Двигатель для межзвёздных перелётов

[sharp]

Ядерное топливо (с энерговыделением от распада) даёт ~80 ТДж/кг, 10% — ~8 ТДж/кг, что соответствует кинетической энергии при скорости ~4000 км/с.

Если возьмете реалистичную массу реактора, радиатора, и аккуратно все посчитаете - получите, что время для пролетного(!) зонда составит 800-900 лет. Слишком медленно такой дрынолет будет разгоняться.

[electric]

реалистичную массу

Это сообщение относилось к нижней границе теоретического предела, а не к реалистичной (в этом веке) конструкции.

[sharp]

Это сообщение относилось к нижней границе теоретического предела, а не к реалистичной (в этом веке) конструкции.

Ну так теоретический предел и не позволит слишком уменьшить массу на единицу мощности.

Вот возьмем многострадальный "Гиперион": масса 18 тонн, тепловая мощность 70 МВт. Предположим, что мы его переделали в устройство, выстреливающее продукты реакции в космос. И различного рода ухищрениями добились полного сгорания ядерного топлива. Масса и мощность при этом остались те же. Согласитесь, это уже существенно круче нынешнего технического уровня.

КПД у нас 10%, то есть 7 МВт улетает с топливом, а 63 МВт так или иначе нужно отводить. Для системы охлаждения возьмем так же весьма футуристический параметр - 10 кВт/кг.
Масса системы охлаждения, таким образом - 6,3 тонны.
Итого - 24 тонны вес пустого дрынолета.

Теперь считаем, с какой скоростью дрынолет будет расходовать рабочее тело. Полезная мощность 7 МВт, то есть при УИ = 4000 км/с, расход р/т составит 0,88 мг/с.
Пусть начальная масса топлива (оно же рабочее тело) равна массе пустого дрынолета: 24 тонны. Оно будет израсходовано за:
24000 кг / 0,88 мг/с = 2,78Е10 с = 880 лет!

И как раз за время такого разгона корабль пройдет дистанцию в 4 св.года.

[alex_semenov]

Интересно, почему народ упорно не хочет рассматривать АКТИВНЫЕ (а не реактивные) концепции звездолетов-зондов (да еще и всего лишь для пролета!!!) на потоке материи?
типа вот такого:



Есть же вполне себе вменяемая и в первом приближении проработанная концепция:

High-acceleration Micro-scale Laser Sails for Interstellar Propulsion
Быстро-ускоряемые лазерные микро-паруса для межзвездного зонда.

http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/597Kare.pdf

Так как система активная (источник энергии для разгона остается дома) проклятье удельной мощности для этой системы снимается.
Такая система так же должна хорошо масштабироваться вниз. То есть можно говорить не о сотнях тысяч тонн (как в случае межзвездного Ориона, сложись для него все звезды на небе) а о сотнях тоннах, может даже десятках тонн.  Это значит что и мощность запускающей инфраструктуры не должна быть какой-то запредельной (измеряющейся в кардашевских порядках).
Да, придется строить мощную инженерную структуру-двигатель по крайней мере на Луне (а скорей всего несколько дальше, скажем на Церере).
Ну так Макс в помощь! Он же нам мультипланетную цивилизацию обещает в скором времени?!



Мы (в смысле русские) тоже в этом деле вроде как слегка отметились. Концепцию Миронова я уже в который раз сюда толкаю для развития.

http://lnfm1.sai.msu.ru/SETI/koi/bulletin/20/articles/3.html



Это все та же активная система на потоке материи. Целый упорно забываемый класс межзвездных приводов (лазерный парус - лишь вырожденная версия этого класса).
Если бы ко мне пришли завтра дяди в пиНджаках (как когда-то в конце 70-х пришли к Форварду) и сказали: нужна кровь с носа ЗДРАВАЯ концепция зонда к одной из ближайших звезд (стране и родине!) я бы наверное поставил именно на такую концепцию.
Сама концепция полна пока тумана.
Но, скажем обоснование почему именно это направление - оптимальное, я страниц на 10-20 с формулами и графиками точно бы настрочил!

