Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[Андрей Курилов]

Где-то есть засада, которая все это портит.

Очевидно, энергия альфа-частиц далеко не в виде 100% конвертируется в разность электропотенциалов. Весьма сомнительный способ получения электроэнергии из ядерного распада.

[alex_semenov]

Не совсем понятно, откуда такая оценка. Ведь энергия альфа-частиц по большей части должна переходить в тепло и рассеиваться тепловым излучением с внешней поверхности сферы. Да, разность зарядов образуется. Но энергия электронов будет несравнимо меньше энергии альфа-частиц.

Я тоже не понимаю данную концепцию (то есть не знаю как ее посчитать).
Но насколько я понимаю ее качесвенно, такой огромный диаметр шарика (42 м) не для красоты.
Надо поднять электродинамику и уточнить. Из чего он считается? Возможно из напряжения между анодом и катодом.
Но идея, видимо такова. Альфа-частица, летящая из отрицательно заряженного центра к положительно заряженной наружней сфере движется ПРОТИВ электростатических сил. То есть она ТОРМОЗИТЬСЯ и на внешнюю оболочку уже оседает сильно охладившись. То есть энергия альфа-частиц и есть ЭДС источника напряжения. Интересно посчитать насколько тормозиться? Было бы здорово, если, скажем в половину. Тогда остаточная энергия альфа-частицы превращается в тепло, в нагрев внешней оболочки,  которая очень кстати имеет огромную площадь для ее излучения. Тут  можно  даже сразу прикинут. Если 500 Квт электрическая мощность и столько же сливаемое тепло, то шарик 42 м в диаметре… нагреется до 210  К
То есть, наверняка тепловая мощность излучателя выше и КПД генератора куда ниже 50%. Гм.. а ведь тепловую мощность можно легко посчитать по массе  полония-210. Надо найти данные….
Уже первые зацепки есть.
Но! Еще тонкость, отмеченная в статье, но не до конца прорисованная. Обратите внимание. AlexAV считая массу ионника в лоб, закладывает помимо прочих и массу преобразовательной техники. То есть всякие трансформаторы, которые должны поменять, скажем, ампеты на вольты.
Если у вас турбогенератор он дает большой ток и невысокий вольтаж. А именно нашему ионнику нужны сотни киловольт на сетке. Так вот, здесь установка, видимо сразу и получает нужное напряжение. То есть, высокая удельная мощность тут еще и потому, что  исключается преобразователь. Заметная экономия.
В связи с этим надо уметь все это пересчитывать с межпланетных параметров (половину которых в статье не преведены) на межзвездные. Тут могут появиться траблы.

В общем оптимизм тут должен быть осторожный. Главное тут - научиться считать эту концепцию "насквозь".  А мы этого пока не умеем.

[alex_semenov]

Очевидно, энергия альфа-частиц далеко не в виде 100% конвертируется в разность электропотенциалов. Весьма сомнительный способ получения электроэнергии из ядерного распада.

Разумеется не вся. И посчитать сколько уже можно из приведенных данных. Мы знаем электрическую мощность генератора 500 кВт и знаем массу полония, то есть знаем тепловую мощность. Отсюда можем узнать КПД генератора и температуру оболочки.
Какая мощность распада полония-210? Ватт/кг. Я где-то у себя видел, но надо долго искать...

[Андрей Курилов]

Ну на 100 Вт/кг, если авторы нигде не наврали в рассчётах, рассчитывать можно.

Т.е. это 2000 лет перелёта до альфа Центавра при оптимальном УИ в 2500 км/с.

[AlexOrex]

Какая мощность распада полония-210? Ватт/кг. Я где-то у себя видел, но надо долго искать...

Если глубоко не копать...
Один кубический сантиметр полония-210 выделяет около 1320 Вт тепла. Эта мощность весьма велика, она легко приводит полоний в расплавленное состояние, поэтому его сплавляют, например, со свинцом. Хотя эти сплавы имеют заметно меньшую энергоплотность (150 Вт/см³)
Плотность 9,2 г/см3. Период полураспада 138 суток. То есть поначалу теоретически достижима удельная мощность аж 143 кВт/кг (в виде тонкого слоя фольги полоний-210, надеюсь, не расплавится), но она быстро падает.

