Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[AlexOrex]

Сухая масса - 1 млн т (легонький такой корабль поколений).

Такие сооружения не для нашей цивилизации в обозримом будущем.
А нам можно расчитывать на автоматический зонд массой до 1 т, ну, максимум - 10т, если строить всем миром втечении 10-20 лет

Разумеется, звездолеты поколений вообще не для обозримого будущего (в обозримом "продленном настоящем"(с), ИМХО, самое оптимистичное - глубокое бурение на Марсе, интерферометр в космосе и зонд со взятием образцов на Европу или Энцелад, куда там на звезды замахиваться). Тут обсуждается принципиальная возможность хоть как-то долететь на корабле с ЭРДУ (не буду сужать до ионника).
Можно взять за разумный минимум ПН 10 тонн: аппаратура и камеры-телескопы, разворачиваемая антенна (лазер) для связи с Землей, посадочный аппарат хотя бы уровня MSL "Curiosity" (флайбай не рассматриваю - все, что он даст, можно увидеть в телескопы из Солнечной системы) и сухую массу корабля 100 тонн (реакторы, радиаторы, дистанционный щит из фольги, запас топлива, баки и конструкции). Тогда стартовая масса составит 2500 тонн (2400 т. аргона или ксенона запускаются в капсулах с Земли морской электромагнитной катапультой), а мощность двигателей упадет до 25 МВт (при 400 годах разгона и 100 годах торможения). Масса энергетической установки даже при 1 т/МВт окажется порядка 25 т, и надо будет очень постараться ее уменьшить. Площадь радиатора (1000К, сливает паразитные 58 МВт) составит минимум 1100 м² (двухсторонний лист 24х23м) , масса (из расчета 0,2 кг/кВт) будет равняться 11-12 т. Запас ядерного топлива (при условии его полного "сжигания" и выброса продуктов в качестве рабочего тела) составит 16 т. Масса двигателей на 25 полезных МВт... ВАСИМР 6-мегаваттный оценивается в 10 тонн, тут будет минимум 30, но возьмем оптимистично 15. Итого 100-10-25-12-16-15 = 22 тонны осталось на баки, щит и конструкцию .
Осталось разработать реакторы и двигатели, способные работать 400 лет и включиться через тысячелетие лет еще на век, и аппаратуру зонда, способную пережить 1500-летний перелет .
Примечание - по мере приближения ионолета к Альфе Центавра, звезда немного подлетит в нашу сторону. Если подождать 27000 лет, расстояние до Альфы уменьшится на 1 св. год. Или подождать 427 тыс. лет до Глизе 474 (сблизится до 1 св. года.). Эх, жалко, 550 тыс лет назад хороший двойник Солнца пролетел - опоздали чуток!
Вот для гипотетических жителей Альфы Центавра и прочих кратных систем и скоплений ионник - вполне годится для звездолета.

[AlexOrex]

1) выбросьте сетки с электродами, они не выдержат и нескольких месяцев постоянной работы;

При всем уважении, нескольких лет, возможно и десятков
http://i-future.livejournal.com/651194.html
Сколько электродов у них сгорело, не сообщается, а было бы интересно.
А так, со всем согласен.

[Андрей Курилов]

Эх, жалко, 550 тыс лет назад хороший двойник Солнца пролетел - опоздали чуток!

Усвойте наконец уже, что для осуществляющих межзвёздные перелёты планеты становятся раз и навсегда более НЕ НУЖНЫ.
Посему куда вкуснее была звезда дзета Зайца, сближавшаяся с Солнцем 860 тыс. лет назад. Среди других ближайших звёзд, явно имеющих массивные пояса/диски астероидов/комет - эпсилон Эридана, тау Кита, Вега, Фомальгаут, бета Живописца и пр.: http://en.wikipedia.org/wiki/Debris_disk#Known_belts

[Андрей Курилов]

При всем уважении, нескольких лет, возможно и десятков

При тяге в миллиньютоны И низком УИ такое возможно, да. Но для звездовоза придётся выжать максимум как тяги, так и УИ, что резко ускорит эрозию всего, что входит в контакт с плазмой.

