Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Не-а. Не понимаю. УИ это в том числе показатель экономичности. Чем выше УИ, тем выше и к.п.д. Тем меньше тратится рабочего тела на достижение необходимой скорости.

Смотрите.
У вас есть корабль-автомат сухой массой  Мк =1000 кг (например) и ваша задача разогнать его до дельта-вэ (это ускорение, корректировка, торможение, возможно опять ускорение, корректировка… в общем полная сумма всех приращений скоростей) dv =20 км/с.

Пускай на нем стоит "устаревший" ионный двигатель, который отбрасывает массу со скоростью "всего" u=50 км/с.
Считаем для него массу топлива

Мт = Мк* [exp(dv/u) -1] = 1000*0,4918 =492 кг цезия.

Теперь посчитаем полную энергию ракетной струи (которую двигатель сообщит за все время работы).

Е = Мт*u^2/2 = 492* (50 000)^2/2 =6,15E+11 Дж.

Это только  полезная энерия собственно ракетной массы. Реально добытая в бортовой установке энергия будет в два раза больше как минимум. 
Кстати можно посчитать эффективность ДВИЖИТЕЛЯ.
Полезная энергия совершенная ионным двигателем будет Eк = Mк* dv^2/2  =2E+11 Дж

Делим это на энергию отброшенной массы получаем 0,325.  То есть 32%.
Если КПД двигательной установки порядка 40% то в итоге получаем что  13%  всей тепловой энергии реактора превратились в движение нашего зонда.

Теперь "улучшим" наш корабль.
"Оптимизируем" его!
Поставим на него  "более эффективный" ионный двигатель со скоростью истечения в 500 км/с.
Масса, скорость перелета прежние.
Пересчитываем все.
Масса топлива уменьшилась до 41 кг.  В 10 раз! Экономия. Стартовая масса уменьшилась почти в полтора раза! Прогресс!
А что с энергией, потраченной на разгон этих несчастных 41 кг? 

Е= 5,10E+12 Дж

Это в 8,3 больше, чем мы потратили на отбрасывания почти 500 кг топлива в предыдущей версии двигателя!
А эффективность привода (отношение полезной работы по разгону 1000 тонн до 20 км/с к энергии отброшенной массы)? 0,039, То есть только 3.9% энергии струи ушло на разгон корабля. Остальное - на нагрев вселенной!
А если учесть КПД  двигательной установки (0.4) то и того меньше, 1.5 %!!! Все остальное ушло неизвестно куда.
И ради чего?
Ради того, чтобы уменьшить запас цезия на борту с 500 кг до 40?
Ради этого вы подняли мощность энергоустановки в 8.3 раза?
(или уменьшили ускорение системы во столько же при сохранении той же мощности реактора)

СТОИТ ЛИ ОВЧИНКА ВЫДЕЛКИ?

Если вы оптимизируете (вернее минимизируете) массу топлива (ракетную массу) это не значит что вы оптимизируете энергозатраты и cуммарный КПД движителя (ракетного).
Если скорость истечения меньше дельта-вэ (u<dv),  увеличение скорости истечения ведет и к улучшению массового числа и улучшению эффективности (энергетической) привода. Так и происходит с химическими ракетами, которые стартуют на орбиту ибо там dv =8 км/с  а  u~ 3-4 км/с. Если вы поднимите u до 5-6  у вас все улучшится.

ОТСЮДА И РАСТУТ НОГИ ВАШЕЙ ЛЕГЕНДЫ (выделено красным).

Но правда в том что энергетическая эффективность ракетного привода оптимальна когда u ~ dv
Улавливаете?
Массовое число при этом 3-4.

Если у вас u> dv, то дальнейшее увеличение u конечно продолжит минимизацию массы топлива, но за счет падения энергоэффективности привода, то есть за счет СНИЖЕНИЯ КПД.
Вы снижаете массу топлива за счет ПЕРЕРАСХОДА энергии.

Именно такова ситуация с ионными двигателями (u>dv).
И именно по этому первые экспериментальные ионные двигатели в 60-х давали 100-200 км/с истечения.
Но более совершенные нашего времени начали выдавать 50-70 км/с
С чего бы это?

[VimanaPro]

.к. рисовать себе придется не всякие там виверн-джеты, а ловушки и двигатели на антиматерии и прочий праздник.

Вы опять всё попутали ...
... не анти-материия (которая анигилляция), а минус-материя (которая фемто-войды)

[Андрей Курилов]

Боб, вот так сложно почитать индекс темы и найти вывод оптимального УИ. Стыдно.