Но все равно это, на первый взгляд, как-то симпатичнее тысячелетиями пашущих турбин, реакторов и помп.
Жаль только, что в радиоизотопных источниках не получится даже гипотетически загнать отходы в рабочее тело, преодолев проклятие роста массы топлива до всей сухой массы корабля при скорости истечения этак 2-3 тыс. км/с.

[alex_semenov]

Ну на 100 Вт/кг, если авторы нигде не наврали в рассчётах, рассчитывать можно.
Т.е. это 2000 лет перелёта до альфа Центавра при оптимальном УИ в 2500 км/с.

100 Вт/кг у нас уже есть из расчета AlexAV. Он сколько получил? 60 Вт/кг? Но у него полезная нагрузка составляет половину массы. То есть без полезной нагрузки взяв его "оптимистическе" оценки мы уже имеем 120 Вт/кг. Вот возьмите ПН поскромней и получите свои 100 Вт/кг.
Это не интересно.
Интересно получить 1000 - 4000 Вт/кг! Это действительно снизит срок полета до сроков, которые можно "пережить" без саморепликации. Более 1000 лет вы никак не переживете "пассивными" методами, а вот 600 уже можно надеяться.

То есть у нас опять замаячил призрачная надежда получить "звездолет для бедных". 
 
Поймите, "звездолет для богатых" это тоже интересно. Тут может быть масса вариантов. Но для начала надо же разбогатеть! А с наступлением финансового кризиса, видите как народ в будущее теперь смотрит?
Раньше в 60-е никто в Кардашевской шкале не сомневался. Фотонные звездолеты от нее и рисовали. Но теперь уже и народ начал смекать что никакого роста потенциала цивилизации МОЖЕТ И НЕ БЫТЬ.
Значит звездолет для бедных (то есть для нас, нашей цивилизации) надо иметь кровь с носа!

[AlexOrex]

Так. Полураспад полония 138 суток, значит примерно в течение 980 дней его энерговыделение гипотетически будет выше 1000 вт/кг и примерно 2500 дней выше 1 вт/кг. Интегралы, интегралы, из башки повылеталы... До скольки успеем разогнаться?

Возьмем гипотетический килограмм звездолета, 10% от массы которого составляет полоний, тогда первые 138 дней топливо будет давать в среднем 100 кВт/кг, а удельная мощность корабля при КПД пусть 20% составит порядка 2 кВт/кг. При скорости истечения пусть 300 км/с получится тяга F=2W/u = 4 000 / 300 000 = 13 мН, ускорение килограмма 13 мм/с², разгонится за 138 дней до скорости 155 км/с, за оставшееся время еще примерно на столько же. Поскольку корапь полегчает в e раз за это время, крейсерская скорость получится где-то километров 500 в секунду. Таки да, это скорее "предельный планетолет" и "гравифокусо-оортолет", причем в "экологической нише", где его успешно потеснит термоглиссер. Или это вторая ступень глиссера, с тем недостатком, что полоний нужно загрузить быстро, а то он распадется.

[Андрей Курилов]

100 Вт/кг у нас уже есть из расчета AlexAV. Он сколько получил? 60 Вт/кг? Но у него полезная нагрузка составляет половину массы. То есть без полезной нагрузки взяв его "оптимистическе" оценки мы уже имеем 120 Вт/кг. Вот возьмите ПН поскромней и получите свои 100 Вт/кг.
Это не интересно.
Интересно получить 1000 - 4000 Вт/кг! Это действительно снизит срок полета до сроков, которые можно "пережить" без саморепликации. Более 1000 лет вы никак не переживете "пассивными" методами, а вот 600 уже можно надеяться.

Да, я именно того же мнения. Но для получения >1000 Вт/кг понадобятся очень "трудные" изотопы, которых будет в любом случае очень мало. Соответственно, на большой звездовоз с таким приводом надеяться нельзя. Не хватит не только для корабля поколений (мегатонны), но и для слипершипа (килотонны). Только зонд (тонны). Но зонд должен лететь со скоростью С/10, а не С/100 - т.е. этот вариант ниже "главной последовательности" и поэтмоу некошерен.

Меньше 1000 Вт/кг действительно неинтересно. За 5000 лет до альфа Центавра можно долететь и термоглиссером даже. Вот если бы за 500 лет, то можно было бы уже не строить корабль поколений, а сделать на ~3 порядка более лёгкий слипершип.

