Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

А в чём проблема? Если закатать в достаточно толстый слой льда, то радиация до зонда не доберётся. Можно и нежную электронику запускать.

Слой льда должен быть 5-10 тоны/м2
Это решение "в лоб".

Инерциальным полётом, конечно. Со скоростью, как максимум, полсотни км/с относительно Земли. (Естественно, ионный двигатель не проработает и сотой доли такого полёта.)

А мы что Обтерта использовать не можем? Я думаю, мы прямо сейчас могли бы на самом хлипком Оберете 100 км/с получить, если было бы желание!

Да и на ионниках… уже существующих. Вот проект TAU.
Там предполагалось добраться до 1000 а.е. за  50 лет (2 года разгон на ионном двигателе). Поделите дистанцию на время. Получите среднюю скорость 95 км/с
Считай, уже сотня!
Это можно получить "хоть прямо сейчас!".

Да, еще. Солнечный парус стартующий от Солнца. Вполне можно получить 200-400 км/с. Это очень здравая оценка (без ложного оптимизма). Хотя этой технологией мы не владеем пока, разумеется.

[alex_semenov]

Не спешите плясать и радоваться.

Что касается меня, то на виверн-джете я поставил крест задолго до того, как Виверн его описал... Так что мне спешить некуда.

Ну про плясать - это я не вам. Нас же читает "наша молодежь"! (с)    А она у нас порой бывает излишне оптимистичной.
Кстати, а почему Виверн-джету (назовем класс термоядерных двигателей с магнитным удержанием термоядерной плазмы условно так) такой жестокий вердикт?
В чем его родовой порок (по вашему)?

А вот за развитием сверхпроводников я слежу с самого начала. Без этой технологии - ну, никак.

Вот в том то и дело. Получается как у той хозяйки - все яйца в одной корзине. А вот ионные тихоходы - вне этой корзины.

[alex_semenov]

Слишком большая масса на единицу тяги. На требуемое время (<500 лет) ни при каком оптимизме не вытягивает.

Тогда вам надо показать где конкретно в концепции Виверна он заложил слишком оптимистические массовые параметры (у него там все распальцовки всех узлов сделаны, хотя, если я не ошибаюсь, где-то он пропустил массу радиаторов для какой-то подсистемы, но это не принципиально, это еще 10 тонн, например). Значит на 60 тонн для 3 ГВт тепловой мощности он ну никак не сможет выйти.
Ибо если он все же выйдет то для 100 тонного корабля мы получаем 15 квт/кг и 374 года полета (а если  эффективность предположить 0.75, как примерно у Виверна и планировалось то получим вообще эм… 327 лет). 
В любом случае ваше ограничение <500 лет мы (с Виверном) вкладываемся!

Что бы не вложиться в ваш критерий, Виверн должен был ошибиться где-то НА ПОРЯДОК а может и другой. Где?
Статья его - вот.

[alex_semenov]

А разве сейчас нет более совершенных электрических ракетных двигателей типа холловского?

Господа, как вы задрали со своими "более совершенными" двигателями! Я уже устал объяснять вам "де морЭ!"
Что значит более совершенный ионный двигатель для МЕЖПЛАНЕТНОГО перелета?
Это двигатель который отбрасывает массу со скоростью ~50 км/с и при этом МАКСИМИЗИРУЕТ секундный расход топлива.
Это проблема всех ионников. Хорошая (чересчур) скорость истечения и слишком мизерная тяга. Тягу надо повышать, скорость истечения желательно иметь постоянной порядка 50-70 км/с (не более!).

У обычного ионника ток (а значит секундная масса) между электродами ограничивается так называемым  законом Блоха



То есть ток ограничивается  степенью 3/2 от разности потенциалов на решетке U.

А разность потенциалов ТВЕРДО ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ скоростью истечения (и массой иона, то есть типом топлива).



При скорости истечения всего в 50-70 км/с (больше для межпланетного корабля просто ВРЕДНО!) мы получаем очень мизерный максимальный ток (через площадь электродов, то есть на массу двигателя). Поэтому обычный ионник считается НЕСОВЕРШЕННЫМ и надо выдумывать что-то поинтересней.  Тот же холлвоский ионник, например позволяет протолкнуть через ту же площадь сопла куда большую массу плазмы (ибо там действительно уже плазма, смесь ионов и электронов и объемный запирающий заряда для него не возникает, хотя начинаются другие чудеса). Поэтому все  так хвалится холловские ионники  как совершенство для космоса (межпланетного космоса!).
Но в нашем случае скорости истечения будут в 100 раз больше. Порядка 5000-7000 км/с и даже более. Разность потенциалов в квадрат больше. То есть в 10 000 раз больше. Степень 3/2 от 10 000 это  1 000 000. То есть наш межпланетный ионник может пропускать в секунду в миллион раз  больший ток или в миллион миллиграммов рабочей массы за секунду больше чем тот который отбрасывает рабочую массу со скоростью 50 км/с.
То есть для межзвездного ионника проблема объемного заряда фактически снимается!
Напротив, для традиционных топлив (типа ксенона) там нужно настолько огромная разность потенциалов, что лучше использовать что-нибудь полегче (вплоть до водорода!)
Какой смысл переходить к каким то  "более совершенным двигателям"?
Классический ионник практически идеален для нашей задачи.

[alex_semenov]

Не надо. Вы должны были заметить, что я не занимаюсь критикой проектов, я их только фиксирую. Если уж я сказал "не пойдет", то это редкий случай, считайте просто инсайдовской информацией, источники разглашению не подлежат . Но могу посоветовать присмотреться к энергетическому (в т.ч. тепловому) балансу.

У какой вы противный, Иван!

Да, я помню как вы цапались с Факиром на новостях космонавтики именно по этому поводу. Жуткое зрелище! Поэтому не стану задираться (ибо не имею и одного процента уверенности, от той что была у Факира).