[alex_semenov]

1) выбросьте сетки с электродами, они не выдержат и нескольких месяцев постоянной работы;

При всем уважении, нескольких лет, возможно и десятков
http://i-future.livejournal.com/651194.html
Сколько электродов у них сгорело, не сообщается, а было бы интересно.
А так, со всем согласен.

Спасибо! А кстати, что там за двигатель? Там действительно классический ионник с сеткой?



Или на эффекте Холла (без сетки)?



145 000 км/ч это 40,2 км/с. Очень хороший параметр… Но я утверждаю, что если скорость истечения возрастет в 100 раз, то секундный расход топлива уменьшится в 10 000 раз (если сохраниться мощность) и в 100 раз (если сохранить тягу). А значит и износ сетки упадет на пару порядков точно. То есть заставить такой двигатель работать не 5 а 500 лет, наверное можно уже сейчас без всяких ухищрений.

[alex_semenov]

А кстати, что там за двигатель? Там действительно классический ионник с сеткой?Или на эффекте Холла (без сетки)?

Я, кажется, вижу что тут именно классическая сетка.  Посмотрел фото NEXT PM .



Это явно классический, сеточный ионник.
У ионника на эффекте холла выхлоп выглядит не так.
Вот как:



Он кольцом.

[alex_semenov]

При всем уважении, нескольких лет, возможно и десятков

При тяге в миллиньютоны И низком УИ такое возможно, да. Но для звездовоза придётся выжать максимум как тяги, так и УИ, что резко ускорит эрозию всего, что входит в контакт с плазмой.

УИ (или скорость истечения) действительно придется увеличить на пару порядков. Но тягу? Вы уверены?
Смотрите.
Сейчас ионник (допустим) разгоняет корабль до скорости ~40 км/с за 5 лет. А межзвездный ионник будет разгонять до ~4000 км/с (допустим) тот же корабль за 500 лет. Ясно что у обоих кораблей УСКОРЕНИЕ одинаковое. А значит (при прочих равных)  и тяга - одна и та же.
В ускорении мы ограничены не столько по двигателю (его ничтожной тягой) сколько по удельной мощньсти корабля (по удельной мощности питающей ионный двигатель энергоустановке).  Тут главный ограничитель не ионный двигатель, не его сетка, а именно энергоустановка.  А у нее (как мне кажется) ахелесова пята, самое напряженное место - радиатор. Не зря у всех ионников "на картинках" такие большие "крылья".

[Андрей Курилов]

А межзвездный ионник будет разгонять до ~4000 км/с (допустим) тот же корабль за 500 лет.

Вы наступили в капкан.
Дело в том, что при постоянной дистанции перелёта (положим, 2-3 пк), чем больше макс. скорость, тем меньше время разгона. С ростом макс. скорости тяга должна расти ещё быстрее. Если макс. скорость у вас 4000 км/с, то нет смысла разгоняться 500 лет, так как с такой скоростью звездовоз преодолевает 2 пк и время разгона+торможения у вас становится больше либо равно времени полёта. А смысла устраивать перелёт более чем на 2-3 пк тоже нет.

Тут главный ограничитель не ионный двигатель, не его сетка, а именно энергоустановка.  А у нее (как мне кажется) ахелесова пята, самое напряженное место - радиатор.

Именно это я уже говорил в сообщении №161.

[alex_semenov]

Вы наступили в капкан.
Дело в том, что при постоянной дистанции перелёта (положим, 2-3 пк), чем больше макс. скорость, тем меньше время разгона. С ростом макс. скорости тяга должна расти ещё быстрее. Если макс. скорость у вас 4000 км/с, то нет смысла разгоняться 500 лет, так как с такой скоростью звездовоз преодолевает 2 пк и время разгона+торможения у вас становится больше либо равно времени полёта. А смысла устраивать перелёт более чем на 2-3 пк тоже нет.

Я тут говорю фигурально. Упрощенно. Сколько на самом деле надо - это конечно надо считать специально. И мы же уже умеем все это считать!



