Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Честно говоря я вас не понял. У нас есть семейство комет имени Кройца, которое наиболее удобно для старта. Где там астероиды? И где в астероиде брать энергию на весьма долгое время перелёта? В комете хотя бы дейтерия полно.

То есть как ни крути, комета - объект побогаче ресурсами?

[alex_semenov]

На тему «Двигатель для межзвёздных перелётов» можно ответить цитатой Паланика:

Я повстречался с Богом. Он сидел за просторным ореховым столом, а за спиной у него висели все его дипломы. И Бог спросил меня: - Зачем?

 

Вы думаете тут не предпринимались попытки ответить на этот вопрос?
Вы думаете один вы такой вот умный?
Лично я даже пытался искать ответ на "языке бога". Вы, например, знаете чем экспонента отличается от полиномы?
Но "местный обыватель" мне не поверил. Вопрос остался открытым. Хотя противная сторона ничего кроме МЫЧАНИЯ и глубокой уверенности в своей духовной правоте предоставить не смогла. Но их - подавляющее большинство. Это - главный их аргумент.
Если без изысков (вы все равно мне не поверите) но ответ простой: Зачем? Что бы РАЗУМ выжил.
Не вид людей, а именно разум. Ибо люди могут жить на Земле остатки свих миллионов лет как вида без разума. Речь не о конце солнца через 5 миллиардов лет (хотя и это обсуждалось). Речь о более близком конце. Вы читали у Хлынина эпиграф на  "Эпизоды космонавтики"?

Существа, не способные развить космонавтику, ничем не отличаются от животных.
Ларри НИВЕН "Четвёртая профессия"

По сути, я пытался это обосновать с меньшим пафосом и большей логикой. Аргументов накопилась тьма.
Ну да ладно. Не будем опять бегать по кругу.
Все равно как об стенку - горохом.

Неужели кто то правда верит? Даже на Луну пилотируемый полёт абсолютно бессмыслен.
Человек это животное фактически, которому нужна гравитация и ещё 100500.вещей нужно соблюсти.
К тому времени когда реально понадобятся такие полеты, полетят к звездам уже не люди, и нынешние рассуждения о двигателях будут не ценнее гадания на кофейной гуще..

Я не улавливаю здесь вашу логику.
Хорошо. Допустим разум будет на другом носителе. А что это изменит в технологии межзвездного привода? Изменятся законы физики? Появятся новые источники энегии?

Я лично начинал именно с этого. Что вряд ли люди из плоти и крови полетят к звездам. Мое повторное увлечение проблемой межзвездных путешествий ("на старости лет" вспомнил увлечение юности) произошло с прочтения главы  2 в книге  Типлера "Физика бессмертия".
Прочтите обязательно ее (там не много).
Но на данном форуме я постепенно "скатился" именно к пилотируемым кораблям. Почему?
Во-первых "наша молодежь" просто не любит роботов а хочет самолично туда гайнуть.  Им роботы не интересны.
Во-вторых я рассуждал как Томас, слуга господина барона ("Тот самый Мюнхгаузен"). Роботов заслать к звездам любой дурак сможет. А вот если мы найдем способ (технологию привода) заслать туда человека, то роботов тем более сможем. Барон любит чтобы было посложнее!

[alex_semenov]

Алекс Семенов а какова перспектива химических ракетных двигателей для межзвёздника? Можно ли их улучшить для этой цели?

Весной вроде бы обсуждали рецензируемую статью по Теоретической Физики о существовании ледяных нептунов с океанами из жидкого кислорода.
Возможно гле-нибудь за орбитой Седны и у нас в СС такие водятся.
Тогда без проблемм. 

Перспективы хреновые. По сути никакие. (это если сразу заглядывать в конец учебника где ответы для проверки). Но если  разбираясь почему это так как прилежные ученики, шаг за шагом, мы сможем обогатить свое мировоззрение, углубить понимание сути проблемы МП.
А что, есть желание?
Предупреждаю сразу. Опять будут формулы и кривые!

