Космический парусник: имеет ли он смысл?

[alex_semenov]

Но если плотность в 100 раз меньше то то на то и выходит.

Согласно аглицкой педии, частиц гелия 9%, т.е. по массе - 36%. Непонятно, откуда вы взяли "в 100 раз меньше плотность". В реальности, думаю, масса гелия будет около 25%.

Хотел было поспорить (опираясь на давние страдания по поводу двигателя Бассарда, мол там жечь нечего) но полез посмотреть сам. Действительно.
 
Аберрация, видимо связана с тем, что я спутал долю гелия с долей гелия-3 или даже дейтерия (которые можно жечь в Бассарде). Гелия во вселенной сейчас до 28%. Но это общая доля. А в межзвездной среде его действительно может быть по массе до трети.

Соответственно, получается, что чем тяжелее ион, тем меньше их пространственная и массовая плотность, но тем выше пик Брэгга будет для них. Когда покажете пики Брэгга для протона, альфа-частицы, ядра углерода, кислорода, кремния и железа, тогда и сравним, что вносит наибольший вклад. Пока же утверждать про то, что вклад всего кроме протонов пренебрежимо мал - нельзя. Вклад гелия оказался уже сравним (если не превосходит) со вкладом водорода. И это было неочевидно.

Просто для водорода энерговыделение на пике настолько небольшое что вряд ли другие элементы создадут погоду. НО САМОЕ ГЛАВНОЕ. Если в сплошном щите звездолета (см график выше) на скорости 0.1с водород  не создает особых проблем со сливом энгнии столкновения, то все остальные элементы тем более не создадут. Ибо массовя доля этих других элементов как ни крути тут не играет уже существенной роли.

Кстати, мне понравилось, как у вас лихо 0,74 Вт/м² превратились через строчку в "менее чем джоуль на кв. метр". У вас что, парус разгоняется не более секунды? Энергия пули тоже всего несколько Дж, однако на разрушения она способна. В течение месяца, если обстреливать по одной пуле в секунду, можно и целый лесок срубить...

"Меньше чем джоуль за секунду на кв.метр" Я забыл про секунду. Но это не принципиально. А в чем тут проблема?
ЕЩЕ РАЗ
Труба длинной 0.032с*1с (посчитайте сами я файлик где это считал уже закрыл без сохранения). В ней равномерно распределен водород. Каждый квадратный метр паруса пролетая эту дистанцию за секунду РАВНОМЕРНО собирает все эти водородинки (гелиенки, кислородинки…) собой. Если они при этом тормозятся в парусе, то это и означает равномерное выделение их эм-вэ-квадрат-на-два в ТЕЧЕНИИ ЭТОЙ СЕКУНДЫ.
Какие проблемы?
Джоул за секунду - ватт. Чуть меньше ватта на квадратный метр.
Как тут ни крути - ничего не выкрутишь!
А вот пылинка, зараза, - это концентрированный удар энергии. Пылинка встречается на кв см одна на 10 000 000 000 000 см. Посчитайте на 0.1с сколько секунд между столкновениями. У меня получилось чуть  меньше часа. 55 с половиной минут на кв. см. Но если такая пылинка встретилась -  происходит концернтированный удар. И даже очень небольшая часть этой энергии будет тяжело слить так быстро (за секунду). Эта энергия пойдет на разрушение паруса. На выжигание той злосчастной "дырки", которую мы никак не можем оценить.

[alex_semenov]

Итак, для водорода и гелия максимумы энерговыделения я получил предварительно в 57 кэв и 84 кэв (исходя из толщины алюминиевого паруса 0,000135 г/см2). Видно, что скорость для альфа-частиц оказалась даже меньше, чем скорость для протонов (как ни странно), но энергия, передаваемая альфа-частицей парусу получилась всё-таки больше. Для ядер углерода AlexAV указал предельную скорость в 0,025С, что равно энерговыделению в 3,5 мэв. Теперь идём и смотрим распространённость элементов в Галактике, видно, что умножение энерговыделения частицы на её распространённость даёт примерно следующие соотношения для водорода, гелия и углерода - 21:10:8. Таким образом, вклад всё более тяжёлых элементов снижается, хоть и достаточно медленно. Вот я и опроверг собственную гипотезу о росте вклада с увеличением атомной массы.