[electric]

Такая система так же должна хорошо масштабироваться вниз.

"Хорошо" — не получается. Так как, уменьшая размер приёмника энергии на корабле, увеличивается размер источника дома, чтобы сфокусировать более узкий поток энергии.

Интересно, почему народ упроно не хочет рассматривать АКТИВНЫЕ (а не реактивные) концепции звездолетов-зондов (да еще и всего лишь для пролета!!!) на потоке материи?

Так как размеры там измеряются километрами с нулями, а плотность корабля, усреднённая по описанной вокруг него сфере, оказывается меньше плотности технического вакуума.

[alex_semenov]

А тем временем в замке у шефа проклятые империалисты рожают проекты зондов к ближайшим звезам (теперь к Тау Кита, воспетой Вовочкой нашим Высоцким) один краше другого:



http://www.taucetimission.com/2015/11/would-you-like-to-know-more-venti-probe.html
Весенне обострение старой болезни? 

[sharp]

Есть же вполне себе вменяемая и в первом приближении проработанная концепция:

High-acceleration Micro-scale Laser Sails for Interstellar Propulsion
Быстро-ускоряемые лазерные микро-паруса для межзвездного зонда.

К парусам отношусь скептически. Потому лично я и не рассматриваю. Excel с вашими расчетами паруса у меня где-то лежит даже Поигравшись с ним немного и вникнув в цифры, я и убедился окончательно в его сомнительной перспективности...

А вот концепция ионника, запитываемого по лучу, насколько я знаю, здесь никогда толком не рассматривалась, хоть и упоминалась. С чисто инженерной точки зрения она выглядит более перспективной и реализуемой.

[alex_semenov]

Такая система так же должна хорошо масштабироваться вниз.

"Хорошо" — не получается. Так как, уменьшая размер приёмника энергии на корабле, увеличивается размер источника дома, чтобы сфокусировать более узкий поток энергии.

Это да если речь идет либо о потоке фотонов (лазерном парусе) либо о потоке частиц (концепция Миронова). Миронов с этим предлагал бороться оригинально – сбрасывать кольца-колиматоры по пути, выстраивая таким образом своего рода направляющую поток частиц на себя трубу.
Но  американская работа по сссылке что я дал предлагает отправлять вслед разгоняемому кораблю поток маленьких быстро ускоренных парусов (в духе тех что собирается запускать Мильнер с Хоккингом)
То есть в догонку отправляются разогнанные (не важно пока как) снаряды – носители массы.
На подлете к кораблю (токовой петле) они испаряются и только тут и превращаются в поток частиц.



Таким образом проблема размера приемника-передатчика (задаваемая для лазерного паруса формулой дифракционного предела, а для потока частиц – скважность, кажется) снимается. Хотя возникает проблема управления потоком таких вот снарядов-носителей импульса (каждый должен активно наводится на цель – разгоняемый корабль). Но кто обещал что межзвёздный двигатель – это просто?

Так как размеры там измеряются километрами с нулями, а плотность корабля, усреднённая по описанной вокруг него сфере, оказывается меньше плотности технического вакуума.

Ну это ТИПИЧНОЕ условие для всякого звездолета. И в данном случае оно выполнятся. Вместо диска-паруса токовая петля к которой подвешена полезная нагрузка. Консистенция мыльного пузыря. Все верно! Иначе и быть не может в случае быстрого (а речь видимо идет о зонде на 10-40 св. лет, то есть скорость полета 0.05-0.1 с минимум. А значит мегаватты на кг разгоняемого корабля вынь да положь!)

К парусам отношусь скептически. Потому лично я и не рассматриваю. Excel с вашими расчетами паруса у меня где-то лежит даже Поигравшись с ним немного и вникнув в цифры, я и убедился окончательно в его сомнительной перспективности...