[alex_semenov]

Хотя и так ясно. Для одного вывода на орбиту уже требуется огромная масса топлива относительно полезной нагрузки. Для разгона до более серьёзных скоростей масса потребуется вообще…
Слишком малая скорость истечения не даёт вырваться из проклятия формулы Циолковского.

Это не самое главное.
В двух словах.
Если число Ц будет очень большим, то на разгон полезной нагрузки (веренее пустой ракет) расходуется исчезающее малая часть энергии. Там, 0.00000…01%. Казалось бы, ну и хрен с ней! Все равно эта энергия - нашару (нашли и спалили! Как пришла, так и ушла!). Но суть в том, что при такой низкой эффективности разгона и ваш привод имеет крайне низкую эффективность как движитель. То есть вам нужен в 100/0,00000…1 раз более мощный ЖРД чем при здравом числе Ц (оптимум эффективность ракетного привода 0.64). И в итоге мы получаем уже совсем невообразимую удельную мощность для "пустой ракеты" (что бы за разумное время добраться до цели).
Разумеется, тут можно попытаться исхитриться, сделать 10 000 ступеней. Или сделать предельный корабль-автофаг. То есть съедающий, сжигающий в химической топке не только топливо с "топливным баком" но и сами лишние двигатели тоже сделать сгораемыми как топливо… 
Может быть.
Но крайне низкий КПД движителя все равно остается. Если у вас число Ц порядка 1 000 000, то вам на ту же полезную работу (по разгону пустой ракеты) потребуется энергии  того же  порядка раз больше, в ~ 1 000 000 . При этом вам эту энергию надо не просто добыть, но вкачать в реактивную струю. То есть как-то правильно утилизировать.
В общем сложности тут возрастают по экспоненте и получается что проще все же возиться с ядерной, термоядерной, анигиляционной энергиями.
То есть, не в коня будет корм.
Я эту задачу для себя как то решал не для волшебного астероида из кислорода и водорода а для… астероида из металлического водорода. Металлический водород как монотопливо куда калорийней (истечение порядка 20 км/с) но и на нем я далеко не улетел…

[alex_semenov]

Я тут прикинул...Если кольцо центробежного ускорителя(маглева) сделать диаметром с орбиту земли, то можно достич скорости 40 000 км/с.

Гм... 40 000 км/с? Не м/с?
А нельзя ли рассчет "в студию"?

[alex_semenov]

Перещитал, получилось аж 100 000км/с

Гм… если брать радиус ОРБИТЫ Земли (я как-то сразу подумал что берется радиус Земли) то, получается даже больше.
Вот смотрите.
Предельное ускорение для электроники в статье названо: 20 000 g. То есть примерно 200 000 м/с2
Центробежное ускорение (оно же предельное для электроники):

Отсюда считаем предельную линейную скорость (из предельного ускорения) и получаем (при радиусе ускорителя 150 000 000 000 м)  более 170 000 км/с… То есть болше чем 0.5с!
Осталось построить ускоритель с орбиту Земли...

[alex_semenov]

"Во всем есть мораль!"
Графиня Алисе в Зазеркалье.

Самая интересная для нас мораль из расчетов с кольцевым ускорителем вот в чем.
Сравним два ускорителя массы. Линейный и кольцевой.
В линейном ускорителе его длина равна:



V - конечная скорость (если начальная 0) a - ускорение, предельное. Чем больше a, тем короче линейный ускоритель. И а для нас тут - лимитирующий фактор.
Теперь берем кольцо радиусом r. По кольцу, в отличие от линейного ускорителя, массу можно (вроде как) ускорять сколь угодно долго. То есть для кольцевого ускорителя продольное ускорение можно растягивать как угодно долго. Но по мере того как наш снаряд набирает линейную скорость в кольцевом туннеле, на него начинает действовать центробежное ускорение равное:



И оно не может быть больше предельного.
То есть при заданной конечной скорости v и предельном ускорение (при котором разрушается электроника снаряда) мы получаем некий минимально необходимый нам радиус кольцевого ускорителья r



То есть при одинаковой конечной скорости снаряда  v и предельных для него перегрузках a  соотношие длины ствола линейного ускорителя S с радиусом кольцевого r:

 

Или кольцевой ускоритель всегда будет иметь диаметр в 4 раза больше, чем линейный длину. А учитывая что длина кольцевого ускорителя 2*пи()*r, то соотношение длины кольцевого к линейному будет 4*пи(). То есть примерно в 12 раз длинней!