[ВадимZero]

Но более совершенные нашего времени начали выдавать 50-70 км/с

А реально нужен 20км/с

[alex_semenov]

Но более совершенные нашего времени начали выдавать 50-70 км/с

А реально нужен 20км/с

Вот очень толковая, концептуально полная статья из "Наука и жизнь" 1972-го года.

ЯДЕРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ В КОСМОСЕ

Тогда в СССР реальная разработка ЯРД только начиналась (А американцы свою начали сворачивать) и наша научно-популярная пресса  готовила "самый читающий народ в мире" к очередному научному прорыву в СССР (обратите на СТИЛЬ статьи, глубину содержания и лаконичность оформления! Это ярчайший пример идеально сбалансированной популярной статьи. На широкий круг но не на идиота. Все что проще и красочней - "дурака растим!". В свое время эта статья для меня "закрыла" тему межпланетных перелетов. Будучи еще пионЭром-школьником я понял из нее, что концептуально проблема привода в межпланетном космосе уже решена. Остались "инженерные мелочи". А вот межзвездный привод...).  Там есть рис 3. Как раз на нем видно, что полет к Юпитеру и Меркурию требует прироста скорости примерно 35 км/с.
В этом смысле идеальным двигателем для солнечной системы был бы газофазный ЯРД (скажем "ядерная лампа") со скоростью истечения ~ 25 км/с.



Отношение u/dv ~ 0,7.
Можно сказать "то что доктор прописал"!
Лучше ничего и не надо.
Лучшее будет врагом хорошего.

[Инопланетянин]

А почему этот двигатель невозможен?

[bob]

Вот очень толковая, концептуально полная статья из "Наука и жизнь" 1972-го года.

Спасибо, напомнили. Аж прослезился. Мой интерес к ЯРД и ЭРД тоже начался с этой статьи. Журнал каким-то образом уцелел к тому времени, хоть на него и часто ставили кружки с чаем, что сказалось на состоянии обложки. Он и сейчас лежит в шкафу на лоджии. 

[OratorFree]

А почему этот двигатель невозможен?

Возможен, но недолго.
Его же даже делали :

http://www.youtube.com/watch?v=35jLkIaA5WQ

[alex_semenov]

А почему этот двигатель невозможен?

Он возможен. Концептуально во всяком случае. Но он идеален только для межпланетных перелетов.
Для полета между планетами общего прироста скорости достаточно ~ 30 км/с
Но для полета к звездам нужно НЕ МЕНЕЕ 300 км/с (0.001с, 1 св. год за 1000 лет). Разрыв по dv минимум на порядок. На самом деле на 3 порядка (если считать идеалом 0.1с). И главная проблема тут в том что удельная мощность (которая зависит кубически от скорости) должна быть на ... 3*3 =9 порядков больше чем ДОСТАТОЧНО для межпланетного перелета.
В МИЛЛИАРД РАЗ!
И даже если согласиться на 1000 лет за световой год, то все равно это тысячекратный рост удельной мощности.
Вот инженерный барьер, который отделяет нас от звезд.
Из всех известных нам технологий только бомболет может выдать миллиардынй прирост удельной мощности.

Кстати. В приведенной  выше статье есть и "пару строк" о бомболете.
В частности, там сказано, что на бомбах можно получить удельный импульс в 200 000 сек (ядерные заряды) и 400 000 сек (термоядерные).
Если перевести это в м/с (домножить на 9.8 м/с2) то получаем 1 960 000 м/с (0,007с) - 3 920 000 м/с (0,013с)
Кстати, это очень сильно похоже на правду. Если принять это как реальный предел (реальность этого надо исследовать детально) то посчитаем массовое число для бомболета, который мы пытаемся разогнать до 0.1с (1 св. год за 10 лет):

Z = exp(0.1/ 0,013) -1 = 2106

Масса топлива (бомб) в 2106 раз больше массы пустого бомболета! Как бы комментарии излишни...

[ivanij]

А почему этот двигатель невозможен?

Возможен, но недолго.
Его же даже делали :

http://www.youtube.com/watch?v=35jLkIaA5WQ

 И даже запускали: http://www.razlib.ru/transport_i_aviacija/aviacija_i_kosmonavtika_2006_07/p3.php Думаю, можно было бы сделать такую вещь. Только для своего времени она оказалась не очень-то нужна. В качестве бортового источника питания ЯЭУ имела больше перспектив, как показало время. 

[alex_semenov]

Спасибо, напомнили. Аж прослезился.