Это немножко не те паруса. Посмотрите работу. Это такие маленькие легкие почти прозрачные "кружочки" которые мощный лазер буквально за считанные секунды разгоняет до субсветовой скорости и они летят в догонку основному кораблю.
Но вообще говоря, вопрос КАК разгонять снаряды  в данном случае не принципиальный. Можно же и поток частиц использовать если что. Главное. Снаряды ускоряются с чудовищным ускорением на крототкой дистанции. Потом долго летят к кораблю. А там испаряются в поток частиц, который отдает импульс магнитной петле. При этом петля может быть очень даже небольшой по размеру. Дистанция разгона основного зонда (в отличии от дистанци разгона снарядов) тоже в общем-то достаточно эластичная. Таким образом и ускорение (а значит и мощность запускающей снаряды установки) может быть вменяемой.
Минус концепции - импульсный принцип работы.
Из возни с Орионом мы знаем что это - отдельная головная боль. Но терпимая головная боль (пока что).

А вот концепция ионника, запитываемого по лучу, насколько я знаю, здесь никогда толком не рассматривалась, хоть и упоминалась. С чисто инженерной точки зрения она выглядит более перспективной и реализуемой.

А вот как раз для данного ионника проблема дифракционного предела ОСТАЕТСЯ как и у лазерного парусника. Так что концепция выше – намного лучше такого ионника. Единственное в чем упомянутый вами ионник может (теоретически) выиграть у чистого парусника (ценой большей сложности конструкции) это на малых скоростях перелета. Так как парусник при разгоне, скажем до  0.01с  будет иметь кпд двиЖетеля < 1%, а ваш ионник мог бы, например дать 10%. Но у него столько проблем, что вряд ли овчинка будет стоить выделки.
Звездолет на потоке материи будет все равно куда лучше смотреться на фоне всего этого.

[sharp]

Это немножко не те паруса. Посмотрите работу. Это такие маленькие легкие почти прозрачные "кружочки" которые мощный лазер буквально за считанные секунды разгоняет до субсветовой скорости и они летят в догонку основному кораблю.

Вот только материал, из которого они должны быть изготовлены - это бананотехнологии на грани фантастики. При той плотности энергии, которая требуется, практически любой материал испарится вместо того, чтобы разгоняться с ускорением в десятки тысяч g.

Кроме того, у таких "пуль", посылаемых вдогонку, есть проблема точности.

Но у него столько проблем, что вряд ли овчинка будет стоить выделки.

Каких именно, кроме дифракционного предела?

[electric]

запитываемого по лучу

Чтобы сфокусировать луч (длиной волны λ) на приёмник диаметром D_Пр на расстоянии l излучателем диаметром D_Изл, должно выполнятся условие \[D_{Изл}\cdot D_{Пр}> l\cdot \lambda\]Уже для 1 св.г. даже при использовании УФИ (0,1 нм, что сомнительно) потребуются сплошные приёмник и передатчик диаметром более 1 км, при чём излучатель должен будет иметь высокую точно изготовления поверхности.

[bob]

Кроме того, у таких "пуль", посылаемых вдогонку, есть проблема точности.

Эквивалентно посылки флотилии, все корабли которой, кроме одного, являются топливными баками. Так не проще ли объединить их в одну ракетку сразу? Гы. Тогда и станет ясен коллапс идеи в целом.

[sharp]

Чтобы сфокусировать луч (длиной волны λ) на приёмник диаметром DПр на расстоянии l излучателем диаметром DИзл, должно выполнятся условие
DИзл⋅DПр>l⋅λ
Уже для 1 св.г. даже при использовании УФИ (0,1 нм, что сомнительно) потребуются сплошные приёмник и передатчик диаметром более 1 км, при чём излучатель должен будет иметь высокую точно изготовления поверхности.

Увеличивайте передатчик - это позволит вам уменьшить приемник. Передатчик же никуда не летит, значит можно его делать сколь угодно больших размеров.