Про энергетический баланс.
Да, я сам указывал Виверну, что у него его оценки не сходятся чисто по законам сохранения энергии. И я делал свой баланс. Показыал, что скорость истечения (средняя) у него получится куда меньше (именно из энергетического баланса). Но все равно получалось у меня не плохо (и тут же я считают так же). Как по мне, самое узкое место у него - преобразователи тока. Уж больно лихо он снимает ток, электроэнергию (и не малую!) с одного из концов пробкотрона и опять же (с минимумом потерь) вкачивает в плазму через инжекторы топлива.

Кстати, Факир, как я понимаю - один из отцов Виверн-джета. Я как-то откопал на авиабазе ветку, где виверн-джет у Виверна рождался (задолго до вашего спора с Факиром на новостях космонавтики) и Факир был по-сути на этой ветке "научным руководителем" (главным критиком и советчиком) Виверна (жаль что я не знаю настоящих имен ни Виверна ни Факира).

[alex_semenov]

Вот если бы к нам приблизилась звезда на 1 св. год… тогда на мощности 1500 ват/кг мы добрались бы менее чем за 300 лет, а на 200 ват/кг за 577 лет

А мощность повысить никак?

Вы прочли вот это?
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,82348.msg3071187.html#msg3071187

Выше 1500 (ну 2000) для классической концепции ионного двигателя вряд ли будет иметь смысл. 
Дальше заметное уменьшение времени перелета можно получить только, если увеличить удельную мощность НА ПОРЯДОК. Скажем до 15 000 - 20 000. Как у обсуждаемого здесь гипотетического виверн-джета.
Но для скачка на порядок у классической связки ионник+реактор просто нет никаких резервов (мы и так предполагаем что, сможем на порядок выкрутить удельную мощность с 100 ват/кг сейчас до 1000 ват/кг в будущем.  А два порядка роста - это уже за гранью добра и зла).
Лучшее что мы видели для классической связки (мы тут это обсуждали ранее) - изотопный "шарик"-генератор на полонии дававший 4 166 вт/кг для всего корабля.
И это, видимо, придел ухищрений (который нам не подходит). Своего рода верхняя граница. Поэтому и на графике я более 4000 вт/кг не показывал.

В чем термический ПРЕДЕЛ классической связки реактор+ионник? В том, что ВСЮ паразитку ему надо сливать в космос через радиаторы, что сильно обременяет. То есть 75-50% всей выделившейся энергии приходится сливать с радиаторов.
Откуда можно надеятся на скачек полезной мощности для того же Виверна? Потому что он - "дырявый". Заметная часть паразитной энергии (в очено "горячем" виде!) улетает в космос НАПРЯМУЮ (скажем, через нейтроны или гамма-излучение), минуя конструкцию корабля, что позволяет надеятся на 10-и кратное облегчение всей системы сразу (вопрос можно ли надеятся на 100 кратное?).

[alex_semenov]

т.е. остальные электро-ракеты типа МПД намного хуже?

Причем тут хуже? Зачем МПД? Какой смысл в нем, если старый друг, лучше не хуже новых двух?

[alex_semenov]

что холловский и МПД-двигатель имеют большую тягу. Вот я и спросил почему они не лучше ионника?

Если просто читать где-то там, то будете просто бегать по кругу непонимания бесконечно. Надо с какой-то стадии начинать СЧИТАТЬ.
Иначе ничего никогда не поймете!
Вот что такое ТЯГА ракетного двигателя? В моем ответе выше это предполагается само собой. Тяга это изменение импульса или (в данном случае) секундный расход рабочей масса  умноженная на скорость истечения.
Верно?



То есть повысить тягу ракетного двигателя можно ДВУМЯ способами.
Либо  увеличивая секунрдый расход массы (килограмм за секунду), либо скорость истечения.
Но увеличить скорость истечения - КВАДРАТИЧНО увелиит расход энергии на килограмм отбрасываемой массы ибо эм-вэ-квадрат, как известо (писать даже не буду). А значит, если вы не хотите заметного роста энергетических расходов пс повышением тяги, вам нужно повышать именно секундный расход.
То есть повышая секундный расход массы, вы повышаете энергозатраты линейно, а повышая скорость истечения - квадратично.
О борьбе за секундный расход и был мой пост.
Но надо же при этом понимать, что эффективность ракеты как движителя максимальна при скорости истечения примерно того же порядка что и dV - суммарное приращение скорости!
Если вы летаете между планетами вам достаточно dV ~50-70 км/с. И значит вам достаточно (оптимально) такой же скорости истечения из двигателя. Для всяких там ЖРД это недостижимо. Но для ионника - это очень просто. Более чем просто. Пара киловат напряжения на сетку - и пожалуйства! Главная битва за совершенство ионника - повышение секундного расхода при ЗАДАННОЙ низкой (относительно, разумеется) скорости истечения (протекания тока между электродами).
Но в нашем случае  dV в сотни раз выше и оптимальная скорость истечения - тоже. И это практически снимает проблему малого расхода массы уже само по себе. Ибо увеличив скорость в 100 раз (см. формулу выше) мы в 100 раз увеличим тягу при том же расходе топлива. Но кроме этого, у нас ведь в 1000 000 раз уверичивается и пропускная способность двигателя (закон Блоха!). То есть мы можем увеличить (при всех прочих) в 100 000 000 тягу.
Это более чем избыточная возможность! Ибо тут мы оказывается сильно ограничены не параметрами двигателя а как раз источником энергии его удельной мощностью!

Неверно, МПД двигатель избавлен от этих проблем

Зачем избавлять от того, чего нет?
У обычного ионника нет "этих проблем" при наших скоростях истечения.
Там единственное что может быть - деградация сетки. Но и это уже обсуждалось. При больших скоростях ионов она падает и даже уже достигнутые характеристики классических ионников вполне себе нас удовлетворяют и в этом смысле.

Еще один бонус, обычно опускаемый - резкое повышение кпд ионника при повышении скорости истечения. При скоростях 50-70 км/с КПД двигателя составляет 75-80%. Львиная доля этих затрат - расходы на ИОНИЗАЦИЮ рабочего тела. Даже используя легко ионизируемые вещества, ионизация одного килограмма составляет заметную часть от энергии, необходимой для разгона этого килограмма до 50-70 км/с.
Но если вы разгоняете ЭТОТ ЖЕ КИЛОГРАММ до в 100 раз большей скорости, то полезная энергия на килограмм возрастает квадратично в 10 000 раз, а паразитная, на ионизацию остается той же и просто теряется на фоне этих энергозатрат. КПД ионника устремляется к 1.
При этом можно уже в качестве рабочего тела использовать куда более широкий спектр веществ даже с очень большой энергией ионизации.

