Двигатель для межзвёздных перелётов

[AlexAV]

Тормозное излучение: n*Z^2*sqtrT
Где здесь вообще связь с магнитным полем? Если увеличивается магнитное поле, то можно увеличить давление плазмы: либо увеличить температуру, либо концентрацию, либо и то и другое. Если мы увеличиваем ТОЛЬКО концентрацию, то излучения растет (растет n)

Температура постоянная. Гидродинамическое давление увеличиваем пропорционально магнитному давлению (так что бета остаётся постоянной). Концентрация в этом случае растёт пропорционально квадрату поля, а объёмная плотность мощности тормозного излучения пропорционально квадрату плотности. Отсюда W_t~B⁴ (излучение конечно зависит не от поля, просто сюда заложен рост плотности при фиксированной температуре и бете).

НО и удельная термоядерная мощность тоже растет линейно ДОЛЯ остается та же самая

Так вроде с этим никто и не спорил - конечно не зависит. Термоядерная объёмная плотность мощности растёт также пропорционально квадрату плотности или W_tn~B⁴ (в тех же предположениях).

И вполне может даже статься, что в определенных режимах мы получим СНИЖЕНИЕ синхротронного излучения вовне.

Это вообще-то надо обосновывать. Я привёл оценки по формуле Трубникова (той самой которую в половине моделей используют). И всё что вы перечислили - она учитывает. И в таком приближении получается, что доля к энерговыделению совершенно не уменьшается (даже наоборот, несколько растет).

[ВадимZero]

Разберитесь, пожалуйста, вначале, что такое скорость истечения/удельный импульс/удельная тяга Потом поговорим.

Я то разобрался, а у вас видимо с этим определенные трудности. Скорость истечения для реактивного двигателя равна удельному импульсу, за исключением двигателей с внешним забором рабочего тела.

[Андрей из Питера]

У меня такое предложение\вопрос. Может по межзвездному полету создать какую-то единую тему и туда объединить все темы, что есть? А то по моим наблюдениям тут не меньше 10 тем по этой теме существует.

[AlexAV]

У меня такое предложение\вопрос. Может по межзвездному полету создать какую-то единую тему и туда объединить все темы, что есть? А то по моим наблюдениям тут не меньше 10 тем по этой теме существует.

Они несколько отличаются по рассматриваемому кругу вопросов и если их всех объединить - то получится каша, в которой вообще невозможно будет разобраться. Поэтому - думаю не стоит. Однако считаю что на тему МП лучше писать в одну из уже существующих тем (их достаточно и они охватывают самые разные аспекты), а не создавать каждый раз новую.

[ВадимZero]

Это вообще-то надо обосновывать

Слышал что увеличение объема плазмы, приводит к снижению синхротронного излучения, в следствии того что плазма излучает поверхностью. Возможно то же справедливо в случае увеличения плотности?

[AlexAV]

Слышал что увеличение объема плазмы, приводит к снижению синхротронного излучения, в следствии того что плазма излучает поверхностью.

Да, именно так. Большее часть синхротронного излучения поверхностное и насыщенное (т.е. близко к спектральной плотности теплового излучения в соответствие с Планком). Т.е. с ростом объёма усреднённая по объёму плотность мощности излучения будет падать.

Возможно то же справедливо в случае увеличения плотности?

Здесь сложнее. Т.е. существенно как будет меняться отношение гидродинамического давления к магнитному (т.е. та самая бета). Если плотность плазмы растёт, а внешнее поле остаётся постоянным - то доля потерь на излучение довольно быстро падает. Но это нельзя делать до бесконечности. Невозможно создать чётко очерченный объем плазмы, где внутри гидродинамическое давление равнялось давлению поля, а вне точно равнялось нулю (это соответствует бета = 1). Всегда будет плавный диффузионный профиль, где на периферии плотность плазмы почти нулевая, а в центре почти соответствует давлению внешнего поля (рассматривается случай осесимметричной МГД-устойчивой открытой ловушки, для токамаков на гидродинамическое давление в центре есть более жёсткие ограничения связанные с устойчивостью плазмы). Средняя бета по всему профилю (даже если в центре она единица) - будет всё равно заметно меньше предельного значения. И это предел.