Оказывается, ничего мы не выигрываем, разгоняя снаряд по кольцу вместо разгона по прямой!


Кстати, где-то я тут нахомутал (решая в уме уравнения?). У Фельдмана было... если не ошибаюсь... что длина линейного ускоритеря равна диаметру кольцевого... То есть я где-то разделил на 2 вместо умножить но где.... гм... 

[alex_semenov]

Тогда уж Лучше с орбиту Марса. Тогда вообще на скорость света можно выйти

А если на орбиту Юпирета, то можно привысить!!! (вот вам гипердрайв!)


Кстати, сразу возникает вопрос, если кривой путь не лучше прямого, то почему все же кто-то мутит ускорители с кольцами?
Есть идеи чем же кольцо все же лучше прямого ускорителя?

[alex_semenov]

Алекс Семенов что скажите по этому:

Скажу что если собрать девять беременных женщин в одном месте, то они не родят за месяц ребенка...

Кстати, а что за прямоточник вы собираетесь включать? Его источник энергии (не говоря уже о способе сбора ракетной массы)?
Концепция прямоточки разве имеет хоть малейшее отношения к физической реальности?

[alex_semenov]

Подвод энергии можно осуществлять с солнечных батарей.....

А почему товарищи на Земле хотят снаряд ускорять по кругу?



Я думаю что дело в погонной мощности.
Смотрите. Линейный ускоритель, разгоняющий 10 кг снаряд с ускорение 200 000 м/с2 по-сути ДОЛЖЕН вкладывать на каждый метр своей длины 2 Мдж энергии. Ведь работа - это сила на путь, а сила - масса на ускорение. Путь - 1 м. Считаем, получаем что полезная работа против сил инерции 10-и килограммового снаряда 2 000 000 Дж на метр ускорителя. Не заною как они будут ускорять, но паразитка в процессе составит не меньше полезной работы (у всякого рода ускорителей масс кпд обычно не выше 30% так что мы взяли с явным запасом). То есть будет вкладываться 4 миллиона и 2 миллиона джоулей на метр ускорителя - паразитного тепла (только!) которые выделится мгновенно. По-сути взрыв.  1 кг тротила - 4.18 МДж. То есть на метр - взрыв в пол килограмма тротила.
Если же разгонять по кольцу, то собственно разгонное ускорение снаряда можно уменьшить на порядки и на порядки снизив разгонную мощности (и паразитную мощность).

[alex_semenov]

Совсершенно случайно попалась картинка. Вставляю сюда (что бы не потерять):
Вот распределение зависимости личной территории животного от его массы:

Очевидно, что у современного человека в среднем гораздо меньше территории, чем ему положено.
Взято здесь http://backtothelander.info/author/tigra/

[alex_semenov]

На мой взгляд, интересно посмотреть простейший вариант - от орбиты Земли - в бесконечность, без ухищрений. Была бы точка отсчета, с которой можно было бы сравнивать более изощренные варианты. У адмирала посмотреть можно, но по памяти - нет там такого. Впрочем, к парусам я традиционно не внимателен, мог и пропустить...

Господа, вы меня удивляете.
Сказано же!