[alex_semenov]

Васимр лучше любого ионника по тяге ж, а МПД лучше любого холловского движка по УИ. При прочих равных - в обоих случаях. Плюс - избавление от эрозии, особливо в первом случае.

Это все слова из какой-то стати?

Где объяснения (доказательтсва) почему лучше?
Все что вы видите в красочных журналах-мурзилках - это МЕЖПЛАНЕТНЫЕ двигатели. Уловите!
И умненькие дядечки из рокет-лабс вам рассказываю сказочки (лучше-хуже) исходя из МЕЖПЛАНЕТНЫХ задач.
Вы же эти "лучше" -"круче" линейно (и тупо) переносите на совсем иную задачу.
Для нашего случая все это надо пересматривать с нуля.
От элементарной теории.
А где она у вас тут?

Но и это уже обсуждалось.

Где?

Примерно здесь: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,85164.140.html
Вы еще там пытались понять теорию на которой все тут сторится, но видимо с тех пор так и не уловили суть. Верно?

[alex_semenov]

Времени не хватает, постараюсь ответить более развернуто чуть позже

Я вам помогу.
Вернее я начну копать с другой стороны. То есть попробую объяснить, что же мне на самом деле не нравится во всякого рода электроракетных двигателях, использующих ПЛАЗМУ, то есть смесь ионов и электронов как рабочее тело.
Возможно, я и не прав.
Тем интереснее это обсудить. Найти в моей логике натяжки и ошибки.

Давайте начнем с идеального газа (с очень грубой идеализации).
Температура, энергия и средняя скорость молекулы идеального газа связаны следующим образом:



Давайте теперь вычислим для какого-нибудь газа (скажем паров алюминия) эквивалентную температуру при средней скорости v,  равной необходимой нам скорости истечения в 5000-7000 км/с.

Молярная масса алюминия 26,981 г/моль
Число Авогадро 6,02E+23 штку/моль
Отсюда масса иона алюминия 4,48E-26 кг (не забываем поделить на 1000!)
Средняя скорость иона 5 000 000 м/с
Считаем температуру.
Что у вас?
У меня 2,70E+10 К
27 миллионов градусов (не важно Кельвинов или Целсиев)

Это - термоядерная плазма уже.

Может у водорода температура будет заметно меньше (он легче)? Я беру алюминий потому что в ионнике так удобней (вообще то надо брать что-то от половины 238, так как заметная часть ракетной массы составят  осколки деления урана).

Молярная масса водорода порядка 1 г/моль. Пересчитываем. Я получаю миллион градусов.

И так. Какой бы двигатель мы не использовали для звездолета, в нем эквивалентная температура плазмы должна быть порядка 1-10 миллионов градусов. Что это значит? Это значит что такая плазма будет НЕИЗБЕЖНО терять энергию на всякого рода паразитные эффекты. Синхротронное излучение, тормозной рентген и т.д и т.п.  Поэтому в лучшем случае вы сможете превратить в кинетическую энергию ну 70 ну 80% электрической энергии вложенной в РАЗОГРЕВ плазмы (ее разгон).  Остальное превратится в паразитку от которой придется избавляться (что есть ужасная головная боль).

В классическом ионном двигателе нет плазмы. Там есть ионизированный газ, который очень упорядоченно разгоняется в зазоре между электродами а потом уже ему в догонку сливают его электроны (плазма появляется в выхлопе). Ионный двигатель это своего рода ионы лазер, где можно избежать теплового  ХАОСА, который неизбежно возникает в любой смеси ионов и электронов (плазме).
В холловском двигателе все сложней. Там есть движение ионов в одну сторону, электронов в другую (перепендикулярно). Там нельзя говорить о чисто хаотической плазме. И тем не менее, при таких вот энергиях наверняка там появится масса ДИССИПАТИВНЫХ процессов, которые будут тратить бесценную электроэнергию на паразитку.
В общем, я не вижу нужды лечить и без того здорового. Да, для скоростей до 100 км/с возможно ваш "Вася" или холовский двигатель и лучше. Но в нашем случае, я думаю, ничего лучше классического ионника  нет.

[alex_semenov]

еобходимой кому, простите? Вам? Я считаю достаточной скорость истечения 200 км/с и "крейсерскую" скорость полёта в 1 с.г. за 1000 лет. Я ж адепт "кораблей поколений"

Вы меня удивляете!
У нас же есть уже "икона"!



Что по оси абсцисс? Скорость истечения! u в м/с! Видите? Минимум ВРЕМЕНИ перелета (при 100 - 1000 - 10 000 вт/кг) каким скоростям истечения соответствует? Я полагал что хотя бы вам это - очевидно!
При  хроническом дефиците удельной мощности просто БЕЗУМИЕ не оптимизировать параметры системы (то есть не выбрать оптимальную скорость истечения рабочей массы из сопла ракетного двигателя). Смотрите график. Иная (не оптимальная) скорость истечения и означает что лететь мы собираемся ДОЛЬШЕ чем могли бы. Зачем? Из любви к прекрасному?

Спасибо, Александр, теперь понятно в чём суть нашего несогласия. Вы хотите на ионнике за сотни лет, а я считаю эту идею заведомо дохлой и рассчитываю на тысячи лет полёта.

Я пытаюсь из этой концепции выжать максимум. 800 лет полета (это в случае 1500 вт/кг) - это фактически тоже 1000 лет. Порядка тысячи.

[alex_semenov]

Для того что бы разгоняться "мгновенно" надо иметь БЕСКОНЕЧНУЮ (или близкую к ней) удельную мощность!
Сколько-нибудь похожую удельную мощность может развить только ядерный взрыволет. Для ионного же (как и всяких прочих плазменных) звездолетов лететь только по принципу "тише едешь - дальше будешь".
Опять же, смотрим на "икону". Все что имеет удельную мощность до 100 000 ват/кг просто обречено чапать всю дистанцию с постоянно включенным двигателем.