Для полноты картины будет достаточно учесть водород и гелий, а если хочется точнее, то водород, гелий, кислород, неон и железо. Массовый вклад остальных атомов меньше 1:1000, поэтому не берётся в рассмотрение. Пробега ионов кислорода, неона и железа в алюминии, к сожаленью, не знаю.

Если писать обширную статью по воздейстию межзвездной среды на парус, то вашу проблему неприменно надо будет рассмотреть. Мол и этот нюанс не упустили. Мол, если кому вздумается зацепиться за это - то и тут все пучком.  Это добавит солидности работе.

В любом случае вы молодец что вцепились в этот нюанс. Действительно, нельзя было все это оставлять открытым.
Но для нас, тут собравшихся, диссертациев не защищать, солидности не набирать.
Нам не шашечки. Нам ехать.
А ехать мы не можем из-за незнания размера дырки. 
Размер дырки (именно дырки! не отверстия! а именно дырки!) от пылинки - ключевой вопрос. Главный. По предварительным оценкам (которые надо уточнять) если она в 10-100 раз больше диаметра пылинки, парус прорывается к звездам. Если больше в 1000 в 10 000 - нет.

[dimetrigontchev]

Размер дырки (именно дырки! не отверстия! а именно дырки!) от пылинки - ключевой вопрос. Главный. По предварительным оценкам (которые надо уточнять) если она в 10-100 раз больше диаметра пылинки, парус прорывается к звездам. Если больше в 1000 в 10 000 - нет.

Позвольте, но исходя из чего сделано предположение, что при скоростном столкновении пылинки и материала паруса будет пробоина диаметром 10-100 раз большим, чем диаметр пылинки? Вам наверняка доводилось смотреть скоростную съемку взаимодействия пули и твердой мишени (типа Полет Пули, Снятый с Частотой 1 000 000 Кадров в Секунду). Обратите внимание, диаметр выходного начального отверстия (после пробоя) мало отличается от диаметра пули. Огромная сеть осыпающихся трещин - результат воздействия ударной волны, если полет/столкновение пули происходит в плотной газовой среде. Если фактический вакуум - ударной волны вообще нет.

[vsevolodson]

А в чем тут проблема?
ЕЩЕ РАЗ
Труба длинной 0.032с*1с (посчитайте сами я файлик где это считал уже закрыл без сохранения). В ней равномерно распределен водород. Каждый квадратный метр паруса пролетая эту дистанцию за секунду РАВНОМЕРНО собирает все эти водородинки (гелиенки, кислородинки…) собой. Если они при этом тормозятся в парусе, то это и означает равномерное выделение их эм-вэ-квадрат-на-два в ТЕЧЕНИИ ЭТОЙ СЕКУНДЫ.

Нет. Пик Брэгга вовсе неравномерен и будет у задней границы толщи паруса - в критическом положении. Энергия будет превращаться не в тепло, а в кинетическую энергию разлетающихся электронов и ионов алюминия. В тепло уйдёт мало, по той же причине, почему в стекле пуля оставляет ровное отверстие. Вот берите 0,74 Вт/см² (правильность я ещё не проверял), на это делите  энергию плавления (или испарения) алюминиевого листа в квадратный метр толщиной 1,35*10^-4 кг/м² и получите время ПОЛНОГО, до последней капли, уничтожения паруса. На деле надо брать величину процентов 10-30 - дальше парус сам разорвётся в клочья зарядом, тягой и усё.

[vsevolodson]

Александр, картинка неправильная. Вы знаете чем отличается входное пулевое отверстие от выходного? Пуля в среде образует конус выбиваемого материала. И соотношение отверстий зависит от скорости звука в среде. Здесь будет 1/10 - будет зависимость от скорости пылинки по отношению к скорости света.