[alex_semenov]

Так. Полураспад полония 138 суток, значит примерно в течение 980 дней его энерговыделение гипотетически будет выше 1000 вт/кг и примерно 2500 дней выше 1 вт/кг. Интегралы, интегралы, из башки повылеталы... До скольки успеем разогнаться?

Вы неверно действуете методологически. Не надо эту конструкцию выводить сразу на межзвездную трассу. Ясно что проект 1963-го года - межпланетный. Поэтому и полоний-210. Наша задача номер 1 научиться этот самый межпланетник считать. То есть "разобрать" эту концепцию "на формулы", понять до конца этот продукт сумрачного гения Запада. Что он может а что нет. Как межпланетник. Как он есть. 
Как наши предки разобрали В-24 и поднимали советскую электронику.  А потом уже что-то свое делать на этой базе.
Так и мы должны сначала разобраться с этим шариком как но есть. А потом уже думать, можно ли из полученного опыта как-то сделать звездолет?

[alex_semenov]

Да, я именно того же мнения. Но для получения >1000 Вт/кг понадобятся очень "трудные" изотопы, которых будет в любом случае очень мало. Соответственно, на большой звездовоз с таким приводом надеяться нельзя. Не хватит не только для корабля поколений (мегатонны), но и для слипершипа (килотонны). Только зонд (тонны). Но зонд должен лететь со скоростью С/10, а не С/100 - т.е. этот вариант ниже "главной последовательности" и поэтмоу некошерен.

А политические дивиденды?
Скажем, прижать к забору полного пессимиста Боба?
Это мы с вами знаем что легкий зонд - некошерно. Но народ упорно не хочет этого признавать! Вот Полночь, например. Хотят звездолет прямо сейчас! Фулл реал на известных технологиях и при существующих средствах!
Тут ничего кроме мелкого зонда ведь не плучится же!
Наша задача - доказать проходимость межзвездной бездны. Не мытьем так катаньем. И чем больше вариантов мы покажем, тем больше мы прижали оппонентов!

Да, легкий зонд мало что может сделать. Но совсем исключать его полезность нельзя. А вдруг саморепликаторы действительно могут оказаться совсем компактными? А вдруг можно запихнуть полноценный эмбрио-шип в 1-100 тонн?
Маловероятно, но исключать же нельзя!
Мало ли?

Меньше 1000 Вт/кг действительно неинтересно. За 5000 лет до альфа Центавра можно долететь и термоглиссером даже. Вот если бы за 500 лет, то можно было бы уже не строить корабль поколений, а сделать на ~3 порядка более лёгкий слипершип.

Не верю я в чистый слипер-шипы. Не верю что люди смогут столетия лежать в анабиозе. Погружаться периодически - может быть (скажем специально генетически измененные люди). Тогда они могут сокращать личный срок перелета на 1/2 или 3/4. Это же позволит и колонию-полу-слипершип сделать компактней (когда 3/4 населения в анабиозе). Это вполне зримое решение. Полу-слипер-шип, полу-колония. Но оно требует столько всякого разного еще…  Не для бедных. Прогресса и в генетике людей и в технологиях гибернации и это все равно не снимает проблему корабля поколений (рициклинг, минимальная масса). Облегчает, но не снимает вообще.

[Андрей Курилов]

Не верю я в чистый слипер-шипы. Не верю что люди смогут столетия лежать в анабиозе.

С этим вопросом к ув. -Asket-. Он весьма успешно отвечал различными отчётами на мою дотошную критику криогибернации человеков. Я тоже не верил.

[alex_semenov]

Кто-нибудь подскажет максимально возможную плотность заряда на металлической поверхности (кулон/м2) в вакууме? Хотя бы оценку плюс-минус! Речь идет о внутренней сфере из 16 микрон алюминия, покрытой 10 микронами полония. Нужно оценить ПРЕДЕЛЬНЫЙ заряд этой сферы. Поэтому хорошо бы было бы методику оценки этого предела.
Тогда мы вычислим разность потенциалов генератора (должны быть десятки тысяч вольт) и выйдем на расчет уже ионника.

Кстати, я не поблагодарил за калорийность полония, кажется. Спасибо!  Скажу в благодарность,  что температура сферы 19.5 С.