Кстати, я прикинул (это легко). Что бы добраться до А-Центавды за 1500 лет на взрыволете (то есть мгновенный разгон и мгновенное торможение у цели) надо иметь дельта вэ 1800 км/с. Из этих 300+300=600 км/с можно скостить за счет эффекта Оберта у обеих звезд. То есть ~1250 км/с надо все же на бомбах суметь раскочегарить. А это (опять же) скорость истечения порядка 1000 км/с надо иметь (если разумно расходовать термоядерную энергию).

Чем такой вариант полета лучше, чем на ионнике (который тоже 1500 лет летит с постоянным малым ускорение)? В том, что взрыволет потратит где-то в 4 ре (приблизительно) раза меньше энергии на перелет.
Надо специально считать. Но не менее чем в 4-ре раза - точно.
Еще плюс - взрыволет будет тратить термоядерную энергию (то есть дейтерий с литием) а наш ионник уран. Так что если есть выбор взрыволет или ионик, то наверное лучше все же взрыволет.
Еще плюс "для бедных" (мне, извращенцу он очень нравится). Взрыволет можно пульнут прямо с Новой Земли (остров на севере СССР)...

[alex_semenov]

Я тут подумал, что ионный двигатель перед запуском к звезде должен продемонстрировать необходимый уровень надежность. Т.е. его 1000 лет только испытывать надо. Этак к концу теста забудешь, ради чего ты его начал...

Во-первых испытания можно и ускорить раз в 10 (ужесточив режим эксплуотации например). Подобные испытания в современной инженерии используются сплошь и рядом. Так, например можно испытать камень или цемент на разрушение за 1000 лет в течении нескольких месяцев, поместив их в специальный ускоритель старения.

Во-вторых, никто не будет закладывать 1000 лет НЕПРЕРЫВНОЙ работы ни для какой ПОДСИСТЕМЫ звездолета. Чем хороши именно ионники? Они прекрасно масштабируются. А значит нам не нужен один единственный двигатель (скажем как это у взрыволета), можно иметь 10 или 100 или даже 1000. Нам не нужен один единственный реактор, радиатор, генератор и т.д.. Опять же можно иметь и 100 и 500 автономных реакторов (если речь идет об огромной колонии). А это значит что некоторая часть подсистем звездолета может находится выключенными (скажем 5%) на регламенте или на капремонте без ущерба для процесса полета в целом. Мы это тут обсуждали. Реакторы и двигатели (очень горячие элементы системы) время от времени должны останавливаться и восстанавливаться. Так, например, если мы используем термоэмиссию, то можно переводить реакторы в особый режим, когда на эмиттере напыляется "съеденный" за время активной работы слой металла. То же может быть и с сетками ионников, разница только в том что улетевший в реакторах с эмиттера на коллектор слой металла  в реакторе так и остался (на коллекторе, откуда его можно и нужно назад перегнать) а испарившийся с сетки металл улетает в космос безвозвратно и нужно на восстановление иметь  его запас.

[alex_semenov]

Кроме того, еще и техника должна жить в таком случае по несколько тысяч лет.

Да.

Нет. Вы оба не прочли мое последнее сообщение. Можно создать надежную систему из ненадежных элементов. Можно создать устройство, живущее 1500 лет из элементов, ресурс которых не более, скажем, 300 лет.

Что бы добраться до А-Центавды за 1500 лет на взрыволете (то есть мгновенный разгон и мгновенное торможение у цели) надо иметь дельта вэ 1800 км/с.

Мгновенные разгон и торможение при нынешних технологиях означают огромные перегрузки.

Мгновенный разгон (раз уж на то пошло) предполагает БЕСКОНЕЧНЫЕ перегрузки.

Но "мгновенный" в данном случае означате что разгон и торможение происходит МНОГО МЕНЬШЕ времени чем сам перелет. Например в 100 или 1000 раз.
То есть разгон до скорости 1800 км/с  будет практически считатся "мгновенным" если вы разгоняетесь до этой скорости, скажем 1 год.
А теперь посчитайте перегрузку (полагая для простоты разгон равномерным). Умеете?
Год это 365*24*3600=31536000с. Ускорение скорость, деленная на время. Помните?
То есть 1 800 000/31536000 =0,057 м/с2 или 0,0058g.
"Огромная перегрузка"?
 
Давайте посчитаем с другой стороны.
Какую перегрузку мы будем считать все еще приемлемой?
Разумеется 9.8м/с2, 1g. Это не просто возможное, это КОМФОРТНОЕ ускорение.
Давайте прикинем какую скорость мы приобретем за,  скажем, 1 месяц разгона?
25 754 400 м/с или 0,086с.
(вы считаете? следите за мыслью?)
На такой скорости до А-Центавры можно долететь за 52,5 года. То есть за время в 526 раз БОЛЬШЕЕ чем время разгона (один месяц). То есть, такой разгон можно считать согласно принятых условностей "мгновенным".

То есть, Макс1, вы несете АБСОЛЮТНУЮ ЧУШЬ.
При этом несете с бесподобным апломбом (что меня очень сильно смешит).

"Мгновенный" разгон совсем не означает какие-то чудовищные перегнузки ни при каком диапазоне скоростей перелета.

Полет за 1500 лет никому не нужен.

Вы уверены?

А обосновать?

Максимум, что можно сделать при таких технологиях - это беспилотный зонд для исследования окраин Солнечной системы, более быстрый, чем Пионеры и Вояджеры.

Вы, рискуете привзайти своим апломбом господина Гончева… Но тот хоть что-то действительно знает и понимает.

Взрыволет можно пульнут прямо с Новой Земли (остров на севере СССР)

Повторюсь, что гораздо проще и экологичнее сделать первую ступень, разгоняющую до второй космической скорости, и запускать подобный аппарат с Байконура или подобного космодрома. А термоядерный двигатель запускать в стороне от Земли.