А в целом проблема фокусировки абсолютно та же, что у обычного паруса. Только если тяга паруса определяется формулой 2*W/c (если парус - абсолютно зеркальный),  то тяга ионника будет равна 2*W/v, где v - скорость истечения. Следовательно более быстрый разгон, и для скоростей до 0,05с - однозначно более высокий КПД.

[alex_semenov]

Вот только материал, из которого они должны быть изготовлены - это бананотехнологии на грани фантастики. При той плотности энергии, которая требуется, практически любой материал испарится вместо того, чтобы разгоняться с ускорением в десятки тысяч g.

Во-первых. Почитайте (полистайте хотя бы) статью. Там именно материалу посвящено половина работы (примерно).
Неужели вы думаете что они сами этого не понимают?
И кстати опираясь на эту работу я анализировал концепцию Мильнера-Хокинга. Да, задача сложная. Но не факт что неразрешимая.
Далее.
Во-вторых. И это - главное. А кто сказал что вы должны СЛЕПО драть эту "аглицкую блоху"?
Я предлагая ОБЩИЙ ПРИНЦИП.
У лазерного разгона носителей импульса есть один недостаток всяких парусов. Низкий кпд движетеля на малых скоростях (а скорость снарядов все еще мала). Поэтому желательно поискать другой способ быстрого (в десятки тысяч g) разгона снарядов.

Кроме того, у таких "пуль", посылаемых вдогонку, есть проблема точности.

Разумеется, если они сами не будут лететь на цель как мотыльки на свет - они в двигатель не попадут.
Разумеется они должны активно наводиться.
И это хоть и проблема, но вполне решаемая. Просто некоторая часть (скажем 1%) собственной кинетической энергии снаряда будет потрачена на корректировку курса.  Какая то часть снарядов (скаже 1-5%) будет вообще потеряна. Но это -разумные издержки.

Но у него столько проблем, что вряд ли овчинка будет стоить выделки.

Каких именно, кроме дифракционного предела?

Ну например такой зонд будет системой из:

1 приемника энергии (ректены или фотопреобразователя)
2 конвертора тока и электросети.
3 ионного двигателя.

И вся эта система обязана быть в сумме чудовищно легкой. Каждый компонент должен обладать невероятной удельной мощность. Но скажем, конверторы тока (трансформаторы тока в напряжение) сейчас имеют удельную мощность порядка 1 квт/кг. А это на три порядка меньше чем нам надо. Я не говорю что нельзя сделать конвертор на 1 мвт/кг. Но это огромный инженерный вызов.
Дадее.
Приемник энергии. AlexAV мне как-то давал тут график который ставит крест на ректенне.
Фотоэлеметны (учитывая что лазерный луч монохромен) конечно могут иметь хороший кпд, но все равно не 100%. Значит будут тепловые потери. А значит проблема с избавлением от паразитного тепла как ни крути. Для паруса избавится от 4% поглащенной мощности при отражении - проблема. А тут в паразитку превратиться в разы больше. Опять же. Я не говорю что это не разрешимо. Но это все наслаивающиеся проблемы.
В какой-то момент понимаешь что овчинка не стоит выделки.
Если просто парус подкупает своей простотой, то тут теже проблемы, только с дополнительными сложностями.
Да, у меня была красивая идея разместить двигатели по самой поверхности ректены и даже саму ректену превратить в своего рода распределенный двигатель. Было бы изящно. Но я эту идею забросил.
Есть желание доказать что зря?
Дерзайте! Буду рад если докажите мне что я - осел!

[sharp]

Эквивалентно посылки флотилии, все корабли которой, кроме одного, являются топливными баками. Так не проще ли объединить их в одну ракетку сразу? Гы. Тогда и станет ясен коллапс идеи в целом.

