Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[Андрей Курилов]

Если термоглисснуть о Солнце до 250 км/с, а затем пол пути вазимировать с 250 до 5000 км/с, а потом вазимировать обратно до 250 км/с и термоглисснуть об альфа Центавра до 0, то путь займёт 499 лет - я посчитал. Массовое число для вазимирования будет равно 20х20 = 400 (разгон х тормоз).

Для разгона термоглиссером до 250 км/с массовое число будет ~50, для торможения оным - много меньше, максимум порядка 10.

Итого массовое число 400_всмрх500_{трмглср} = 200 тыс.

[Андрей Курилов]

Нет, может и стоит. Но я не вижу тут каких-то особых, ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ достоинств.

Небольшой размен в пользу уменьшения потребной электроэнергии с увеличением массы рабочего тела. Чем ближе вы хотите эффективность приблизить к 1, тем ближе будет массовое число к бесконечности

Я вообще не вижу особой проблемы с выбором ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО двигателя для звездолета.

Всё это было уже много раз. Сначала вы в неадекватном приступе бросаетесь и кричите что вася=дерьмо, потом, когда вам указывают на то, что это бред, вы сдаёте назад и уже спокойно говорите "да мне всё равно какой электроплазменный двигатель вообще будет, есть проблемы и поважнее". Так а чего вы кидались с такими заявлениями тогда? Не понятно...

Главная проблема у всех этих двигателей одна - источник электрической энергии. Вот узкое место!

Вот в этом месте вам и следует понять, что ~1/3 съэкономлъенной электроэнергии - это весьма значительный шаг к звёздам.

[alex_semenov]

Так а чего вы кидались с такими заявлениями тогда? Не понятно...

Прочтите сообщение перед этой моей эскападой и сложите два плюс два. Вашему любимому васе досталось (незаслуженно) под настроение. Просто надоели разговоры ни о чем! Переливание из пустого в порожнее. У нас тут на форуме в вперемежку детский садик с университетской аудиторией. И все спешат высказаться по теме, привлечь внимание.  По-сути форменный дурдом.

Вот в этом месте вам и следует понять, что ~1/3 съэкономлъенной электроэнергии - это весьма значительный шаг к звёздам.

Ничего подобного! Я уже говорил, что можно разменять энергию на удельную мощность (поднимая температуру радиаторов). Но вы (я знаю) как Кощей бессмертный над своим златом, трясетесь над редкоземами. Поэтому вам и глиссер запал в душу. Ибо пуля из какашек. Буквально. Нет?

[alex_semenov]

а затем пол пути вазимировать с 250 до 5000 км/с,

Я думаю у вас тут ошибка. НЕОБХОДИМУЮ удельную мощность на этом участке посчитали?

[AlexAV]

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

Некоторая поправка. Давление - это не отношение энергии к объёму, а производная энергии (точнее свободной энергии, но для этой задачи это не существенно) по объёму.

В ответе численный коэффициент несколько поменяется.

[Андрей Курилов]

Я думаю у вас тут ошибка. НЕОБХОДИМУЮ удельную мощность на этом участке посчитали?

У меня нет ошибки, потому что как раз таки я ещё не считал

[alex_semenov]

Некоторая поправка. Давление - это не отношение энергии к объёму, а производная энергии (точнее свободной энергии, но для этой задачи это не существенно) по объёму.

Гм... Да, но разве тут...?

В ответе численный коэффициент несколько поменяется.

Озадачили...
Буду думать... Но в любом сулчае спасибо!

[alex_semenov]

У меня нет ошибки, потому что как раз таки я ещё не считал

А вы прикинтье. Кстати. Такая вот идеально-энергетическая ракета с переменной тягой, как будет ускоряться? Не равномерно ли часом?
Тогда прикидка упрощается.

[Андрей Курилов]

Не равномерно ли часом?

Да, как раз таки равномерно. Это следует из формулы m1/m2 = v2/v1, u(t)=v(t) и того факта, что тяга падает пропорционально увеличению УИ.

[Кремальера]

Мда.Уикендный полет мысли что-то сложно отследить.Опять какие-то закорючки,формулы.Но сам "шарик"-хорош.В меру прост и эстетичен как яйцо.Умели же думать люди,куда все делось?Если его можно быстро поддуть на орбите и загрузить полоний,то почему бы еще не увеличить объем,энергетика от этого не увеличится?К тому же я так понимаю ,есть привязка к температуре поверхности этого майларового чуда(20 гр.С ,видимо чтобы его не порвало как грелку)..Но ведь материалы шагнули за повека.,сделать эту капитошку навивкой из сверхтонкой аустенитной стали(типа джаповской термостойкой AoGami),и пусть там хоть ацкий пламень бушует.