Но если на пальцах (оценочно, как капитан Коршун любил ), то смотрите.
Если у обычного межпланетного ионника удельная мощность 10 Вт/кг, а наш расчет требует от ионного звездолета 10 000 Вт/кг, то  это означает "при прочих равных" возрастание ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ в 1000 раз.
А теперь смотрим.



Удельная мощность увеличилась в 1000 раз, а скорость истечения в 100 раз. То есть, вы  правы. Тяга тоже должна увеличится в 10 раз. То есть не все так просто. Но и не так (на первый взгляд) катостафически. По-сути вам нужно поставить в 10 раз больше двигателей на тот же корабль, облегчив каждый в 10 раз, если масса ионника сама по себе играет заметную долю в массе корабля. Но глядя на всякие там картинки ионных кораблей, я же вижу что сами ионники имеют массу не более 1/100 от массы всего пустого корабля.  Даже если нам не повезет снизить массу отдельного двигателя, придется пойти на то что двигатели займут ~1/10 массы пустого корабля.   Неприятно но терпимо.
То есть тут у нас явно есть люфт, конструкционный запас.

[alex_semenov]

В одной из смежных тем было убедительно показано ув. Alex AV что с помощью электроракеты практически невозможно достичь скорости C/100. Для скорости до C/1000 проблем особых нет, но здесь есть куда более простые и дешёвые способы разгона "скребя о звезду".

Да вот, в сущности три ключевых его сообщения:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2637116.html#msg2637116
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2637706.html#msg2637706
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2638306.html#msg2638306
В последнем оценка Алекса:

Если прикинуть, то сам ваш движитель 1,6 кг/кВт.
Реактор (по тепловой мощности) 0,1 кг/кВт
Турбина -  3 кг/кВт
Капельный излучатель-холодильник – 0,2 кг/кВт (излучаемой мощности)
КПД преобразования – 30%
Электрический генератор – 2 кг/кВт
Прочая электроника и электропроводка корабля – 1 кг/кВт
В сумме для двигательной установки оценочно – 8,4 кг/кВт

Пусть ПН и прочие конструкции равна по массе двигательным системам, тогда полная энерговоружённось к сухой массе около 60 Вт/кг.

Время подлёта к альфе центавра с учётом торможения при такой энерговооруженности – 2300 лет, оптимальный УИ – 1700 км/с.

P.S. Цифры оценочные, ближе к оптимистическому полюсу.

Но насколько это заднее слово?
Разумеется это оптимистичная оценка, но это оценка по всем ИМЕЮЩИМСЯ УЖЕ СЕЙЧАС технологиям и это очень прямолинейный подход к конструкции.
Неужели ничего тут нельзя все-таки ужать в дальней перспективе?
Кроме того. Оптимизм тут очень скоромный, надо сказать. Скорей реализм.
Скажем, оценки по капельным радиаторам. 0,2 кг/Квт это 5 Квт/кг. Это далеко не оптимизм! Оптимизм порядка 30 Квт/кг!
Далее. А нам обязательно использовать турбину?
А нельзя ли обойтись термоэмиссионным преобразователем? Низкий кпд? А нам больше 10-15% и не понадобится! Если мы гонимся за удельной мощностью, то мы будем расплачиваться высокой температурой радиатора, а значит низким КПД электрического генератора.

Об эффекте Оберта.  Да, параметры обеих систем (непрерывно работающий ионник) и быстрый маневр у звезды где-то то на то и выходит ЕСЛИ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ВЗРЫВОЛЕТ!