Дальнейший рост плотности возможен только путём наращивания внешнего поля, т.е. магнитного давления при уже постоянном бета. В этом случае если профиль геометрически остаётся таким же (т.е. просто увеличивается давление), доля потерь, если не учитывать изменение его коэффициентов отражения от стенок из-за роста частоты, будут уже уменьшаться очень медленно, в первом приближение только как B^-1/2.

Но здесь есть одно серьёзное НО. Если мы наращиваем поле (при постоянном бета), то у нас при сохранение геометрии профиля будет с огромной скоростью расти термоядерная мощность и мощность тормозного излучения. При этом никакие стенки реактора плотности потока излучения сильно более 10МВт/м2 не выдержат. Т.е. сильно поднять поле сохраняя профиль нельзя, придётся уменьшать плазменный объём через сечения плазменного шнура для того чтобы сохранить поток мощности на стенки на приемлемом уровне. А это сокращение ухудшает соотношение площади поверхности плазмы к её объёму, что ведёт к росту синхротронных потерь. Причём рост потерь из-за ухудшения профиля будет перекрывать улучшение за счёт роста плотности плазмы. И в целом наращивание поля при сохранение мощности на единицу длинны будет вести к некоторому росту доли потерь на синхротронное излучение, т.е. к ухудшению ситуации с ними.

Вообще видимо существует оптимальное поле для максимизации Q для данной плотности мощности и типа ловушки, такое что при более низких значениях поля  - растёт доля чисто плазменных потерь (диффузия, теплопроводность и т.д.), а при более высоких - синхротронных.

[Андрей из Питера]

http://web.archive.org/web/20091026192110/http://geocities.com/televisioncity/2049/DAEDALUS.HTM

The next speaker, Dr. Tony Martin, went on to describe some of the more plausible of the available propulsion proposals and systematically reduced them to a single surviving candidate.

Controlled nuclear processes might yield two types of engine, i.e. those restricted by exhaust velocity and those restricted by weight. For example, the controlled fusion engine and the nuclear electric systems all have a very high mass associated with the hardware required to implement the system and hence the achievable acceleration is very low. This results in having to spend centuries just accelerating to the desired velocity - which is clearly not satisfactory for the present study. High thrust devices such as the thermodynamic nuclear engines of the NERVA type could achieve the acceleration, but the low exhaust velocity of about 104 m/s meant that the amount of propellant required would be enormous and was impractical. In regard to photon rockets, Dr. Martin pointed out that to attain 1g0 acceleration, the rocket would have to generate power at the rate of 3 x 109 w/Kg of vehicle mass. Not only this, but having generated the energy it was necessary to reflect it away from the starship with mirrors having absorbivity of less than 1 part in 106! Only an electron gas mirror might do that and even this raised many doubts. There were two final possibilities. First was the interstellar ramjet. Despite enormous prospects for the future of this system, the idea was not well enough advanced today to allow any realistic appraisal of what such a vehicle might look like, or its capabilities. The problems of how to scoop up the tenuous interstellar medium with a density of about 1 atom/cm3 were very difficult to resolve. If a magnetic field was employed, it would tend to reflect back into space the very particles it was attempting to collect. Even if the field problems could be overcome, bursting loads imposed on the vehicle structure were beyond our current technology. So, reluctantly, Dr. Martin moved to the only propulsion system which currently looks as though it might be practical, and capable of an interstellar mission. That was the nuclear pulse rocket. This device worked by exploding relatively small thermonuclear bombs behind the vehicle and propelling it forward by the impacts received from the expanding products of the explosion. Because bombs were small, it would be necessary to ignite them by means of a high-power laser or electron beam, produced by equipment carried on the vehicle. To make the system more effective, detonations would take place in a cusp shaped magnetic field. This would not only make the exhaust more directional, but also reduce the ablation of the vehicle protection system to a negligible level. Two nuclear reactions may be possible for the bomb, a deuterium/tritium or helium 3/deuterium reaction. The latter one had a low neutron production.

http://alfven.princeton.edu/papers/sciam2009.pdf

So far the most advanced designs could impart a delta-v of 100 km/s—much too slow to take a spacecraft to the far-off stars but plenty enough to visit the outer planets in a reasonable amount of time.