[AlexOrex]

Размер дырки (именно дырки! не отверстия! а именно дырки!) от пылинки - ключевой вопрос. Главный. По предварительным оценкам (которые надо уточнять) если она в 10-100 раз больше диаметра пылинки, парус прорывается к звездам. Если больше в 1000 в 10 000 - нет.

Итак, что нам нужно для опыта? Ускоритель, способный разгонять пылинки (электростатически, что ли?), скажем, железа, до 0,1 световой. Кусок алюминия минимально доступной субмикронной толщины. Это реально на нашем технологическом уровне?

PS. О! Патент нашел подходящий: УСКОРИТЕЛЬ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

[alex_semenov]

Александр, картинка неправильная. Вы знаете чем отличается входное пулевое отверстие от выходного? Пуля в среде образует конус выбиваемого материала. И соотношение отверстий зависит от скорости звука в среде. Здесь будет 1/10 - будет зависимость от скорости пылинки по отношению к скорости света.

То есть, выходное будет в 1/10 шире чем входное? А как тут участвует толщина препятствия?

Я про конус думал с самого начала.
Но именно потому что не знаю как его посчитать оставил все так. Да, скорей всего будет именно конус. И тогда большая масса будет выбита и большая часть (не 3/4) энергии будет выделена. Скажем не 75% а 80 или 85%.
Я не думаю что вопрос о конусе сильно изменит суть вопроса о диаметре дырки. Ясно что даже вопрос о соотношении Q1/Q2 не столь важен, как процессы идущие с энергией далее в парусе. Они и будут решающими для определения диаметра дырки.

[alex_semenov]

Кусок алюминия минимально доступной субмикронной толщины. Это реально на нашем технологическом уровне?

Мне кажется - нет. Разогнать 30 нм частичку (не важно из чего) до 0.1с - это за пределами современных технологий, кажется...
Хотя может я чего-то не знаю?

[alex_semenov]

Позвольте, но исходя из чего сделано предположение, что при скоростном столкновении пылинки и материала паруса будет пробоина диаметром 10-100 раз большим, чем диаметр пылинки? Вам наверняка доводилось смотреть скоростную съемку взаимодействия пули и твердой мишени (типа Полет Пули, Снятый с Частотой 1 000 000 Кадров в Секунду). Обратите внимание, диаметр выходного начального отверстия (после пробоя) мало отличается от диаметра пули. Огромная сеть осыпающихся трещин - результат воздействия ударной волны, если полет/столкновение пули происходит в плотной газовой среде. Если фактический вакуум - ударной волны вообще нет.

Спасибо за интересное кино. Я как раз так ведь и мыслил изначально. Хотя я думаю что на скростятх в 10 000 раз больших чем у пули (и при отношении энергии к импульсу во столько же раз большем) картина будет сильно отличаться. Интуиция нам мало поможет.

Речь о чем? Пуля проходя сквозь преграду выходит и уносит часть материала преграды (обычно он разбрызвивается осколками на кадрах). Но само пулевое отверстие ведь нагревается. Верно? Это энергия деформации. Неупругого соударения. Так вот. В нашем случае энергия деформации будет просто чудовищной. На каждый килограмм-метр за секунду импульса, джоулей  энергии в 10 000 раз больше чем у вашей пули. И даже если небольшая часть этой энергии попадет через стенки пулевого отверстия на преграду, она как раз и выжгет в препятствии дырку много большего диаметра, чем само пулевое отверстие. Во сколько раз? Вопрос который тут и обсуждается.

[alex_semenov]

Нет. Пик Брэгга вовсе неравномерен и будет у задней границы толщи паруса - в критическом положении. Энергия будет превращаться не в тепло, а в кинетическую энергию разлетающихся электронов и ионов алюминия. В тепло уйдёт мало, по той же причине, почему в стекле пуля оставляет ровное отверстие. Вот берите 0,74 Вт/см2 (правильность я ещё не проверял), на это делите  энергию плавления (или испарения) алюминиевого листа в квадратный метр толщиной 1,35*10-4 кг/м2 и получите время ПОЛНОГО, до последней капли, уничтожения паруса. На деле надо брать величину процентов 10-30 - дальше парус сам разорвётся в клочья зарядом, тягой и усё.