Пожалуйста! Вообще у Хлынина на сайте много что можно откопать.
И самое главное - он продолжает его пополнять.
Я время от времени роюсь и даже кое-что нахожу такое, что и не ожидал найти. Например недавно откопал вот это… Я просто в шоке! Что называется, "недостающее звено"  в ряде интересных исторических вопросов по теме "красные звездолеты".
У него даже есть список книг, которых у него нет но он хотел бы получить.
Например, у него нет вот этого.



Перельман Роман Григорьевич
Цели и пути покорения космоса
Москва. «Наука» 1967 г. 212 стр. Тираж 30 000
Автор не мелочиться — первая же глава называется "Астронавтика" и речь сразу пошла именно в этом смысле — о межзвёздных полётах.

Я бы ну очень хотелось бы сей труд полистать (для полноты картины истории "красных звездолетов")!

А почему этот двигатель невозможен?

Возможен, но недолго.
Его же даже делали :
http://www.youtube.com/watch?v=35jLkIaA5WQ

Обратите внимание. Это ТВЕРДОФАЗНЫЙ ЯРД.  Смотрите в приведенной мной статье таблицу № 1. Там все виды определены. У трвердофазного ЯРД удельный импульс до 900 сек, то есть 9 км/с.
То есть это был только первый шаг к совершенству.
А "ядерная лампа" - это по сути вершина, пик. Предел совершенства технологии ЯРД. 25 км/с. Газофазный реактор. Он существует только в расчетах, прикидках. И появиться "в металле" он имел бы шанс только на пике "завоевания солнечной системы".
Но к звездолетам он - никаким боком.

[elind]

А почему этот двигатель невозможен?

Ну, не то чтобы совсем не попал... но не попал в шарик ©
Двигатель такого типа не подходит в качестве межзвёздного. А всё почему? Нейтроны, сэр.
При ядерном распаде 3-4 % энергии приходиться на нейтроны, которые требуется замедлить (выделив эти 3-4% в виде тепла в корпусе), часть вернуть в активную зону, часть поглотить радиационной защитой (что даст ещё +2% тепловых потерь). Эти потери в данном типе двигателя эффективно можно отводить только нагревом рабочего тела, что значит, при температуре конструкций 3000, как у твердофазников, итоговая удельная энергия в пределе (причём сейчас мы не учитываем перенос тепла излучением) составит в 16-20 раз выше, а УИ, соответственно, всего в 4 раза выше. В самом распреидеальном случае газофазник не даст скорости истечения выше 35 км/с, реально - и 25 не даст.

[ВадимZero]

Масса топлива (бомб) в 2106 раз больше массы пустого бомболета! Как бы комментарии излишни...

Это возможно только в случае, минимальных потерь на абляцию толкательной плиты(что невозможно) Реально при взрыве каждой тонны бомбы, будет уноситься десятки тон абляционной плиты. Потому основной вес корабля, будет определяться весом толкательной плиты. А скорость истечения будет ограничена скоростью с которой вещество плиты будет аблировать с поверхности под действием мягкого рентгена.

[bob]

Смотрите.
У вас есть корабль-автомат сухой массой  Мк =1000 кг (например) и ваша задача разогнать его до дельта-вэ

Это всё верно. Но в любом случае для заданной мощности энергоисточника стараются получить максимальный УИ, возможный при этой мощности. Никто не будет умышленно снижать УИ ниже того, который в принципе можно получить при имеющихся входящих данных, согласитесь.

[ВадимZero]

Но в любом случае для заданной мощности энергоисточника стараются получить максимальный УИ, возможный при этой мощности. Никто не будет умышленно снижать УИ ниже того, который в принципе можно получить при имеющихся входящих данных, согласитесь.

Когда дело касается энергетической эффективности, то важен не максимальный УИ, а оптимальный. Если у вас необходимая скорость КА в районе 30км/с, то оптимальная для него скорость истечения будет в районе этих же 30 км/с. А если у вас скорость истечения 300км/с то вы по сути 99% энергии тратите на нагрев вселенной. Потому занижение УИ ионников имеет практический смысл.

[Андрей Курилов]

А почему этот двигатель невозможен?

Возможен, но недолго.
Его же даже делали :

http://www.youtube.com/watch?v=35jLkIaA5WQ

А почему этот двигатель невозможен?