[ivanij]

  А перевод? Хотя бы конспективный.

[Андрей из Питера]

В настоящее время самые перспективные виды электрических ракетных двигателей могут иметь дельта-В до 100 км\с - слишком мало для полетов к далеким звездам, но достаточно для полетов к внешним планетам солнечной системы за разумное время

Следующим выступил доктор Тони Мартин (Tony Martin). В своем докладе он сосредоточился на анализе идеи межзвездного привода. Сначала он описал доступные и мыслимые систем ракетных двигателей для подобного корабля. Рассматривая их, доктор систематически сузил число возможных решений до единственного решения, по мнению инициаторов, подходящего для целей миссии.
Он начал с того, что управляемые ядерные процессы могут быть использованы в двух типах двигателей. Термическая ядерная ракета и электроракетный привод с питанием от ядерного реактора. Первый тип ограничивается допустимой температурой, а в итоге и скоростью истечения рабочей массы, другой - максимальной тягой. Например, электроракетный двигатель, который бы использовал ядерный реактор в качестве источника электроэнергии, имеет очень большую массу оборудования для преобразования ядерной энергии в электричество. Как следствие, такой двигатель всегда будет обеспечивать кораблю очень небольшое ускорение. Это, в конце концов, приведет к тому, что потребуются столетия, чтобы полезный груз достиг нужной скорости, и он явно не годятся для использования в данном случае.
Нужной величины тяги можно добиться в чисто термических ядерных двигателях типа NERVA. Это двигатель первого типа, где энергия, выделяемое ядерной реакцией, в виде тепла прямо передается рабочей массе. Но очень низкая скорость истечения этой массы (приблизительно 10 км/c) фатально означает, что количество топлива для разгона до нужной скорости - невообразимо огромно. Такой двигатель для межзвездной миссии тем более непригоден.
В отношении гипотетического фотонного двигателя доктор Мартин заметил, что дабы фотонная ракета имела ускорение 1g воображаемый двигатель должен вырабатывать мощность, не менее 3 ГВатт на один килограмм массы корабля. Всю эту энергию следует отразить от зеркала звездолета с фантастической отражательной способностью, если вы не хотите чтобы то мгновенно испарилось. Это гипотетическое зеркало должно поглощать не более чем 1 миллионную часть этой энергии. Только очень теоретическое зеркало из электронного газа, возможно, смогло бы это сделать, хотя и это вызывает огромные сомнения.
Остаются две заключительные возможности, подвел промежуточный итог доктор Мартин. Прежде всего, это так называемая, "межзвездная прямоточка" или рамджет (ramjet). Хотя у этой идеи есть хорошие шансы в будущем, но сейчас этот тип привода имеет ряд теоретически нерешенных проблем и мы не готовы приступить к ее инженерной оценке. Пока мы не можем себе представить, что подобное транспортное средство могло бы из себя представлять.
Первая и главная проблема "прямоточки" (констатировал доктор Мартин) в том, как построить гигантскую и легкую воронук-сборщик для крайне разряженного межзвездного водорода с плотностью всего 1 атом на кубический сантиметр космического пространства? Это очень трудная задача. Если использовать магнитное поле, то оно будет отражать назад в космос собранные частицы. Но даже если эту проблему как-то можно преодолеть, то силовые нагрузки на катушку, генерирующую сверхмощное магнитное поле-совок, неизбежно будут разрывать ее. Эти нагрузки окажутся настолько колоссальны, что их преодоление - вне наших теперешних технологических возможностей и известных нам материалов.
Так постепенно доктор Мартин приблизился к единственной системе привода, которая, по мнению инициаторов проекта, в ближайшее время выглядит как практически осуществимая с одной стороны и вполне применимой для реализации предполагаемой межзвездной миссии с другой. Это импульсный ядерный ракетный двигатель. Подобное устройство работает, взывая маленькие ядерные бомбы позади корабля и получая импульс от расширяющихся продуктов взрыва. Так как бомбы маленькие, реакцию в них следует поджигать потоками мощных лазерных лучей или электронными пучками. Чтобы эффективней использовать энергию взрывов их нужно производить в центре магнитной ловушки специальной формы. Это не только сделает использование энергии взрывов более эффективной, но и снизит тепловую и радиационную нагрузку на систему защиты корабля до конструктивно приемлемых величины.