Вы предлагаете поднять с Байконура массу в 8 000 000 тонн ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ на химическом топливе? Это масса суперориона на приведенной мною картинке. Я, кстати, имел ввиду проект корабля меньше, всего 2 000 000 тонн (на полной заправке). Меньше полуммиллиона для межзвездного Ориона СУХОЙ массы я не предполагаю (а полная будет в четыре раза больше).

[alex_semenov]

Тогда определитесь с терминологией. Я думал, что Вы имеете в виду разгон, близкий к мгновенному, с очень высокими перегрузками.

Мы тут давно оперируем неким сложившимся языком.
Сложившимся не из бытовых ощущений а из наших теоретизирований вокруг проблемы.

Вообще говоря ЛЮБОЙ перелет от звезды к звезде может содержать три этапа.

1. Разгон, T1
2. Полет по инерции T0
3. Торможение, T2

Так как этапы разгона и торможения могут иметь сложную динамику, мы не можем делать никие обобшения в общем виде для любых случаев. Но мы выделяем ряд интересных нам.

Первый случай - когда T0=0. То есть корабль "до середины" разгоняется, а потом сразу же тормозится не секунды не летя по инерции. Он никогда не выключает двигатель. "До середины" взято в кавычки потому что в разных случаях "середина" будет разная, не обязательно в середине пути или времени полета. Реально серединой она будет в случае, если разгон и торможение равномерный и одинаковый. Для ракеты это все не так. Но в любом случае, почему мы интересуемся именно такой траекторией? Потому что такая траектория требует минимальной энерговооруженности для корабля. Поэтому говоря об ионном двигателе (где главная проблема именно поднять энерговооруженность, Вт/кг) мы говорим о такой траектории.

Второй случай  - когда T1+T2<< T0 .Разгон и торможение по времени во много раз меньше чем инерциальный полет на некой крейсерской скорости v. Тогда мы без сильной ошибки в расчетах можем считать время перелета просто как дистанцию, деленную на скорость: Т1+Т2+Т0~T0 = L/v .
Именно такую тракеторию мы и наызваем "мгновенный разгон-торможение". Данная траектория в любом случае лучше ЛЮБОЙ ИНОЙ  с точки знерия энергетической эффективности (в том числе когда и T1 и T2  сопостовимо с T0 и когда Т0=0). Но проблема полета по данной трактории - очень высокая удельная мощность. Не ускорение а  необходимая именно удельная мощнсоть привода.
Просто прикинте.
Вы равномерно (идиализация) разогнетесь до 0.1с за 1 год.
Посчитайте ускорение.
Ускорение 0,95 м/с2. Это десятая от силы тяжести. Очень плавный разгон. Верно?
А теперь посчитайте полезную (минимальную необходимую) удельную мощность привода. Конечная энергия каждого килограмма корабля v^2/2  это 4,5E+14 Дж/кг
А теперь разделите на 31536000 (секунд в году), вы получите среднюю мощность на килограмм корабля. 14 270 000 ват/кг.
Осознайте что это за величина!!!

Для сравнения. Истреитель мессершмит 109 имея массу примерно 2 тонны и мощность двигателя
1200 л.с. имел энерговооруженность  440 ватт/кг.
Автомобиль формула-1, имея массу с водителем не выше 600 кг и мощность двигателя 750 л.с. имеет энерговооруженность 920 ватт/кг
Рекордная энерговооруженность у современных ЖРД ракет. Скажем, "Восток" при сухой массе 37 тонн, развивал обеими первыми ступенями (если не ошибаюсь) 20 000 000 л.с. Таким образом энерговооруженность "Востока"  составляла порядка 400 000 ват/кг.
Почему у ЖРД ракет такая чудовищная энерговооруженность? Это отдельный и интересный вопрос. Если просто - потому что ЖРД буквально заливается охладителем.  Менее прожорливые ракеты резко снижают свою удельную мощность (скажем атомные двигатели). То есть, можно сказать, что 400 000 ват/кг - это абсолютный рекорд. Но даже его не хватает для нашего минимума удельной мощности в 14 000 000 ват/кг!

Осознайте ГЛАВНУЮ  инженерную проблему МП!
Все остальное -уже "шашечки"

Но при термоядерном взрыве высокие перегрузки неизбежны. Если же это управляемая термоядерная реакция с невысокими перегрузками, то слово "взрыволет", по крайней мере, неточное.

Да, если вы проектируете взрыволет  СЛИШКОМ маленькой массой, то у вас возникают проблемы с амортизаторами. Чем тяжелей взрыволет, тем все его инженерные проблемы решаются легче (поэтому стартующий с Земли тяжелый взрыволет и появился как проект раньше чем более поздняя, выводимая первыми двумя ступенями Сатурн-5 "пендюрка" показываемая во всех научно-технических "мурзилках", озабоченных экологией). Ускорение взрыволета действительно вряд ли может быть меньше 1g и вряд ли больше 3g (ибо это действительно уже некомфортно для экипажа, но для отрыва от Земли нужно порядка 3g, еще такое ускорение нужно для маневра Оберта у Солнца). Сделать ускорение взрыволета менее чем 1g  сложно именно из-за амортизаторов. Чем ниже ускорение, тем больше должен быть ход амортизаторов, а его массе больше.
Уникальность взрыволета в том, что он действительно может иметь практически любую желаемую нами удельную мощность. Потому что это так сказать, идеал двигателя "внешнего сгорания".
Но взрыволет не может (при самых оптимистичных допущениях) разогнаться до скорости выше 0,03c (9 000 км/с). Ему на большее не хватит коларийности "топлива". Реально же (с анализом всей суммы научно-технических проблем данного привода) возникают сомнения, может ли он разогнаться до 1000 - 1500 км/с? Напомню, что все проекты "Орион" были межпланетными и для них дельта-вэ была всего порядка 50-70 км/с. Не более! (и примерно такой же удельный импульс предполагался и у чудо-бомб, толкающих корабль).
Тут нужно отдельно заметить (для новичков) что, не смотря на то что формула Циолковского ТЕОРЕТИЧЕСКИ при небольших u (скорости истечения или удельном импульсе Ig) позволяет получить любые приращения скорости дельта-вэ (dv) для ракеты, но  еще Циолковский сказал, что реальные ракеты при здравых z (отношении массы топлива к пустой массе корабля)  должны иметь dv и u одного порядка. Если же провести анализ энергетической эффективности ракеты (что было не важно для выходящих за пределы Земли носителей но важно для звездолетов), то мы получаем что-то типа dv=u.
Отсюда мы и пляшем.
Если нам нужна скорость перелета v, то скорость истечения должна быть примерно 2v.
Это в первом (и достаточном) приближении ("на глазок" что бы не утруждать себя расчетами при рассуждениях).