Надо порыться в рундуке у адмирала.,пока он не видит. http://go2starss.narod.ru/pub/E029_MMKG.html

Кстати, Иван, это же ваш материал!  Вы мне его и прислали.
Да, там немножко МУТНЫЕ формулы… Но разобраться ведь все равно можно!
Красота задачки в чем?
В том что в данном случае формула для конечной скорости  светового парусника ИЗОМОРФНА формуле, скажем так, гравиталета… Там и там сила (не важно с плюсом она или с минусом, для гравилета как раз вся суть - заменить минус на плюс) падает обратно пропорционально квадрату расстояния. Что гравитация, что давление света.
Вспоминаем закон всемирного тяготения:



Поэтому тут даже интеграл брать (хотя он примитивный) не особо надо тогда. Мы ведь просто ПОМНИМ, что гравитационный потенциал:



То есть это энергия для удаления массы m, расположенной на расстоянии r от M на бесконечность (то же и для парусника!). Тогда из mv^2/2 получаем и скорость:



Это для "гравилета" (я не зря не сократил массы потому что тут разные массы одна гравитационная, а другая - инерционная, для гравилета это одно и то же масса, а для паруса - нет). Для парусника надо найти замену КОНСТАНТЫ GM (вернее GMm/m)…

В качестве "козы" теперь смотрим работу Мэтлофа…
Там все прозрачно (если ясны рассуждения выше). Хотя коэффициент (1+k)/2 для меня не совсем ясен. Почему делим на 2? Идеальный парус 2, а неидеальный, с коэффициентом отражения k  в итоге дает 1+k. Почему надо это делить на 2?

Да, еще надо учесть что если скорость тела на расстоянии от центра Солнца r будет не нулевой а некой v1 (а она будет именно что гиперболической), то суммарная скорость на бесконечности будет корень из v1^2  плюс v_inf^2.

Если совсем лень во все это вникать то берите вот в эту формулу:



И вместо r0 подставляйте орбиту Земли. И считайте. Будет вам счастье для прикидки.
Что означают другие параметры - смотрите в тексте или в конце статьи (там есть полная распальцовка).
Сразу скажу - с обриты Земли ничего путевого не получится ни при каких парусах.

Еще. Никто не обратил внимание на более свежую работу.

http://go2starss.narod.ru/pub/E32_UTSS.html

А ведь там тоже считают эту же задачу.
Хотя и очень грубо (поэтому для нано-супер-пупер паруса даже насчитали 0.13с!!!).
До конца кто-нибудь эту статью хотя бы ПРОЛИСТАЛ?
Или испугались страшных графиков?
Там в конце есть совсем ТУПАЯ формула, которая вам нужна:



a - ускорение паруса в м/с2 на орбите Земли, а rs - расстояние до солца при старте в астрономических еденицах. Если с орбиты земли то rs=1. Осталось выяснить ускорение вашего паруса при солнечной постоянной 1350 Вт/м2...

[alex_semenov]

Так материал в базе, а не в голове. Вот и подумалось как-то случайно, хорошо бы если кто-нибудь график нарисовал, по абсциссе - плотность паруса, по ординате - скорость... Конечно, если хочешь, чтобы работа была хорошо сделана, надо делать самому, но всегда живет надежда на халяву.

                     
Плотность поверхностная, кг/м2?
Ну вот смотрите мою последнюю ссылку.
Вам там надо две примитивные формулы. Первую и последнюю. И будет вам ваше счастье.

a_c = RP_s/p_a

a_c - ускорение паруса (возле Земли).
P_s - давление солнечного света у Земли. Если лень считать из формулы Эйншнейна E=mc², она составляет 9.12 мкН/м2.
p_a - удельная поверхностная плотность паруса. То есть по сути его масса (тут все и такелаж и полезная нагрузка и сам парус) деленная на площадь паруса.

Ну а вторая формула (сама последняя) я вам ее приводил выше.



Вам больше ничего не надо для вашего графика.
Я бы вам и график построил, но я не знаю о каких КОНКРЕТНО значениях  поверхностной плотности идет речь. Но ясно что конечная скорость (при фиксированнм расстоянии в перигелия) растет с падением плотности как корень квадратный.