 

На рисунке показана схема лазерного ТЯРД, выполненная в соответствии с разработками Р. Хайда, Л. Вуда и Дж. Наколлса (R. Hide, L. Wood & J. Nuckolls) (1972 г.). Камеру сгорания (КС) ТЯРД образуют два соосных сверхпроводя­щих соленоида - малого диаметра с высокой напряжен­ностью магнитного поля (1) и большого диаметра с мень­шей напряженностью (2). Из термоядерного топлива (3), которое в межзвездном пространстве может храниться без баков, в специальных установках (4) изготавливают­ся мишени массой 0,1-1,0 г. С помощью линейного маг­нитного ускорителя (5) мишени подаются в магнитный фокус КС (6) и поджигаются лучами многоканального га­зового лазера (7) фокусируемыми зеркалами (. Боль­шая часть образовавшейся высокоионизированной плаз­мы выталкивается магнитным полем по оси КС, сущест­венно меньшая уходит в противоположном направлении в так называемый "конус потерь" и поглощается охлаждае­мой защитой (9). Электроэнергия для накачки лазеров и устройств подачи мишеней обеспечивается соленоидами (10), ориентированными на точку горения. Расширяюща­яся плазма деформирует магнитное поле, и его изме­нение генерирует ток в этих соленоидах. Все элементы ТЯРД либо нагреваются излучением из зоны термоядер­ного горения, либо сами являются мощными источниками тепла, поэтому самыми большими по размеру элемента­ми двигателя являются радиаторы (11). Они могут быть выполнены на основе тепловых трубок либо по более эф­фективным схемам капельных или пылевых радиаторов. Жесткость конструкции обеспечивается трубчатыми си­ловыми элементами (12).
 (из статьи И. Моисеева "Двигатели для межзвездных перелетов" PK 10. 2007г.)

В качестве наиболее вероятного термоядерного топлива можно рассматривать две реакции синтеза. Дейтерий-тритиевую и гелия-3 с дейтерием. Но только последняя реакция дает низкое нейтронное излучение. И именно на таком типе топлива, подвел итого доктор Мартин, можно достигнуть скорость более чем 10 000 км/c что вполне достаточно для успешного выполнения поставленной миссии.

http://go2starss.narod.ru/sem/S016_zased.html

[Wyvern]

Это вообще-то надо обосновывать

Слышал что увеличение объема плазмы, приводит к снижению синхротронного излучения, в следствии того что плазма излучает поверхностью. Возможно то же справедливо в случае увеличения плотности?

Правильно слышали (интересно где?)  Причем в отношении синхротронного излучения увеличение плотности совершенно равнозначно увеличению геометрического размера

P.S. Только не "поверхностью", а тонким слоем, в котором поглощение меньше, чем излучение. В основном объеме - наоборот. Кроме того, так как синхротронное излучение суть радиоволны, его легко отражать обратно или даже преобразовывать (с помощью ректенн) в электричество с очень высоким (до 95-98%) КПД

[Wyvern]

Цитата: ВадимZero от 30.03.2015 [20:54:10]

    Возможно то же справедливо в случае увеличения плотности?

Здесь сложнее. Т.е. существенно как будет меняться отношение гидродинамического давления к магнитному (т.е. та самая бета). Если плотность плазмы растёт, а внешнее поле остаётся постоянным - то доля потерь на излучение довольно быстро падает. Но это нельзя делать до бесконечности....

В нашем случае ( ) меняется И плотность И поле - причем симметрично - чем выше поле, тем большая плотность. Сказанное Вами правомочно когда вместе с полем меняться и температура.

[Wyvern]

Вообще видимо существует оптимальное поле для максимизации Q для данной плотности мощности и типа ловушки, такое что при более низких значениях поля  - растёт доля чисто плазменных потерь (диффузия, теплопроводность и т.д.), а при более высоких - синхротронных.

Совершенно верно! Просто я хотел донести простую мысль: увеличение мощности это суть изменение одного из параметров тройного произведения - так вот ВЫГОДНЕЙ менять плотность а не температуру.

[AlexAV]

В нашем случае (  ) меняется И плотность И поле - причем симметрично - чем выше поле, тем большая плотность. Сказанное Вами правомочно когда вместе с полем меняться и температура.