Нет. если вы хотите рассматривать каждую частицу как ОТДЕЛЬНЫЙ снаряд, то брать надо не суммарную энергию всех частиц (это будет мухлеж какой-то), а именно энергию этой частицы и смотреть что реально эта частица может наделать в 30 нм алюминия.
Берите энергию атома водорода, гелия, кислорода, углерода, железа, урана... И смотрите что случиться в нашей преграде при скорости частицы в 0.1с!
А суммарная энергия всего потока  тут тогда  ни причем! А она менее ватта на кв. метр. Просто смешная. И я считаю (на глаз) что даже атом алюминия вряд ли натворит заметных макроизменений так как это способна пылинка (где тысячи если не миллионы таких атомов. Кстати, надо посчитать сколько в 30 нм пылинке атомов....).

[dimetrigontchev]

Спасибо за интересное кино. Я как раз так ведь и мыслил изначально. Хотя я думаю что на скростятх в 10 000 раз больших чем у пули (и при отношении энергии к импульсу во столько же раз большем) картина будет сильно отличаться. Интуиция нам мало поможет.

Речь о чем? Пуля проходя сквозь преграду выходит и уносит часть материала преграды (обычно он разбрызвивается осколками на кадрах). Но само пулевое отверстие ведь нагревается. Верно? Это энергия деформации. Неупругого соударения. Так вот. В нашем случае энергия деформации будет просто чудовищной. На каждый килограмм-метр за секунду импульса, джоулей  энергии в 10 000 раз больше чем у вашей пули. И даже если небольшая часть этой энергии попадет через стенки пулевого отверстия на преграду, она как раз и выжгет в препятствии дырку много большего диаметра, чем само пулевое отверстие. Во сколько раз? Вопрос который тут и обсуждается.

Безусловно в лабораторных условиях такого соударения (макротело на скорости 0,1С) смоделировать натурно пока невозможно. Но, не факт что энергия, выделяющаяся за время взаимодействия, полностью уйдет на прожигание дыры в парусине. Она может уйти на испарение самой пылинки уже после ее пролета через парусину, таким образом не нанеся самому парусу заметного повреждения. Конечно сравнение - не доказательство, но мне вспоминается одна страшная авария, свидетелем которой я был. Мотоциклист (на скорости вероятно куда больше 200км/ч) навылет пробил автобус. Вероятно его подкинуло на какой-то кочке. В бочинах автобуса - две аккуратные дыры по контуру. От мотоцикла и этого психа - вообще мало что осталось, поскольку бензобак сдетонировал на вылете.

[vsevolodson]

То есть, выходное будет в 1/10 шире чем входное?

Нет, будет в 10 раз больше поперечником.

[vsevolodson]

А суммарная энергия всего потока  тут тогда  ни причем! А она менее ватта на кв. метр. Просто смешная.

1) Эта энергия была вроде как только для нейтрального водорода, который даже ещё не весь водород.
2) Ватт на кв. м. испарит кв. м. паруса за определённое конечное время. Потому что этот ватт почти весь будет переходить в вышибание и термоэлектронную эмиссию.

[vsevolodson]

Нет. если вы хотите рассматривать каждую частицу как ОТДЕЛЬНЫЙ снаряд, то брать надо не суммарную энергию всех частиц (это будет мухлеж какой-то), а именно энергию этой частицы и смотреть что реально эта частица может наделать в 30 нм алюминия.

Мне это как-то неочевидно. При попадании пылинки в парус она просто тут же превращается в конус разлёта ионов и электронов в парусе. Связь между частицами пылинки уже не играет дальше никакой роли.

[alex_semenov]

Безусловно в лабораторных условиях такого соударения (макротело на скорости 0,1С) смоделировать натурно пока невозможно. Но, не факт что энергия, выделяющаяся за время взаимодействия, полностью уйдет на прожигание дыры в парусине. Она может уйти на испарение самой пылинки уже после ее пролета через парусину, таким образом не нанеся самому парусу заметного повреждения.