Вот  прикидка маневра у Солнца (на разгон):


https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112988.msg2684675.html#msg2684675

Максимальная, разумно достижимая скорость для взрыволета тут порядка 500 км/с (при собственном приащениии в 200 км/с). Преимущество этой схемы - мы тут имеем примерно мгновенное ускорение и торможение. По моим грубым оценкам постоянно ускоряющаяся и тормозящая ракета, которая летит ту же дистанцию за то же время что и мгновенная (см рисунок) имеет в пике в два раза большую скорость.


https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,96692.msg2723461.html#msg2723461

То есть 1000 км/с.
Но у Алекса удельный уи 1700 м/с. Отсюда я смело считаю дельта-вэ 1700/0.62~2700 м/с. Делим попалам (разгон-торможение) - получаем пиковую скрость. 1370 м/с.
То есть ракета Алекса прилетает чуть быстрей чем взрыволет.
Достоинство взрыволета - он летит свои тысячелетия с выключенным двигателем, но взрыволет испытвает большие перегрузки при старте и торможении. Так что тут тяжело сказать, что лучше что хуже.
Оба подхода дают примерно одинаковый срок. Пару тысяч лет полета до ближайшей звезды.

[alex_semenov]

Специально добавлю! А то народ запутается в моих упрощениях. Последний график - это не ракета. Это некий идеальный звездолет постоянно разгоняющийся с постоянным ускорением (у ракеты ускорение равномерно растет и картина сложней). Если вы хотите сделать правильный расчет ракеты, то его можно сделать по рисунку сообщением выше (там есть почти все для этого). Но я,  делая грубые прикидки "на пальцах" (на ходу), допустил что можно считать ракету Алекса как мой идеальный звездолет. Различия есть, но они не очень велики и их можно округлить, если мы 1000 и 1300 считаем равными числами.

[Андрей Курилов]

Об эффекте Оберта.  Да, параметры обеих систем (непрерывно работающий ионник) и быстрый маневр у звезды где-то то на то и выходит ЕСЛИ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ВЗРЫВОЛЕТ!

О боги, что вы наделали.
1) Разгон на 200 км/с за время чуть более часа равно ускорению 5g.
2) Так как взрыволёт даже во время разгона 99.9% времени никуда вообще не ускоряется, то пиковые ускорения при взрывах должны составить 5000g.
Это никуда не годится, если я правильно понимаю. Эффект Оберта итак весьма ограничен сверху перегрузками из-за малого времени разгона, так вы ещё и разгонять отдельными редкими пенделями предлагаете на критическом участке! Эффект Оберта годится лишь с условием использования энергии звезды. Либо ТфЯРД и манёвр около газового гиганта, если это межпланетный перелёт.

[alex_semenov]

О боги, что вы наделали.
1) Разгон на 200 км/с за время чуть более часа равно ускорению 5g.
2) Так как взрыволёт даже во время разгона 99.9% времени никуда вообще не ускоряется, то пиковые ускорения при взрывах должны составить 5000g.
Это никуда не годится, если я правильно понимаю. Эффект Оберта итак весьма ограничен сверху перегрузками из-за малого времени разгона, так вы ещё и разгонять отдельными редкими пенделями предлагаете на критическом участке! Эффект Оберта годится лишь с условием использования энергии звезды. Либо ТфЯРД и манёвр около газового гиганта, если это межпланетный перелёт.

Откуда час?
Разгон (правда равноускоренный) длиться 20 часов (то есть не меньше 20 часов!) (темно-синий график) и ускорение менее 3 g (коричневая кривая). При этом речь шла о взрыволете, который взлетает прямо с Земли. Суперорион.
А ему сам бог велел выдерживать ускорения в 3g. Иначе он из гравитационной ямы планеты просто не выберется.

[Андрей Курилов]

Откуда час?

Виноват, график внимательно не смотрел, а исходил из того, что при параболической/гиперболической траектории глубоко в гравияме Солнца больше часа находиться не получится. Давайте посмотрим. У вас коэффициент умножения скорости на бесконечности равен 500/200 = 2.5. По формуле эффекта Оберта получаем при известном дельта-вэ вторую космическую скорость в перигелии равную 1050 км/с. Для Солнца максимальная составляет 617 км/с вообще-то (уже прямо на поверхности). Где-то ошибка.

ускорение менее 3 g

Ну тогда всё равно получится пиковая нагрузка в несколько тысяч же. Как минимум.

длиться

http://www.tsya.ru

[alex_semenov]

Ну тогда всё равно получится пиковая нагрузка в несколько тысяч же. Как минимум.