Повторюсь, откуда этот стереотип с гигантоманией для межзвездных перелетов? Хватит корабля размером с Ту-134, максимум с Боинг-747 массой порядка несколько сотен тонн.

Дитя мое! (Простите, но у меня сильнейшее ощущение что вам лет 12 или 13 и вы небесталанно имитируете стиль взрослых) Говорить, "повторюсь", конечно, очень убедительно (интересно со скольких лет нынешняя молодежь начинает осваивать брутальные методики НЛП?). Я согласен. Наглость - города берет. Сам порой… Но надо соблюдать баланс между наглостью и совестью. Мамоуверенностью и осведомленностью.

откуда этот стереотип с гигантоманией для межзвездных перелетов?

Откуда этот стереотип - я могу вам объяснить. Хотите?
Но откуда СЛЕДУЕТ ваша уверенность, что несколько сот тон хватит? Вы же, вьюнова, ниже это так и не обосновали! Вы же тут не на майдане где можно стать героем на голых понтах!

Не следует кидаться из крайности в крайность, то говорить, что это практически невозможная задача, то предполагать абсурдно большие размеры и массу корабля порядка миллионов тонн. Если проект межзвездных перелетов будет реализован с развитием науки и техники, то это будет недешевая задача с себестоимостью вначале не меньше, чем Шаттл/Буран или полеты на Луну.

Теперь демагогический наезд без обоснования с переходом уже на цену.

Вряд ли возможно реализовать проект намного дороже, но серьезный проект вначале будет неизбежно дорог, а размеры корабля так просто не получится сделать гигантскими, и скорее всего, не нужно. И топливо не будет дешевым, чтобы позволить так легко увеличить массу корабля, а гигантские корабли будет сделать так же трудно, как сейчас гигантские самолеты.

Понятно.
Говорят языком кабалистики господина Переслегина, в ваш ТУННЕЛЬ РЕАЛЬНОСТИ тяжелые звездолеты не вписываются. Это вам просто не мыслимо.
А знаете почему?
У вас КРИТИНСТИЧЕСКИ УЗКОЕ мировоззрение. В частности совершенно кретинское представление о ВОЗМОЖНОМ будущем. Это не оскорбление. Это диагноз. Его, кстати, можно поставить 99.9% людей на планете Земля. Так что не надо обижаться. Вообще вы молодец уже потому, что сюда пришли и что-то начали писать о вещах, которые напрямую не касаются вас лично (признак проблесков интеллигентности). Подавляющая часть офисного планктона и "нашей молодежи" на такие высоты ума и духа вообще никогда не поднимутся за всю свою жизнь, ибо кретины специально воспитанные для "общества потребления"…
Но если хоите общаться на одном языке с "дядями", которые давно освоили эту "песочницу", то вам надо учиться, учиться и еще раз учиться!

Тут главное - желание! Конечно, одного желания мало… но и без желания не будет вообще нечего…

[alex_semenov]

В частности совершенно кретинское представление о ВОЗМОЖНОМ будущем. Это не оскорбление. Это диагноз.

Диагнозом это можно назвать лишь в том случае, если оппонент готов вас признать доктором. В противном случае оскорбление...

Еще один вьюноша?
"Готов признать доктором" - это слишком "либеральное" требование для лечебного заведения.
https://www.youtube.com/watch?v=lTqQMIzCJ24

[alex_semenov]

Полеты по несколько месяцев на земную орбиту как-то обходятся без кораблей по несколько миллионов тонн. Замкнутый цикл уже существует, где, простите, моча космонавтов превращается в воду. Для экипажа примерно в 20 космонавтов хватит жилого отсека размером в 2 пассажирских вагона, где каждому космонавту можно отвести каюту размером с купе вагона. Плюс 2 туалета на всех и душ. Кухня и столовая. Комната отдыха. Научный и грузовой отсеки размером с жилой. Отсеки систем управления и жизнеобеспечения примерно тех же размеров каждый. Кабина командира экипажа и помощников для управления кораблем и кабина, где космонавты находятся при взлете и посадке. Примерно то же, что есть на морских и речных кораблях, причем роскоши не нужно. Ничего не забыл? Несколько двигателей. Запасы топлива, например в крыльях, наиболее перспективен крылатый шаттл. Возможно, крылья и хвост складываются при полете в космосе и защищаются сверху защитным кожухом. Первая ступень - авиационный двигатель или их пара для старта с обычного аэродрома и управляемой посадки на него. Перед включением второй ступени сверхзвуковой полет порядка 2000 километров в час. Дополнительная возможность - посадка на воздушную подушку и взлет с нее, так как на планетах не всегда есть ровные поверхности. Дополнительный двигатель - вертикальный взлет и посадка на планеты без атмосферы или планеты с атмосферой и гравитацией, где невозможна самолетные взлет и посадка. Вторая неотделяемая многоразовая ступень - разгон до второй космической скорости и торможение с этой скорости при посадке. Основная третья ступень - разгон до максимальной скорости и торможение. И несколько относительно мощных, но компактных двигателей коррекции траектории. Двигателей нужно довольно много, но при будущих технологиях они и топливо для них могут стать более компактными. Все это можно разместить в корабле максимум в несколько сотен тонн. Если будет реализовано, то буднично и без пафоса из фантастических романов. Поменьше надо стереотипов о "звездолетах" из фантастики. С развитием техники люди будут менее склонны к героизму и будут больше заботиться о надежности.