[alex_semenov]

Некоторая поправка. Давление - это не отношение энергии к объёму, а производная энергии (точнее свободной энергии, но для этой задачи это не существенно) по объёму.
В ответе численный коэффициент несколько поменяется.

Кажется разобрался...
Если формально то я делал так (переменная тут R, а А и В это некие неизменные константы, которые сейчас не важны):



А надо было делать так:



В итоге я ошибся "совсем чуть-чуть" (что само по себе прикольно! Ошибка ведь была чудовищная!), я потерял тройку и минус.
Минус под корнем вещь недопустимая  (для нас, во всяком, случае) поэтому  придеться вспомнить еще о знаке. Если dV  уменьшается (то есть со знаком -), то dЕ возрастает (+) и P имеет положительный знат так же (+). То есть правильно было бы записать так:



Если совсем поумничать, то можно отрапортовать: работа, совершаемая консервативными силами, равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.
В общем, в итоге наш минус мы можем с чистой совестью замылить и действительно все выйдет как надо, если избавиться от тройки в числовом параметре, вместо 64/3 записать просто 64:

     (5)

Вообще если бы я вспомнил  что давление фотонного газа действительно же равно 1/3 от плотности энергии этого газа, то такую ошибку не совершил бы. Я сразу взял бы тройку. Но и не стал бы вникать в этот нюанс. 
Все что  делается - все делается к лучшему.
Хотя зрительная интерпретация ПОЧЕМУ так от меня ускользает до сих пор. Откуда тройка? Я чувствую что здесь работает трехмерность пространства... Но получить красивое, наглядное объяснение пока не могу...

AlexAV - огромное вам спасибо! Вы в который раз меня выручаете! Все-таки чувствуется у вас Школа! Аж зависть берет! Плюс вам за помощь.
 

[AlexOrex]

У меня нет ошибки, потому что как раз таки я ещё не считал

А вы прикинтье. Кстати. Такая вот идеально-энергетическая ракета с переменной тягой, как будет ускоряться? Не равномерно ли часом?
Тогда прикидка упрощается.

Рискну встрять. Если у нас вазимирование до крейсерской скорости 5000 км/с с массовым числом 20х20 (тормозной термоглиссер пока не считаем), то разгон закончится с тягой около 2,5Н при массе голого движка с рабочим телом 200т. Ускорение (если оно действительно одинаково) на участке разгона не больше 12 микрон в секунду на секунду, 400 м/с за год, разгон займет 12500 лет. Осётр явно нуждается в урезке...

[alex_semenov]

Не равномерно ли часом?

Да, как раз таки равномерно. Это следует из формулы m1/m2 = v2/v1, u(t)=v(t) и того факта, что тяга падает пропорционально увеличению УИ.

Вот и отлично!
Давайте возьмем половину дистанции 4.5/2 св. года. Вторая половина же зеркальная. Мы все увидим на первой половине. v_0 -  скорость, которую вы приобретаете маневром оберта. Она получается мгновенно (в масштабах нашей задачи) и существует как изначальная. Дельта-вэ - это как раз то, что должен прирастить ваш чудо-двигатель, разгоняющий равномерно с некоторым ускорением a.

Чему равно время этого разгона?



Теперь считаем удельную мощность почти как обычно:



Расстояние L = 2, 25 cв. лет или 2,12868E+16 м
v0 = 250 000 м/с
v = 5000 000 м/с
dv = 4 750 000 м/с
________________
w = 3 908 Ват/кг

Если у вашего двиЖИтеля  КПД 0.9 то  полезная удельная мощность в двигателе 4 343 Вт/кг (а именно эта мощность и считается на кривулях AlexAV!)


PS
Саме ужастное в вашей схеме то, что вы собираетесь и Обертом тормозить. То есть, вы собираетесь через световые годы тянуть чудовищное количество совершенно тупого водорода. А значит и вашему двигателю придеться чудовищно надрываться разгоняя его до середины и тормозя. Я понимаю, если бы вы сделали "косой маневр". То есть использовали оберта толкьо в начале. То есть разгон оберт плюс ваш вася, а торможение только вася. Тогда начать тормозить надо несколько раньше середины. Но в этом случае вы выигрываете обертом приращение не 500 км/с а только 250.