Я беру ускорение "кабины". То что творится с разгонной пластиной, амортизаторами - это уже детали работы самого двигателя.

Об ошибке.
Гм… У меня нет под рукой того расчета… Но скорей всего вы правы…
Я сейчас, просто для проверки, взял радиус Солнца 695 500 км и посчитал пол окружности (пи()*R), разделил на 617 км/с, получилось менее часа. Это просто облет. Значит разгон никак не может быть дольше!

Хотя я брал орбиту выше (в полтора раза) но это не даст порядок. Даст порядка 2-х часов. Где-то что-то там я нахамутал с порядком (у меня там были мутки с единицами измерения километры-метры, видимо где-то действительно лажанулся)…
Приду домой - посмотрю где.

Гм… тогда время на графике надо делить на 10 а ускорение увеличивать на 10. 30g - это действительно нереалистично…
Обидно, досадно… но что поделать?


Ну тогда что получается?  Нельзя, раскачегарить Супер Орино  до 500 км/с на Оберте?
Тогда получается что постоянно ускоряющийся ионник все-таки ЛУЧШЕ взрыволет+Оберт и тем более лучьше вашего глиссера! То есть тем более есть смысл считать именно постоянно включенный ионник как самый реалистичный проект межзвездного корабля!

[вячеслав27]

Или на эффекте Холла (без сетки)?

первая картинка красивее.

[alex_semenov]

первая картинка красивее.

А по-моему вторая...

[Андрей Курилов]

Нельзя, раскачегарить Супер Орино  до 500 км/с на Оберте?

Нельзя. Да и не нужно. Обертов финт ушами хорош для случая небольшого по величине и длительности ускорения. Чем меньше дельта-вэ, тем больше коэффициент его умножения и тем больше экономия рабочего тела. Чем короче импульс в перигелии, тем лучше он укладывается в участок траектории с максимальной второй космической скоростью.

Для больших дельта-вэ во первых будет неизбежно расти время разгона, портя коэффициент умножения. Во-вторых, коэффициент умножения будет сам по себе уменьшаться при увеличении дельта-вэ (следует прямо из формулы). Поэтому, собственно, большой разницы между 200 и 500 км/с особо и нет.

[alex_semenov]

Для больших дельта-вэ во первых будет неизбежно расти время разгона, портя коэффициент умножения. Во-вторых, коэффициент умножения будет сам по себе уменьшаться при увеличении дельта-вэ (следует прямо из формулы). Поэтому, собственно, большой разницы между 200 и 500 км/с особо и нет.

на первом графике (делал в спешке и даже не подписал) как раз синяя кривая (светло-синяя) и есть коэффициент "усиления". То, о чем вы говорите. Видно очень хорошо.
Да, на больших скоростях эффект уменьшается, но все равно абсолютный выигрышь ведь растет! Было бы очень круто разменять 200 км/с на 500 км/с.
Вообще все это прикидывалось для перелета на 10 000 а.е. при сближении Солнца с какой-нибудь подходящей звездой. И предполагалось, что суммарная дельта-вэ взрыволета составит 400-500 км/с (это сопоставимо со здравой скоростью истечения для реалистичного взрыволета).
Если бы все было так хорошо, то взрыволет стартует прямо  с Земли (то есть никаких космических цивилизаций, никакого выхода из колыбели) потом делает маневр Оберта у Солнца, разгоняется до 500 км/с и порядка 100 лет летит к цели (приблизившейся звезде) здесь делает обратный маневр и садиться на планету-цель для колонизации нового мира.

Теперь же ему придеться чапать  без всякого Оберта 200 лет...

[Андрей Курилов]

Для манёвра с Обертом у поверхности звезды всё равно потребуются внушительные кол-ва вещества для охлаждения. Поэтому непонятно, как это всё можно запустить сразу с Земли.

Термоглиссером можно разогнаться до С/1000. Ну пусть летит 170-200 лет, а не 100 - велика ли разница? Зато актиноидов не потребуется для запитки ионника и радиаторы городить. Потратится только водород.