меня бумажная книга в руках):

Предсказания возможности вынужденных (индуцированных) переходов в квантовых системах было сделано Эйнштейном в 1917 году. С чисто термодинамической точки зрения без какой-либо связи с конкретными системами он вывел соотношение между коэффициентом спонтанного (A)  и индуцированного (В) излучения:

A/B ~ λ^-3

И это очень плохо. Если у нас у 1000 нм лазера КПД будет 50%, то у 100 нм (в 10 раз) он падает в 1000 раз.
Я правильно понял Эйнштейна?
Опять этот Эйнштейн нам весь праздник портит?
Ну что за человек, а?!

[Иван Моисеев]

Собственно говоря, я бы (на мой глаз) считал бы уже хорошим (приемлемым) КПД лазера в 30% (реализм) и очень хорошим в 50% (оптимизм).

50% - это сейчас оптимизм.
А лет через 200, если потомки дружно поработают, 75% будет пессимизмом.
В принципе, если говорит о Десанте, он на 30% может, но в этом случае проект будут сильно критиковать за отсутствие веры в светлое будущее:   

[alex_semenov]

К вопросу о возможности термоядерного зажигания
мишеней прямого облучения на мегаджоульных
установках с длиной волны лазерного излучения
0.35 мкм и 0.53 мкм

Интересная презентация. Поискал в ней знакомые буквы.
Вспомнил, что действительно, есть еще одна проблема - быстрые электроны, высекаемые прямыми лучами и которые разогревают мишень, не давая её как следует сжать.
И насколько я понял презентацию (если не так - поправляйте), вся презентация о том, что все давно известные экспериментальные, теоретические выкладки и модели по поводу сжатия мишени прямыми лучами только ПОДТВЕРЖДАЮТСЯ и новыми моделями и опытами в NIF.
Хотя прямые лучи могут сэкономить порядок энергии, но неприятные эффекты это всё отбирают с лихвой.
И обратите внимание, сколько прямых лучей там сходятся на мишени. Их более трёх десятков. Мы в двигателе это себе можем позволить?
Вопрос ведь даже не в их количестве, а в равномерности (по всей окружающей сфере) их распределения.
И если увеличить число лучей мы можем, то добиться равномерности в ЛТЯРД - нет.  Поэтому, я считаю, что надо искать некое чудо-решение для всего лишь 8-х сходящися перпендикулярно лучей.


* * *

А вообще хорошо бы было бы подключить к этому нашему разговору во-первых хорошего термоядерщика (хотя они все - фанатики одной идеи и очень сильно топят все остальные, например магнитчик будет топить лазерщиков, поэтому нам нужен именно лазерный термоядерщик, но не такой уж и оптимист) и нужен спец по лазерам.
Вот я например до сих пор не знаю как газовый лазер (хоть и работал с ним) превращает электрический разряд в энергию накачки?
Газовый разряд  даёт вспышку света? А эта вспышка перегоняет электроны на орбиты возбуждения?
Ну ничего же кроме света это с электронами на орбите сделать не может. Верно?
Но тогда по-началу газовые лазеры делали по КПД все остальные (которые в основном были с накачкой светом лампами-вспышками, те же твердотельные)? Газовые давали 10-12%, а всякие там неодимовые всего 1-2%. В чём было преимущество прямого света от разряда прямо в газовой среде перед почти такой же вспышкой в параллельной лампе? У вас есть ответы на эти детские вопросы? У настоящего лазерщика должен быть. Ну или у хорошего профессионального физика...

[alex_semenov]

50% - это сейчас оптимизм.
А лет через 200, если потомки дружно поработают, 75% будет пессимизмом.

Иван. Это дурная экстраполяция. Так мы и до 150-200% КПД можем через 500-1000 лет дойти?


Кстати, то же самое и с процентом выгорания мишени. Например в бомбе деления или синтеза (уж насколько к ним природа благосклонна). Какой там возможен максимальный процент выгорания топлива вообще? Я как-то фантазировал о грязной супер-бомбе для одного молодого человека на Авиабазе, который хотел любой ценой получить для бомбы 12 кт/кг и при этом чтобы это было в основном... деление темпера (а даже у чистого плутония калорийность 17 кт/кг!!!) Я ему нарисовал такое устройство (что бы понять границы возможного надо рискнуть на невозможное):



Сама бомба тут не интересна. График слева-внизу. Кривая цепного процесса в делящейся оболочке. Я просто показывал, что цепной процесс идёт по экспоненте только в бесконечной среде, а в ограниченной массе он в самом идеальном случае будет иметь форму логистической кривой. И уже после 50% (даже если условия для цепного процесса всё еще сохранились) добиться прироста % выгорания всё трудней и трудней.
И это же касается и термоядерной реакции.
У вас просто выгорело почти всё топливо. И недогоревшим частицам просто мешают уже инертные продукты реакции.  Поэтому типичное выгорание в хороших бомбах на рубеже 50-60х годов было порядка 30% всей массы топлива. Не более. Что давала  чудо-технология RIPPLE 1962-го года? Мы знаем, что в кабинете у Кеннеди взахлёб говорили, что существенно подняли процент выгорания термоядерного топлива. Существенно это как? В 2 раза? 60%? 75%? Или уже все 85%? 85%  - это, как по мне - крайний оптимизм (см график выше). Ну а 90-95% выгорания - это вообще уже фантазии, которые вряд ли когда будут достигнуты в любых сколь угодно диковинных устройствах.
Я так думаю.
Но если вы найдёте доказательства что я не прав - буду рад.

[Иван Моисеев]

50% - это сейчас оптимизм.
А лет через 200, если потомки дружно поработают, 75% будет пессимизмом.

Иван. Это дурная экстраполяция. Так мы и до 150-200% КПД можем через 500-1000 лет дойти?

Вообще-то больше 100% кпд не бывает.
И то - можно представить себе зеленых человечков, которые через внепространственные туннели угля подкидываю нашему паровозу.
А вообще, чтобы снизить оценку кпд, надо показать, что для данного типа лазеров такой кпд принципиально не достижим.

[alex_semenov]

Вообще-то больше 100% кпд не бывает.

А вы думаете, я этого не знаю? В этом и была шутка!

[Иван Моисеев]

Вообще-то больше 100% кпд не бывает.

А вы думаете, я этого не знаю? В этом и была шутка!

Ах, это была шутка? Я сразу заподозрил, что что-то не так...

Вариант размещения топлива.
Вокруг малых жилых шаров - тор.
Вокруг большого жилого шара - сфера.

Толщина защиты h
В начале полета - 10,76 м (11 контейнеров).
после разгона - 1,97 м (2 контейнера).

Теперь, помолясь, можно браться за радиаторы...