[alex_semenov]

Мда.Уикендный полет мысли что-то сложно отследить.Опять какие-то закорючки,формулы.

Да, страсти крепчают...

Но сам "шарик"-хорош.В меру прост и эстетичен как яйцо.Умели же думать люди,куда все делось?

Всем нравиться этот шарик! Как спутник у Королева. Да?

Если его можно быстро поддуть на орбите и загрузить полоний,то почему бы еще не увеличить объем,энергетика от этого не увеличится?

Мы еще к этому подойдем. Я уже хорошо разобрался в этой схеме (есть что докладывать здесь государственной коммисии, мол аппарат супостата изучили, разобрали... кое-что уловили). То есть посчитал уже многое.
Да, шарик рассчитывался все-таки на межпланетное путешествие. И кстати, его можно было бы для начала попробовать посчитать для экспедиции в Койпер.
Должны полуиться хорошие результаты!
Для звезд его надо сильно переделывать. А для этого его надо уметь считать насквозь.
Отсюда все эти закорлючки.

К тому же я так понимаю ,есть привязка к температуре поверхности этого майларового чуда(20 гр.С ,видимо чтобы его не порвало как грелку)..

20 С это в самом начале, потом он будет холодей, холодней, холодней ибо полония будет все меньше, меньше, меньше. Сразу скажу (это из секретного доклада), майлар там 4,3 мкм. Это такой толстенный парус (по меркам парусов). А если помните, солнечные паруса и тоньше рассчитываются и на 600 С, так что тут запаса с головой. Там вообще все параметры вроде как получаются очень пластичными. Так, пиковая разность потенциалов у меня вышла аж 13 миллионов вольт. Это если центральную сферу зарядить на предел ее прочности (там тоже шарик из алюминиевой фольги в 16 микрон толщиной и на нем 10 микрон полония.) Но такое напряжение даже для межзвездного ионника - с головой. Для межпланетного - тем более.
В общем, как закончу исследование этого чуда (как выдохнусь, упрусь в неясности) я все тут выложу.

Но ведь материалы шагнули за повека.,сделать эту капитошку навивкой из сверхтонкой аустенитной стали(типа джаповской термостойкой AoGami),и пусть там хоть ацкий пламень бушует.

Нет, главная проблема тут будет не в этом, думаю. Главная проблема - собственно сам источник альфа-частиц. В источнике энергии. Вся сила проекта тут в быстрораспадающемся полонии и крайне ажурно-простом изотопном реакторе. Но полоний короткоживущий. Для столетий нужно что-то иное такое же мощное и легкое. Но что? ...
Надо думать.
Но что отмечу. Я всегда говрю - настоящий звездолет ДОЛЖЕН иметь консистенцию мыльного пузыря. Как ни крути, но всегда выходит именно так. И наш шарик - тоже тому пример.

[Андрей Курилов]

тоже шарик из алюминиевой фольги в 16 микрон толщиной и на нем 10 микрон полония

достаточно ли мала толщина алюминиевого слоя, чтобы альфа частицы и бешеные ионы проскакивали насквозь, не разрушая его?
похоже, что нет...

[Андрей Курилов]

И ещё. Менее половины альфа-частиц будут лететь к внешней оболочке. Остальная будет вязнуть в слое и дырявить внутреннюю сферу. И далеко не все альфа частицы из полезной половины будут лететь строго радиально. Если заряд внутренней сферы будет настолько велик, что будет наполовину гасить кинетическую энергию альфа-частицы, вылетающей строго радиально в направлении наружу, то вылетающие в направлении наружу альфа-частицы под более острым углом скольжения к поверхности внутренней сферы и вовсе будут притягиваться обратно. Может быть где-то 1/10 всех распадов будет приводить к извлечению кинетической энергии в виде накопления отрицательного заряда. Причём к извлечению 1/2 кинетической энергии примерно. Итого получаем КПД в районе 5%.

[alex_semenov]

Может быть где-то 1/10 всех распадов будет приводить к извлечению кинетической энергии в виде накопления отрицательного заряда. Причём к извлечению 1/2 кинетической энергии примерно. Итого получаем КПД в районе 5%.

На борту 14.2 кг полония. Тепловая мощность полония  143 КВт/кг. Отсюда начальная тепловая (сырая) мощность установки 2 030 600 Ват.
Если генератор (согласно статье) дает 500 000 Вт, то это 25% от тепловой мощности. То есть, можно сказать что в среднем только 1/4 энергии альфа-частиц превращается в электричество (достигает внешней сферы). И я думаю это вполне разумный параметр.