Возможен, но недолго.
Его же даже делали :
http://www.youtube.com/watch?v=35jLkIaA5WQ

И даже запускали: http://www.razlib.ru/transport_i_aviacija/aviacija_i_kosmonavtika_2006_07/p3.php Думаю, можно было бы сделать такую вещь. Только для своего времени она оказалась не очень-то нужна. В качестве бортового источника питания ЯЭУ имела больше перспектив, как показало время. 

Не надо путать ТфЯРД и ГфЯРД.
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,82348.1880.html

[Андрей Курилов]

Оглавление темы.

Нач. стр.	Под-тема
1	Тяжёлый т/я взрыволёт на LiH топливе
2	Социальные и экологические аспекты
7	Инерциальный ядерный синтез
8	Вывод оптимального УИ А. Семёновым
8	Бомболёт А. Семёнова
11	Магнитное сопло
14	Тепловой баланс, радиаторы
18	Предыдущие пункты в перемешку
24	"Скользящий" щит от рентгена
26	Приговор (термо)ядерным взрыволётам
32	Инерциальный синтез - кинетическое сталкивание + ICF
34	Проблема рассеянности актиноидов
42	Мой бред про многослойный рентгеновский парус
43	Очень много пессимизма
44	Немного оптимизма касательно взрыволёта
46	Звездолёт на ионнике
48	Звездолёт на ионнике - похороны. Радиатор не очень масштабируется.
49	Много пессимизма, см. картинки
58	Проблема добычи энергии за "снежной линией"
62	Идея Ганса с разгоном на естественных джетах
67	Идея L_Pt с разгоном в периастре: "термоглиссер"
79	Наглядная классификация конструкции всех возможных звездолётов
79	Мат. модель термоглиссера
80	Мой бред про фокусировку излучения в периастре
85	Похороны магнитного паруса
96	Похороны ГфЯРД
96	Зависимость УИ от Т рабочего тела
97	Искривления пространства всякие
99	Ещё одни похороны магнитного паруса
100	Новые переводы статей от А. Семёнова
100	Вивернджет
101	О КПД ракет
102	Вивернджет, потери энергии плазмой на излучение
103	Физика fireball в ТЯРД
105	Излучение: разреженная плазма против плотной
106	Вопрос реализуемости взрыволёта остаётся открытым
107	Разгон с внешним источником импульса/энергии
109	И опять световой парус
111	Почему не будет работать т/я-реактор с мишенью
111	Мини-магнитосфера как парус
113	Биосфера корабля поколений и его ресурсы
115	Излучение прозрачной горячей плазмы
116	Т/я-реакции очень подробно
117	Доля нейтронных потерь в т/я-взрыве
118	Резюмирование проблем бомболёта Семёнова
120	Гелий-3 как возможное решение проблемы теплового слива
122	Матмодель паруса
122	Проблемы заморозки экипажа
123	Уравнения удельной мощности звездолётов
126	Продвинутые радиаторы
128	Проблемы Вивернджета
128	Ещё о заморозке
129	Sleeper ship массой 1 кт
131	Проблема электроплазменных двигателей
132	Оценки необходимой радиационной защиты
142	Sleeper ship - бомболёт
145	Sleeper ship - бомболёт с магнитным парусом
146	Направленный ядерный взрыв
147	Эффект Оберта в двойных системах и у планет-гигантов
148	Торможение термоглиссером о фотосферу целевой звезды
149	Радиоизотопы как источник энергии
150	Социальная формула колоний - ещё раз
153	конец

[Инопланетянин]

Газофазный реактор.

Это что-то вроде токамака, только с урановой плазмой вместо водородной? Удерживать шнур раскалённый до 10000 или 1000000 тыс. градусов проще, чем до сотен миллионов? Любопытно. Но как сделать, чтобы магнитное поле удерживало уран, но позволяло вылетать к соплу рабочему телу?

[ВадимZero]

Но как сделать, чтобы магнитное поле удерживало уран, но позволяло вылетать к соплу рабочему телу?

Просто в силу разной температуры ионизации водорода и урана...

[bob]

Газофазный реактор.

Это что-то вроде токамака, только с урановой плазмой вместо водородной? Удерживать шнур раскалённый до 10000 или 1000000 тыс. градусов проще, чем до сотен миллионов? Любопытно. Но как сделать, чтобы магнитное поле удерживало уран, но позволяло вылетать к соплу рабочему телу?

Полностью оно его и не удержит. Все газофазные и жидкофазные двигатели с прокачкой рабочего тела через активную зону - это летучие чернобыли. Навряд ли будет хоть одна попытка их реализовать. Во всяком случае это развлечение не для ближайших окрестностей Земли.