Про температуру я вообще речь не вёл. Считал строго постоянной во всех случаях, менялась только о плотности и поле. Это относится ко всем представленным оценкам.

так вот ВЫГОДНЕЙ менять плотность а не температуру

С абсурдными предложениями менять температуру я вроде и не выступал (там есть оптимум просто в силу кинетики термоядерных реакций). Я говорю об оптимуме плотности (он появляется при учёте реальной термической устойчивости элементов первой стенки).

Кроме того, так как синхротронное излучение суть радиоволны

Оно и при 5Т даст миллиметровый диапазон (при учёте гармоник будет заходить и в субмиллиметровую область). А при повышение поля уйдёт  в терагерцовую область и область дальнего ИК. Ректенны в этом диапазоне малоприменимы. Вот отражается действительно неплохо, но это не панацея и позволяет лишь умеренно снизить потери по этому каналу, но не полностью подавить их.   

[Wyvern]

С абсурдными предложениями менять температуру я вроде и не выступал (там есть оптимум просто в силу кинетики термоядерных реакций). Я говорю об оптимуме плотности (он появляется при учёте реальной термической устойчивости элементов первой стенки).

Это для DT Для DHe3 и DD с температурой все не так просто - ярко выраженного оптимума у этих реакций нет. Причем для DHe3 чем ниже температура тем ниже  побочное нейтронное излучение. Например, энергетически (минимальным) оптимумом считается 70-80 кэв - при этом (D:He3 - 50:50 ) летит 5% нейтронов . Но расчеты показывают, что если снизить Т до 50-60кэв  с cнижением Q то нейтронов будет только 2-2,5%   
Проще говоря: имея возможность увеличивать B (и/или бетта) выгодней за счет этого увеличивать плотность, а не температуру.

[AlexAV]

Это для DT Для DHe3 и DD с температурой все не так просто - ярко выраженного оптимума у этих реакций нет.

Ну He3-D такая же резонансная, как и DT. По тормозному у неё оптимум около 100 кэВ, но дойти до него довольно сложно из-за совсем неприличного роста синхротронного излучения (там уже начинают сказываться релятивистские поправки, что очень сильно увеличивает излучение в гармониках), поэтому обычно рассматривают несколько более низкие температуры. А про D-D - согласен, реакция не резонансная, чёткого пика нет, а формальной максимум находится при энергии более 1МэВ, что с практической точки зрения для вопросов термоядерной энергетики представляет собой очень небольшой интерес.

 

Например, энергетически (минимальным) оптимумом считается 70-80 кэв - при этом (D:He3 - 50:50 ) летит 5% нейтронов . Но расчеты показывают, что если снизить Т до 50-60кэв  с cнижением Q то нейтронов будет только 2-2,5%   

Да, но весьма сильно вырастет доля потерь на тормозной рентген.

Проще говоря: имея возможность увеличивать B (и/или бетта) выгодней за счет этого увеличивать плотность, а не температуру.

Бету всегда лучше иметь максимально возможную в соответствии с критериями МГД устойчивости для данной ловушки. Её рост очень благотворно влияет на снижение синхротронных потерь. А вот стоит ли увеличивать плотность при постоянном бета - вопрос не столь очевидный.

[Harsky]

Обсуждать проблему "среднего поколения" смотрю никто не бросился...

Жаль. Ибо я тут заявил: если мы не решим проблему среднего поколения, то нам нужны очень быстрые корабли (не более 100 лет полета). А если мы ее решим, то нам пофиг 300 лет мы летим или 1500. А значит, решив проблему "среднего поколения" мы можем уверенно сказать что звезды нам доступны уже сейчас (на известных нам технологиях).