Нет, не зря я вам позавидовал сразу, мол, "где мои семнадцать лет?"!
Что ту важно?
То, что вы пытаетесь видеть СИСТЕМУ В ЦЕЛОМ.
Вы ее действительно видите! Представляете!
Это, должен сказать, не всякому дано!
У вас есть предпосылки! Но база…  как у всякого вьюноши… Таланты же надо развивать! Не пускать на самотек!

Я в глубокой юности (в году этак 1980-м) именно так и рассуждал (или примерно так).
Кстати. Если интересно. Наиболее близкий к вашей идеологии межзвездного корабля проект "Валькирия", примерно того же 1983-го года рождения (если бы я тогда об этом знал!). Вот тут он лучше всего виден (хотя это только версия, близкая к оригиналу)

https://www.youtube.com/watch?v=pG-2Pvoq9Ck

Читать надо начинать здесь: http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Valkyrie  Там внизу есть все необходимые ссылки.
Не боитесь трудностей перевода? Это - первое препятствие на пути юного конструктора звездолетов. По-английски о звездолетах написано на порядки больше и глубже чем по-русски, поэтому если хотите глубоко вникнуть в проблему - учитесь читать на бусурмански.

Теперь критика.
Да, возможно вы (и Чарль Пелегрино за долго до вас, вдохновленный идеями Берта Рутана  и описавший полет на сверхлегком звездолете еще в 80-х в романе "Полет в Валгаллу") и правы.



Кстати, Пелегрино пошел почти вашим путем и даже дальше!
У него и экипаж поскромней (два корабля по 4 человека, кажется). Он не стал разделять посадочный модуль и обитаемые отсеки. Межзвездный корабль (только двигатель и прочее) пристыковывался к взлетно-посадочному шаттлу, который во время полета выполнял роль жилого модуля. То есть все жилые отсеки звездолета "Валькирия" были сосредоточены на посадочном же модуле. Жуткий минимализм!
Похоже на ваши идеи?
НО!
Есть два возражения.

Перове. Самое простое. Закупорить десяток человек в "два вагона" можно только если вся экспедиция происходит в течение жизни космонавтов. То есть 50-100 лет. Не более.
Так, кстати, планировалось и на паруснике  Форварда ("Полет стрекозы", "Рошворд"). 20 человек экспедиция (кстати, в один конец без потомства!). 1000-тонный жилой модуль "на всю оставшуюся жизнь".



И тоже, смотрите, при минимализме, подавляющая часть полезной нагрузки - десантное оборудование.

Но любая такая экспедиция (как не крути) предполагает очень большие скорости перелета. Парусник Форварда летел на 0.2 (другая версия вообще 0.5) света. Лазерный парусник может себе это позволить. Для парусника можно получить очень высокую энерговооруженнсоть ( хоть 1 000 000 000 ватт/кг) ибо генератор всей этой мощности остается дома.
Но для полной ракеты (которая добывает энергию на борту) такой быстрый полет - за гранью мыслимого.
Как "Валькирия" разгонялась до 0.97С?
Силой воли автора романа, разумеется!
Как и ее потомок (из фильма "Аватар") этот замечательный проект не реализм, а всего лишь псевдореализм (очень похоже на реальность и только специалист может понять где там фантастические натяжки). Хотя я вам рекомендую это псевдореализм все-таки изучить досконально. Там масса поучительных идей. Особо предлагаю обратить внимание на ПЕРЕМЕНЫЙ удельный импульс (для экономии антиматерии, то есть энергии). Это очень поучительно для развития юного ума в данной области!


Второе возражение.
И это - более серьезное.
Допустим.
НА СЕКУНДУ допустим, что мы нашли способ доставить исследовательскую миссию на дистанцию, скажем 5-10 св. лет за время в пол жизни экипажа (человека).Скажем за 40 лет.
Допустим?
Допустим!
И каков должен быть состав научно-исслеовательской (хотя бы) экспедиции? Сколько нам понадобится человек ТАМ?
10 хватит?
100?
1000?
10 000?
1 000 000?

Каков минимум?
Если ДЛЯ СЮЖЕТА ЗАХВАТЫВАЮЩЕЙ ФАНТАСТИЧЕСКОЙ ПОВЕСТИ, фильма, то ответ очевиден.



Слишком много героев, характеров в повести не надо. Читатель просто всех не запомнит, за всеми не уследит!
Далее, если людей на корабле окажется  много, скажем 1000 всяких  специалистов (физиков, биологов, инженеров) то трудно будет БЕЗ ДУРАКОВ выдумвать захватывающе-драматические сюжеты для читателя (сложные ситуации в которые попадают герои и героически их потом преодолевают).
Если на борту звездолета, не дай бог будет 10 000 человек, весь роман превратиться в бесконечную производственную планерку! Верно?
Кто же ТАКОЕ будет читать?
Люди там не будут совершать глупостей (а потом героически преодолевать) ибо коллективно они просто не смогут этого делать.
В романе же (или фильме) нужны героические (поражденные алигофренским поведением небольшой кучки дебилов из железного ящики) трудности и их героическое преодоление!
Тогда будет драйв!