Да нет, разумное зерно в идее есть. "Пуля" ведь несет запас энергии, который ей передан не на корабле, а на стороне передатчика. То есть, корабль получает энергию извне и преобразует ее в кинетическую.

Но концепция с лазерным разгоном "пуль" дает, похоже, больше проблем, чем профита. Надо думать о других способах активного разгона. Например - сделать разгон "пуль" электромагнитным, и в качестве "пуль" использовать альфа-частицы.

[alex_semenov]

Эквивалентно посылки флотилии, все корабли которой, кроме одного, являются топливными баками.

"Пули" не носители топлива m. "Пули" - носители ИМПУЛЬСА mv и энергии mv²/2. Послать все "пули" скопом - дать мощный пинок под зад.  "Зад" не выдержит такого ускорения.  Да и тот кто посылает такую суперпулю просто надорветвся выдать такую мощность сразу одним импульсом. Улавливаете?

Я смотрю эта простая концепция (активного привода на потоке материи) не так то просто доходит до участников форума! \

Самая узкая проблемы (на мой взгляд) - взаимодействие испаренного (ионизированного) снаряда с токовой петлей. Чтобы концепция состоялась, необходима хорошая эффективность передачи импульса снаряда токовой петле. Не менее 50%. Но если плазма будет в основном обтекать токовую петлю (как солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли) соскальзывая с магнитных силовых линий и передавая 1-5% своего импульса полю (от силы) - концепция гнилая.



Следующая проблема - заменить лазерный разгон на ионный (импульсом заряженных частиц). И вмесо махоньких кружочков алманой пленки использовать тонкие токовые сверхпроводязие петли с током (такие пули  и направлять на корабль будет проще и испарять их можно попробовать просто нарушая свехпроводимость. Бах! и колцо превратилось в облако плазмы).

[sharp]

Во-первых. Почитайте (полистайте хотя бы) статью. Там именно материалу посвящено половина работы (примерно).
Неужели вы думаете что они сами этого не понимают?

Полистал уже, и так понял что они остановились на алмазной пленке. Но пока это все умозрительно, на коленке. Если будет работа, которая убедительно, с экспериментами покажет, что эта пленка способна выдержать такую энергию - тогда поверю.

Поэтому желательно поискать другой способ быстрого (в десятки тысяч g) разгона снарядов.

Ну альтернативы ЭМ-ускорителю скорее всего нет.

И это хоть и проблема, но вполне решаемая. Просто некоторая часть (скажем 1%) собственной кинетической энергии снаряда будет потрачена на корректировку курса.  Какая то часть снарядов (скаже 1-5%) будет вообще потеряна. Но это -разумные издержки.

Механизм корректировки не мешало бы увидеть.
Вы разве не видите, что по сути требуется скрестить ежа с ужом? Малую массу со способностью самостоятельного маневрирования. Скорее всего, активный привод утяжелит пулю настолько, что о разгоне выше 0,01с можно будет забыть.

Я не говорю что нельзя сделать конвертор на 1 мвт/кг. Но это огромный инженерный вызов.

Думаю, это примерно такого же порядка вызов, что и материал для микропаруса.

Да, у меня была красивая идея разместить двигатели по самой поверхности ректены и даже саму ректену превратить в своего рода распределенный двигатель. Было бы изящно. Но я эту идею забросил.
Есть желание доказать что зря?

Попытаюсь на досуге.

[alex_semenov]

Механизм корректировки не мешало бы увидеть. Вы разве не видите, что по сути требуется скрестить ежа с ужом? Малую массу со способностью самостоятельного маневрирования. Скорее всего, активный привод утяжелит пулю настолько, что о разгоне выше 0,01с можно будет забыть.