Может быть это не самая первая точка отказа?
Почему бы не обсудить проблемы остающихся. Они, в каком-то смысле, будут посерьезнее проблем улетевших (это я про средние поколения и тех и других).
Экспедиция улетела, полезного выхлопа от нее не ждут в ближайшие лет 100, контору (НАСА, РосКосм и т.д.) разогнали в процессе переживания трех революций и двух контрреволюций, антены дальней связи превратили в музей под открытым небом... Ладно, до маразма доводить не будем, но и сейчас уже время от времени проскакивают статьи про то что "куча материалов потеряна, пленки прочитать не можем в силу смены пяти поколений техники, группу по работе с еще живым аппаратом разгоняем в силу того что никто и думать не думал о том что он будет как Ленин - живее всех живых".
Если чуть более обобщенно: сложно назвать какие-либо человеческие проекты, пережившие даже 50 лет в активной фазе, не то что сотни и тысячи. Пирамиды и прочее не подходит по понятным причинам - это не активная фаза, это застывшая музыка.
Есть какие-то соображения на тему того, как за Земле сохранить актуальность поддержания проектов МП после их старта?

UPD: Те кто улетел - они в рамках. Конструкторы, инженеры и психологи могут сделать их жизнь комфортной более или менее, но рамки заданы с первой секунды ускоренного полета. Если на этапе создания звездолета никто не схалтурил, то средним поколениям нужно просто жить. Виртуальная реальность и более-менее сносные физические условия на борту сделают их жизнь практически неотличимой от той, которую они могли бы вести на Земле.
Основная проблема, на мой взгляд, в том, что те кто остался на Земле никаких рамок-ограничителей не имеют.
Естественно, это не имеет никакого значения, если звездолет летит в один конец со всем необходимым для успешной колонизации в точке финиша. В таком случае прилетает он сразу в формате "отрезанный ломоть", не имея более ничего общего с материнской цивилизацией.

[ВадимZero]

Да, но весьма сильно вырастет доля потерь на тормозной рентген.

Кажется Виверн хотел компенсировать снижение температуры селективным нагревом гелия3.  Одновременно и доля DD реакции должна снизиться. Что в целом плохо скажется на Q но в случае двигателя это не принципиально.

[Wyvern]

    Например, энергетически (минимальным) оптимумом считается 70-80 кэв - при этом (D:He3 - 50:50 ) летит 5% нейтронов . Но расчеты показывают, что если снизить Т до 50-60кэв  с cнижением Q то нейтронов будет только 2-2,5%   


Да, но весьма сильно вырастет доля потерь на тормозной рентген.

Опять таки - тормозное излучение растет прямо пропорционально концентрации и под корнем - температуре. Но, вырастет опять таки не ДОЛЯ излучения, а его АБСОЛЮТНАЯ величина -что является  инженерной , а не концептуальной проблемой

[Wyvern]

Да, но весьма сильно вырастет доля потерь на тормозной рентген.

Кажется Виверн хотел компенсировать снижение температуры селективным нагревом гелия3. ....

Наиболее оптимальный путь - это использование концепции пучок-плазма В котором плазма ловушки собственно играет роль мишени. Так как у нас ввод нейтралов/ионов будет в любом случае: что при амбиполярном, что при газодинамическом удержании, что при любых других методах, вплоть до токамаков  (заодно это самый эффективный способ ввода энергии) то выгодней, например, иметь более холодную плазму-мишень, зато увеличивать энергию вводимых пучков. Тут подробней: http://www.inp.nsk.su/chairs/plasma/dip/Kolesnikovm.pdf
Заодно, как я уже говорил, перспективно поляризовать спины ядер пучка, увеличивая сечение ТЯ в 1,5-1,7 раза.
А вот селективный нагрев инженерно неудобен, требует двойного набора оборудования....

[AlexAV]

Но, вырастет опять таки не ДОЛЯ излучения, а его АБСОЛЮТНАЯ величина -что является  инженерной , а не концептуальной проблемой

Доля тормозного есть функция температуры (и соотношения компонент), но не зависит от плотности. Минимум находится для D-He-3 в окрестности 100 кэВ и составляет 20% термоядерной мощности.  Если вы опускаете температуру ниже оптимума, то доля потерь на тормозное неизбежно вырастет. Для 60кэВ точной цифры не помню (но это легко считается), но скорее всего около 30%-40% термоядерной мощности. И да, с учётом того что есть ещё синхротронное излучение - проблемы с ним для D-He-3 именно концептуальные, а не просто инженерные, не путайте с D-T где излучение действительно не главная проблема. 

Наиболее оптимальный путь - это использование концепции пучок-плазма

Пучок при заявленной температуре очень быстро термализуется.