[alex_semenov]

Меня, кстати, до сих пор удивляет, что НИКТО из оптимистов не обратив внимание на эту как бы нано-халяву.
Если
Нано-трубочный перфорированный парус возможен и его рефлективность действительно окажется столь прекрасна,  что парус у Земли будет ускоряться в 10g (да, я понимаю что это слишком круто!!!) и этот парус будет так тугоплавок что его можно опустить на 0.02 а.е. к Солнцу, то между звездами можно летать на шару со скоростью 0.1с!

Хотя бы фантасты взяли бы эту мечту на вооружение!
Кстати, тут никто не вычислил ускорение в момент старта... А оно будет... если у земли 10g, то на 0.02 а.е.  в 2500
 раз больше. То есть 250 000g

[alex_semenov]

Премерзкая статья в Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_windТам про скорость Солнечного ветра. На нано-трубочном перфорированном парусе двигаться быстрее солнечного ветра нереально. Максимум 0,002-0,003 с 

Стоп, стоп, стоп! Солнечный ветер - это совсем другое. Это поток ПЛАЗМЫ. В основном состоящий из протонов, летящих на скорости 300-700 км/с. В среднем 500 км/с. Плотность у Земли порядка 1-10 атомов на см3.  И она возрастает как и солнечный свет квадратично при приближении к Солнцу. То есть. Тут действительно быстрей чем поток протонов не разгонишься. И главное. Тут совершенно иной принцип. Тут нужен не парус-отражатель а токовая петля. Магнитный парус.
Вот, например http://go2starss.narod.ru/pub/E014_PPV.html
В общем магнитный парус для солнечного ветра и световой парус для фотонов солнечного света (о чем у нас речь) - совершенно разные движители.

[alex_semenov]

А что такое 548?

Коэффициент пропорциональности.

Что-то мне не нравится...

Ну тогда сами себе все выводите с нуля.

Давление ветра (+ света) падает с увеличением расстояния.

Стоп. Причем тут ВЕТЕР? То есть поток протонов.
Вы и его собираетесь учесть?
Зря!
Зеркальный парус не будет ловить протоны. Для протонов нужна токовая петля. Можно конечно попытаться совместить. Но… Главное - протоны быстрей 700 км/с не разгоняются.

Квадратично.

Разумеется. Тогда интеграл по пути (сила на путь - работа) - линейно. А конечнася скорость - корень квадратный из работы/энергии (ибо вся работа превращается в кинетическую энергию). Так и получается корень квадратный. Какие тут сомнения?
 

Скорость начинается с 40 км/сек, растет за счет давления и уменьшается за счет гравитационных потерь, которые тоже уменьшаются с расстоянием.

Вообще говоря, гравитационные потери, конечно надо учитывать. Но они тут на порядок (минимум) меньше. Более того. Все эти парусники, проходя перигелий у Солнца УЖЕ имеют некую гиперболическую скорость (то есть они уже имеют энергию для того что бы вырваться из гравитационной ямы Солнца).
В общем, то что я вам дал - там этим можно принебречь. Но если есть желание учитывать - учитывайте. Я полагал вам нужна прикидка в первом приближении.

А конкретно поверхностная плотность, это надо смотреть у современных парусов и их проектов, тоже, как точку отсчета.

В статье что я дал все это есть. Более чем достаточно есть!
И про каптон и про чистый алюминий и про перфорацию…

Самые примитивные паруса (на которые мы вроде как еще не способны) это каптон или какой иной полиэтилен толщиной 5 мкм со слоем алюминия менее 1 мкм (1000 нм). На них даже по солнчной далеко не улетишь. Интересными становятся чисто металлические паруса толщиной не выше 100 нм. Это Дрекслер. Это его идея. Форвард (у вас есть материалы) говорил о 40 нм алюминия. Но в той статье говорят вообще о 4 нм!!!
Это все - фантастика.
Разумеется в зависимости от степени фантастичности допущений получаются очень разные конечные скорости парусников.