[alex_semenov]

Что, никто не подскажет? Ну и фиг с вами! Я уже сам знаю как это посчитать... 
Только это не так быстро (надо ковыряться в своих записях, которых нет под рукой).
Тонкостенная сфера рвется изнутри давлением (расчет прочности тонкостенной сферы). А давление электростатическое. Отсюда можно получить предельный заряд из прочих параметров конструкции (не нужно и плотность заряда. можно сразу получить заряд). То есть, методологически можно сказать, генератор этого продукта сумрачного германского западного гения мы расшифровали.

Кстати разность потенциалов генератона U очень красиво считается:



q1 - заряд внутренней сферы (зачем он и нужен), R1 и R2 - радиусы внутренней и внешней сферы соответственно.
Ничего не напроминает? Разумеется! Гравитационную разность потенциалов!
Можно было сразу догадаться! А я, дурак, выводил...
 

[zenixt]

За пять лет, как заинтересовался проблемой, ни разу не попалась информация о конкретной, а не теоретической разработке, с УИ в 1000-3000 км/с и приемлемой тягой, дающей ускорение хотя бы 1 мм в сек. за сек., что позволило бы разогнаться за год до 40 км/с., за 100 лет до 4000 км/с. Поэтому голосую, что не знаю.

[alex_semenov]

За пять лет, как заинтересовался проблемой, ни разу не попалась информация о конкретной, а не теоретической разработке, с УИ в 1000-3000 км/с и приемлемой тягой, дающей ускорение хотя бы 1 мм в сек. за сек., что позволило бы разогнаться за год до 40 км/с., за 100 лет до 4000 км/с. Поэтому голосую, что не знаю.

Да потому что НИ ОДИН РАКЕТЧИК В ЗДРАВОМ УМЕ не станет ПРАКТИЧЕСКИ разрабатывать двигатель с УИ  1000-3000 км/с!
Кому он ПРАКТИЧЕСКИ сейчас может понадобиться? Абсолютно никому!
Идиотов там  не водится.
Они понимают  элементарные азы.
Откуда этот бред вообще в народе ходит, что ракетчики пытаются получить преледьно большой УИ?
Расскажу.
Потому что в начале всякого букваря по ракетам идет сказка про то что чем выше УИ тем лучше (тем меньше масса топлива).  Формулу Циолковского тычут. Что ракетчики борются за повышение этого УИ…  (да от части это правда!). Вот народ ТУПО по простоте душевой  и решил, что чем выше УИ, тем лучше ВСЕГДА.
Но ракетчики ведь боролись за высокий УИ для ЖРД! Ибо там истечение в пределе 3-4 000 м/с а конечная скорость 8-12 000. Естественно они борются! Что бы иметь поменьше массу топлива, которая у них и так на грани всего разумного. Разумеется! Но это только для данной конкретной узкой задачи взлета с Земл!!!
Но мало кто ВЕРИТ (я говорил, но на меня смотрят как на сумасшедшего) что разработчики ионных двигателей борются ЗА ОБРАТНОЕ. Первые ионники обычно давали 200-100 км/с и только более поздние опустили до 50-70 км/с. Меньше скорость, выше расход материи за секунду! Вот чего добивались! Больше массы, меньше скорость! Очень сложная задача для ионного двигателя! Ее решают уже 50 лет и уже достигли всех мыслимых пределов! Именно в уменьшении УИ!!!
Почему нужно 50-70 км/с (а лучше вообще 20!) Это для ПРАКТИЧЕСКОЙ ракетной техники ИДЕАЛ в пределах задач стоящих перед практической космонавтикой. Больше и не надо!
Если какой-то двигатель выдает вами 100 или 200 км/с (скажем какой-нибудь магнитоплазменный) это не достоинство для практически работающей системы. Это жутчайший НЕДОСТАТОК!
Для межпланетных перелетов такая скорость истечения избыточна и вообще говоря КРАЙНЕ энергетически расточительна. КРАЙНЕ! Ионник слишком хорошо экономит ракетную массу за счет чудовищных расходов энергии (которая действительно там в жутком дефиците). Поэтому тут все хотят расходовать поменьше энергии и побольше массы! Вот за что идет битва!
Понимаете?
Ваш "висмр", с которым тут носятся как с писанной торбой - дерьмо собачье. Понты и финты. Для звезд его мала (да и не станут на звезды давать реальные деньги) для межпланетного перелета его УИ в сотни км/с избыточен, ибо  энергетически он слишком прожорлив чтобы когда-нибудь действительно выйти в космос. Так, дуракам-журналистам показать и все. Народ обнадежить, мол, работаем помаленьку…