В pdf-ке что я вам дал ИХ механизм - показан. И даже предложена механика наведения (взятая из времен второй мировой войны для ночных бомберов британцев, кстати ). Но если использоват токовую петлю, то корректировать курс можно было бы попробовать за счет набегающего потока межпланетной межзвездной плазмы. Ведь каждая такая петля-снаряд это же готовый магнитный парашют без полезной нагрузки (сопротивление парашюта разумеется определяется током в кольце не столько габаритами поэтому все это настраиваемое). Меняя ее положение в пространстве можно за счет неравномерности обтекания плазмой слегка менять направление полета.

Ну альтернативы ЭМ-ускорителю скорее всего нет.

Просто магнитный ускоритель (типа пушки Гаусса ) тут не катит так как все равно получается слишком длинный трек разгона для снаряда,  миллионы километров. Ну сами посчитайте. Скаже 10 000 g  до скорости 0.05 с  (например, всего). Получается более миллиона километров.
На такой дистанции даже сохранить пучек частиц более-менее компактным пятном - тяжело. Хотя опять таки, надо в это дело залазить и изучать, считать  засучив рукова.

Но народ же хочет послать ЛЕГКИЙ ЗОНД на 40 св. лет?
Что там у нас астраномы недавно нашли?

Все облизываются.
А работать - никто не хочет! Бездельники!!!     
Опять ждете что америкосы вам все на блюдечке принесут? 

[alex_semenov]

Что еще надо добавить.
Ну то что сам звездолет - это очень простая конструкция (проще даже лазерного паруса)  - все понимают. Все сложности (вся энергоустановк) остаются дома. Поэтому можно получить необходимые мегаватты на кг корабля относительно легко.
Но.
Гланвый бонус. Корабль - это магнитный парус. Или уже готовый магнитный парашют. То есть проблема торможения у цели как бы решается сама собой (хотя остается проблема дотормаживания но это можно попробовать решить дотормаживающей ДУ скажем на том же принципе "Ориона"). Если помните, для лазерного парусника тормозной парашют надо иметь отдельно. А тут одна и та же петля может выполнять как роль разгонного привода, так и тормозящего. Разница в том что в режиме разгона петля работает в импульсе (как британсая орион-подобная "Медуза"), а в режиме торможения - непрерывно. Это - сложность. Но есть надежда что сложность не принципиальная.

[sharp]

Если помните, для лазерного парусника тормозной парашют надо иметь отдельно. А тут одна и та же петля может выполнять как роль разгонного привода, так и тормозящего. Разница в том что в режиме разгона петля работает в импульсе, а в режиме торможения - непрерывно. Это - сложность. Но есть надежда что сложность не принципиальная.

Другая сложность в том, что у целевой звезды нет добрых инопланетян, которые шмаляли бы такими же пулями А значит интегральный тормозящий импульс будет значительно меньшим, чем импульс разгона.

[alex_semenov]

Другая сложность в том, что у целевой звезды нет добрых инопланетян, которые шмаляли бы такими же пулями  А значит интегральный тормозящий импульс будет значительно меньшим, чем импульс разгона.

Проблема торможения у цели для любого АКТИВНОГО космопривода существует еще со времен Жюль Верна.



Но в данном случае она наиболее мягко решается использованием того же принципа притормаживания что и для разгона.
Вообще же у магнитного парашюта одна проблема - как сильно он может затормозить?
Идеально было бы если бы он мог дотормаживать до 300 км/с. Тогда солнечный ветер и обратный маневр Оберта у звезды вполне решил бы проблему выхода на орбиту. Но для этого надо иметь в петле чудестный сверхпроводник. Такой, которого пока нет.
По поводу совместимости импульсов при разгое с постоянной тягой при томожении.
При торможении в самом начале процесса у хорошего парашюта так же возникает очень сильная тяга (может быть до десятков g) что просто могут не выдержать стропы. Я считал.  Так что в любом случае тут понадобится "крепкий"  магнитный купол. Чтобы при разгоне держал импульсные нагрузки (тут без амортизатора видимо не обойтись) а при торможении - пиковую нагрузку в начале (потом она падает в 4-й степени, кажется по мере торможения при условии что ток в петле остается постоянным).