Термоэмиссионные генераторы прямого преобразования тепла в ток дают того же порядка КПД, где-то 20%.  Они нам подошли бы куда лучше, но у них особенность - низкое напряжения и большой ток. Здесь же все наоборот. Здесь форма электрической энергии нам более удобна. Здесь нам не нужны тяжелые преобразователи тока в высокое напряжение. Обычно высокое напряжение считается недостатком. Но здесь это плюс в борьбе за вес.

тоже шарик из алюминиевой фольги в 16 микрон толщиной и на нем 10 микрон полония

достаточно ли мала толщина алюминиевого слоя, чтобы альфа частицы и бешеные ионы проскакивали насквозь, не разрушая его?
похоже, что нет...

Вообще-то я это посчитал "на глаз". В статье нет диаметра внутренней сферы и я прикинул что он в 6 раз меньше внешней. Отсюда я и посчитал и толщину фольги и толщину слоя полония. При этом я беспокоился о прочности сферы ибо не знал о заряде.
Рассчитав вчера предельный заряд и из него максимально возможное напряжения между сферами (до 13 миллионов вольт!) я понял что толщина фольги внутреней сферы - параметр не такой уж и критичный по прочности. Заряд на сфере можно создавать куда меньше чем предельный (именно им можно устанавливать напряжение, необходимое  для ионника на сетках) и значит, размер сферы можно подстраивать под параметры излучателя (чего я не сделал).
Вот и давыайте теперь оценим какой должна быть максимальная толщина слоя полония (это важнее всего) а отсюда посчитаем и сферу.
Возможно 10 микрон это действительно много! Давайте уменьшать (и увеличивать диаметр внутренней сферы).
Есть идеи как будем считать оптимальную толщину полония?

[Андрей Курилов]

Есть идеи как будем считать оптимальную толщину полония?

Надо плясать от от пробега альфа-частицы с данной энергией в веществе. Желательно чтобы толщина алюминиевой подложки также позволяла вылетать ионам сквозь неё, иначе она будет неприлично греться и дырявиться.

[alex_semenov]

Надо плясать от от пробега альфа-частицы с данной энергией в веществе.

Да. Если мы хотим детально вникнуть нам нужен Бэтте-Блох.



Мы с ним сражались уже тут

Но если не ломать голову, то в википедии рассказывается про альфа-частицы. И есть табличка свободного пробега. Последняя строка - алюминий (я думаю что в полонии примерно то же самое).
4 Мэв - 16 мкм
6 Мэв - 30 мкм

Энергия альфа-частиц полония-210  5,305 Мэв.  См.  здесь.
То есть, 10 мкм  для полония явно много. Надо уменьшать слой раз в 5 (более точный расчет надо делать по Бэтте-Блоху). Отсюда и считать более точный диаметр внутренней сферы. Слой алюминия вообще роли не играет. Не вжно сколько он поглащает. Он - поодложка, конструкционный материал.

Желательно чтобы толщина алюминиевой подложки также позволяла вылетать ионам сквозь неё, иначе она будет неприлично греться и дырявиться.

Он в любом случае будет и облучаться и греться. Кстати можно и нужно оценить и температуру внутреннего шара. Толщина алюминия, как я думаю, определяется ТОЛЬКО конструкционной прочностью. Шар заряжен и раздут зарядом. Алюминий в основном и должен держать нагрузку.
Если мы снизим толщину слоя полония в 5 раз (то есть в 5 раз увеличим площадь шара) то и толщина алюминия упадет во столько же.  корень из 5 это 2.24...  Во столько раз надо увеличить диаметр внутреннего шара.
В статье этот размен не приведен и я брал на глаз 1/6 внешнего (явно меньше чем на рисунке там где то 1/3) и получал 6.93 метра. А надо 15.5 м.  На рисунке в книжке шарик где-то такой и есть. То есть, физика поправили мои художества.

[Кремальера]

Надо плясать от от пробега альфа-частицы с данной энергией в веществе

А нельзя ли как-нибудь ыще раз глянуть ваш рундук.?И может быть изыскать еще какие более экзотические изотопы трасуранов.Тот же Cm245 или вообще калифорний какой?Я так понимаю наш "шарик" попыхтит полонием 138 суток и все.,а что если найти изотоп со схожей энегетичностью испускания альфа-частиц но чтоб помучался поболее.Тот же кюрий номер 245-период распада -тридцать веков.Как говорится больше электричества для ионников-дольше копоти можно поддавать.