[alex_semenov]

Обратил,обратил.Даже связывался с мериканской Sheldahl Inc. чтобы провентилировать цену пленки на которую ссылаются Зубрин и Спиз в своей статье 99-ого года.Но по перфорированным пленкам о которых мечтал Форвард,лучше обращаться на родину Ливерпульской четверки.http://www.lasers.org.uk/Тренируются они пока на 100нМ пленке с отверстиями диаметром 24нМ.,но по всей видимости это не предел. и там можно поиграться с материалами и микроструктурой самой перфорации.ultrafast laser parallel processing.wmv

Насколько я понимаю все это - пока что очень глубокая теория. Судя по тому как мучаются с РАСКРЫТИЕМ толстенных парусов в реальном космосе, все эти технологии будут очень долго чапать где-то на задворках... Как не верти, но обычный ионник с ядерной таблЭткой для наших РЕАЛЬНЫХ нужд - то что доктор прописал на ближайшие 100 лет! А паруса как были, так и остаются красивой экзотикой. Даже ионнику с огромной солнечной батареей они тихо сливают в околосолнечном пространстве…

[alex_semenov]

Вообще говоря, если хотите увидеть весь диапазон оптимизма (от осторожного до очень неосторожного) то смотрите таблицу 1 в работе http://go2starss.narod.ru/pub/E32_UTSS.html

У того же Мэтлоффа  получается примерно то же. Он оптиместичен но не запредельно. И у него на реалистично-оптимистичных парусах получается те же 1000 лет полета до А-Центавра что и у меня на продвинутом ионнике. Но обомне он, разумеется, не знает. Зато он знает про "осторожный" взрыволет Дайсона, который тоже летит к альфе 1000 лет. На что упирает Мэтлофф? Что паруснику нужна ЦЕЛАЯ ГОРА ядерных/термоядерных бомб. Хотя ему нужен окультер (тень). Поэтому можно поспорить...
Но в любом случае мы как бы оказываетмся в неком заколдованном круге. Какую бы технологию-лазейку мы не нашли бы… все равно они все оказываются для нас примерно по одной и той же "цене" (время/энергия/мощность).

[alex_semenov]

Надо же ПН разгонять, а не протоны.

Да, но парусник не может идти быстрее вертра. Так ведь?
(хотя недавно видел фильм про парусный спорт и там как раз говорилось что скоростной катамаран как раз идет быстрее ветра! Но там, как я понял, речь шла о том, что такой катамаран ловит порыв (всплеск скорости ветра) и поймав, с него не слазит.)

То, что паруса для МП не пойдут, ясно сразу. Нужна простая и наглядная иллюстрация сего факта.

Ну почему же сразу не может? Мэтлофф как раз показывает, что надежда все же есть! Почитайте его статью!
Все зависит от того на какую длительность полета мы готовы согласиться. Да к тому же и от того, какие технологии в будущем будут продвинуты, а какие навсегда застрянут. Вот если не заладится у нас с управляемым термоядом  НАВСЕГДА (мога быть? Вполне!) тогда…
Опять же. Представьте на секунду, что лет через 100 или 300 появится ИИ, появятся нано или микромашины, саморепликаторы, появятся те самые перфорированные паруса… А вот ожидаемые нами термоядерные реакторы - … пшик… Можно такое представить? Вполне. Тогда тоненкий распределенный по всему парусу робот вполне может выдержать выстрел от Солнца… да такой что лет через 300-500 и окажется у цели… Дешево и сердито. Без всяких инфраструктур в космосе…

100 м/с2 вряд ли возможное ускорение для паруса (на орбите Земли) а вот 5 или 0.5 - почему бы и нет?

[alex_semenov]

Вот, например http://go2starss.narod.ru/pub/E014_PPV.html

Вы можете понять, что при достижении скоростного паритета с Солнечным ветром вместо изначально набегающих 500 км/с будет ноль ?

Это вы мне?