[Андрей Курилов]

Ваш "висмр", с которым тут носятся как с писанной торбой - дерьмо собачье. Понты и финты. Для звезд его мала (да и не станут на звезды давать реальные деньги) для межпланетного перелета его УИ в сотни км/с избыточен, ибо  энергетически он слишком прожорлив чтобы когда-нибудь действительно выйти в космос. Так, дуракам-журналистам показать и все. Народ обнадежить, мол, работаем помаленьку…

Вы бредите.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#vasimr
Вася способен менять УИ с 30 до 300 км/с, согласно этому источнику, при тяге от 400 до 40 Н соответственно, при постоянных массе 10 т и потреблении 10 МВт.
И, если вам требуется разгоняться с 30 до 300 км/с, то эффективность Васи как движка будет ~100%. Потому что он способен выдерживать режим u(t) = v(t) в отличие от вашего ионника, который, к тому же ещё и быстренько сам себя аблирует.
Вероятно, подобного типа Вася может выдать и УИ = 3000 км/с при тяге 4 Н соответственно.

[alex_semenov]

По существу. О нашем чудо-проекте.
Кто-нибудь следит?
Проверяйте ход мысли (а вдруг опять что-то нахамутал)?
О предельном заряде на сфере.
Начнем с прочности сферической оболочки:

Цитата отсюда:
Кроме напряжений сигма-S и сигма-t на элемент оболочки действует нагрузка в виде давления P, перпендикулярного поверхности ABCD.
Основным уравнением безмоментной теории оболочек является уравнение Лапласа, которое имеет следующий вид:

где дельта – толщина оболочки. Причем для сферической оболочки радиусы кривизны R1 и R2 равны радиусу сферы.

То есть, для  сферы радиусом R, толщиной  оболочки h, и пределом прочности  материала сигма, предельное давление P будет:

     (1)

Далее. Энергия это давление умноженное на объем. То есть для сферы давление через энергию:

      (2)

Теперь приравниваем первое и второе уравнение и выводим из этого  энергию:

     (3)

Но энергия здесь - энергия заряженной сферы:

     (4)

Приравниваем  уравнения (3) и (4), из чего выводим заряд:

     (5)

Это и есть предельно возможны заряд на данной сфере радиусом R, из материала толщиной h и пределом прочности сигма.
Логично?

[alex_semenov]

Вы бредите.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#vasimr
Вася способен менять УИ с 30 до 300 км/с, согласно этому источнику, при тяге от 400 до 40 Н соответственно, при постоянных массе 10 т и потреблении 10 МВт.
И, если вам требуется разгоняться с 30 до 300 км/с, то эффективность Васи как движка будет ~100%. Потому что он способен выдерживать режим u(t) = v(t) в отличие от вашего ионника, который, к тому же ещё и быстренько сам себя аблирует.
Вероятно, подобного типа Вася может выдать и УИ = 3000 км/с при тяге 4 Н соответственно.

Ну если так, то я действительно брежу.
Я раз за вашего "васю". Раз он такой молодец, готов ему принести свои извенения. Куда слать извенения?

[Андрей Курилов]

Я раз за вашего "васю". Раз он такой молодец, готов ему принести свои извенения. Куда слать извенения?

ХЗ, вероятно разработчикам сего двигателя.

Кстати, вы сами говорили, что ракета с изменяемым УИ может являться идеальной и для неё я (вспомнил же) вывел следующее:

- при постоянном энергопотреблении в случае VASIMR.
Т.е. если вам надобно доразогнаться с С/1000 до С/100, то массовое число будет равно 10 при постоянном энергопотреблении в столько-то мегаватт.

[alex_semenov]

Говорил и не откажусь.
Но вообще говоря не бог весть какое достоинство. Ракета с постоянной u в идеале дает 0.64,  а с переменной, скажем 0.90. Но есть ли смысл гнаться за переменностью, экономит 26%, если на других стадиях мы теряем не менее 60%?
Нет, может и стоит. Но я не вижу тут каких-то особых, ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ достоинств.
Еще раз.
Я вообще не вижу особой проблемы с выбором ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО двигателя для звездолета. Проблема не стоит и выеденного яйца. Суета сует!
Главная проблема у всех этих двигателей одна - источник электрической энергии. Вот узкое место!
Все эти разговоры - ни не по существу. "Не это главное!" (с)