Смотрите мой рисунок:



На 3-й картинке есть две велечины Q1 и Q2
Видите?
Я  и задавал два вопроса:
1 Какая доля энергии деформации (которую я четко вычисляю из закона сохранения импульса и закона сохранения энергии, тут нет ни единого сомнения что я это делаю верно В данном случае это 3/4 от эм-вэ-квадрать-на-два) забирает уносящаяся масса Q1, а какую забирает препятствие Q2.
И вот тут  я делал предположения.
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,101037.msg2220701.html#msg2220701
Хотя очень мутные.
Далее. Даже если стенке достается 1% - это все равно очень много. Легко посчитать. Если вся эта энергия пойдет на испарение тонкого паруса, дырка будет ну очень большой!
Понимаете?
Но скорей всего этого не случиться. Скорей всего эта чудовищная энергия, собравшаяся в очень маленьком объеме найдет куда более выгодный ей путь рассеется, диссипировать. И я предположил, что будет просто электронный взрыв. То есть "пуля"  после своего прохождения создаст зону, из которой во все стороны брызнут электроны. И чем шире эта зона будет становиться, тем больше электронов брызнет наружу. То есть процесс роста дырки будет себя душить. Кроме того. В дырке появится огромный положительный заряд и это приведет к тому что из тела паруса к зоне "пожара" хлынут холодные электроны. Сдается мне, это сильно снизит скорость расширения дырки.
Но это все - фантазии.
Пока нет количественной модели - мы теряемся в догадках и мечтаниях.

[alex_semenov]

Нет, будет в 10 раз больше поперечником.

А как же кино с пулями?

[vsevolodson]

А как же кино с пулями?

В пуле энергетика не та, энергия распостраняется со скоростью звука, а не света.

[dimetrigontchev]

1 Какая доля энергии деформации (которую я четко вычисляю из закона сохранения импульса и закона сохранения энергии, тут нет ни единого сомнения что я это делаю верно В данном случае это 3/4 от эм-вэ-квадрать-на-два) забирает уносящаяся масса Q1, а какую забирает препятствие Q2.
И вот тут  я делал предположения.

Интуиция подсказывает, что Вы делаете ошибочное допущение, предполагая, что заметная величина энергии пылинки (которая достаточно велика, чтобы не пренебрегать ею в расчете) уйдет на деформацию парусины в зоне взаимодействия.  Время взаимодействии в первом приближении - исчезающе мало. Ну скажем для пылинки ну пусть 1 микрон на скорость 0,1С это  что-то "десять в минус 14-15 степени" секунды. Парусина просто не успеет "прогнутся". То есть вся энергия уйдет на пробой/нагрев пылинки.
Тут есть другая засада - алюминий, который обладает (как металл) высокой теплопроводностью и электрической проводимостью. А именно: когда-то интереса ради делал (сам) электростатические излучателя звука. Ротор - микронная лавсановая пленка металлизированная алюминием (в нее букеты цветом паковали). Напряжение поляризации - несколько КВ, зазор между ротором и статором: чем меньше - тем лучше. Пробои неизбежны, но из-за алюминия каждый разряд прожигал в пленке дырищу но 1 см диаметра. Однако замена алюминия на графит (тонкий слой с очень высоким погонным сопротивление десятки МОм на 1 см.) полностью решило проблему. Пробои остались, но они жгли дырку с микронным диаметром (которою под микроскопом полдня ищешь).

[dimetrigontchev]

В пуле энергетика не та, энергия распостраняется со скоростью звука, а не света.

А если скорость пули выше, чем скорость звука в материале мишени?

[vsevolodson]

По вашим рассчётам получается, что для сноса здания потребуется энергия, чтобы его полностью его испарить - т.е. целая ядерная бомба. На практике достаточно динамитных шашек на несущих балках. Так и с парусом - достаточно, чтобы набегающая среда снизила его прочность, а статический заряд уже довершит дело по разрыванию паруса в клочки.