Но если вы РЕАЛЬНО планируете экспедицию, скажем к планете, которая действительно проявляет признаки жизни (скажем  вы зафиксировали для нее маркеры жизни в спектре) и РЕАЛЬНО хотите что бы экспедиция оказалась успешной (без дураков) то есть представляла собой именно ту самую бесконечную СКУЧНУЮ ПЛАНЕРКУ, сколько вам понадобится людей на борту?
Какая вам потребуется научно-техническая база, что бы исследовать чужую биосферу?
Не сфотографироваться там  "на форе морской волны с подругой если нет жены, одной рукой обняв ее, другой штурвал", как тупые туристы (или все БЕЗ МАЛЕЙШЕГО ИСКЛЮЧЕНИЯ герои всей созданной людьми фанатстики на этот счет), а именно действительно собрать научно-значимую базу знаний о данной биосфере, скажем за 10 лет.
Ведь столкнувшись С РЕАЛЬНОЙ биосферой, скажем за пол года на орбите этой планеты вам надо ХОТЯ БЫ выяснить, какие опасности могут возникнуть при контакте двух биосфер. Их и нашей. Какая должна быть биозащиа? И главное тут  конечно не клыки и когти (для которых у нас есть пулеметы и огнеметы) а, скажем понять опасна ли иная хиральность,  иной аминокислотный состав? Как пересекутся, такие банальные вещи как флора и фауна нашего кишечника (без которой мы умрем от пропашной дизентерии) с микрофлорой и фауной, витающей в атмосфере новой планеты?
Да, поголовно срущие кровавым поносом и дохнущие от пропашной дизентерии герои-первопроходцы - это не для захватывающего романа. Но РЕАЛЬНОСТЬ будет именно такая!
И вот подуматей. Вам хватит для обнаружения такой опасности 2-х биологов?
Или надо целый консилиум их 200 (хотя бы?) и в течение многих нудных лет наблюдения нового дивного мира через  целую армию телеуправляемых роботов издалека?
(представьте какая нудотина!!! Под ногами целый новый мир а вы годами ковыряетесь в бесконечных биохимических  пробах, спорите вокруг биохимии местной микрофлоры и микрофауны!).
Улавливаете куда я клоню?
Если по-взрослому куда-то лететь за РЕАЛЬНЫМИ знаниями экипаж менее 1000 человек вряд ли имеет смысл. Минимум на который я могу (с массой оговорок) согласиться, это 200-150 человек.  И то, при условии, что в экипаже будет супер-умный компьютерный интеллект, компенсирующий недостачу мозгов и знаний (тогда может вообще люди и не нужны?).
10 000 человек - вот размер УСПЕШНОЙ экспедиции к чужой биосфере если компьютеры навсегда останутся тупыми. А 100 000 - еще лучше.
Если же речь идет не просто о исследовании а  об основании колонии, то тут уверенно можно говорить об полном успехе только при 1 000 000 населения.
Сразу оговорюсь. Я имею ввиду не  дикое поселение, начинающееся с каменного рубила и лука. Тут действительно  достаточно и 20 человек, вопрос КУДА такое поселение заселять, в мир с чужой биосферой? А как же кровавый понос? Если же на стерильную планету то кто будет ее терроформировать? Я говорю о колонии, которая ПРОДОЛЖАЕТ цивилизацию, которая эту колонию запустила как урбанистическую техносферу (если надо терроформирование- сделает терроформирование).

Проще говоря.
Мой главный аргумент против вашего минимализма.
Есть минимальная, критическая мощность цивилизации, которую вы можете унести на борту корабля. И она, если придерживаться ПРЕДЕЛЬНОГО реализма, измеряется именно десятками тысяч человек экипажа и миллионами тонн (ну сотни тысяч) конструкционных материалов.

Если вы конструируете звездолет для вьюношестских приключений (для очередного романа), то да, ваших "двух вагонов", может и хватит. Но "дяди", которые играют в этой "песочнице" играют "по-взрослому" на фулл реале.  И даже псевдореализЬм Де-Камерона (поразивший почти уже разложившиеся умы "нашей молодежи") для нас, здесь собравшихся, уже давно пройденный этап!

[alex_semenov]

Нет. Вы оба не прочли мое последнее сообщение. Можно создать надежную систему из ненадежных элементов. Можно создать устройство, живущее 1500 лет из элементов, ресурс которых не более, скажем, 300 лет.

Это не сработает. Вся теория надежности, работает в пределах 20-50 лет. Но когда речь идет о 1500 лет, здесь уже речь не о надежности. А о физике. Диффузионные процессы "размоют" примесные переходы микроэлектронных устройств. Если бы не было радиации, то можно остановить диффузию "замораживанием" к температурам близким к абсолютному нулю. Скорость диффузии, как химических реакций зависит экспоненциально от температуры.

 

Гамма здесь равна 2-4, думаю это справедливо и для диффузии.

Но радиация при дальнем полёте выполнит роль естественной диффузии. Выбивая атомы и размывая переходы. Формул дать не могу, но предполагаю, что простенькие оценочные формулы можно вывести при желании.

Хорошо. 300 лет я взял слишком.
Пускай 50 лет (это действительно много). Что это меняет? По сути - ничего. Все равно надо постепенно рециклить (и ни один раз) все элементы и узлы тысячелетнего звездолета.
Кстати, если такие жесткие требования, то какая разница летит ли звездолет 300 лет к цели или 1500?
И тому и тому все равно нужна сумма технологий (уровень развития) позволяющая самого себе перебирать "на ходу".
Электроника меня почему-то меньше всего заботит.
Сколько ее той электроники?
С гульки нос!
А вот раскаленные радиаторы и реакторы (плюс двигатели) - это огромный кусок общей головной боли.

Что хочу выделить отдельно.
Для нас не принципиально через 300 лет глубокий ремонт или через 50 лет. Важно соотношение времени ремонта (рициклинга) к времени работы. Если средний показатель окажется, скажем 1-10% (а почему он должен быть бОльшим?), то это вполне приемлемо (и как часто происходит- не принципиально). Разумеется, такая дополнительная оптиця как репарация оборудования не может не сказаться на удельной мощности системы (она упадет). Но мы летим 1500 лет, если кто помнит, при энерговооруженности всего 200 вт/кг. В отличии от 1500 ват/кг при перелете за 800 лет, тут можно рассчитывать на "запас массы".

[alex_semenov]

Я начиная этот разговор не зря там упомянул о баобабах



или елях (обыкновенных)



Предлагаю сделать их символом тысячелетнего корабля. Ведь живут же эти деревья по нескольку тысяч лет!
Как? Нелья же сказать что они полностью себя обновляют. Нет конечно!
Так и наш тысячелетний звездолет мог бы "наращивать только свежую кору".

Кстати, мне попадался проект звездолета (у французов), корпус которого представляет собой некое гигансткое (десятки километров) генно спроектированное "космическое" дерево.
Еще у У Симмонса в его цикле "Гиперион", не помню какой клан землян летал на звездолете-дереве.

[alex_semenov]

Так вы ошиблись заведением.

Заведение то у нас одно, а вот взгляды на него - разные....