Реальный проект разгона КА на химических РД до 125 км/сек

[Skipper_NORTON]

Я давно задумывался, до какой максимальной скорости человечество способно разогнать космический аппарат. Имея в наличии современные технологии.
 
Здесь
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,92338.0.html
мы обсуждали гравитационный маневр около Солнца, и как высчитываются скорости на разных расстояниях от Солнца. Вкратце - получается  - можно достичь  РАЗГОНА КА до 115-125 км\сек -- НА ХИМИЧЕСКОМ РД с аналогичным гравитационным маневром в 4,5 млн км от Солнца. Там Солнце будет иметь угловой диаметр примерно 15 градусов. Там царят температуры примерно 1500 градусов, а самые тугоплавкие материалы имеют температуру плавления около 3500 градусов - т.е. не нужна будет и система охлаждения. (в данный момент даже есть проекты КА, для изучения Солнца, которые предполагают доставку КА на 7 млн км от Солнца, а если постараться то можно приблизиться и на 4,5 млн км. тем более у нас это приближение будет кратковременным).
 
К тому же, будем использовать ХРД - обычные дешевые химические ракетные двигатели (они дешевле чем ЯРД), со скоростью истечения рабочего тела 5 км\с. Тогда имея полезную конечную массу космического аппарата 10 тонн, и массу топлива около 20000 тонн (наш разумный предел, это всего лишь 8 современных ракет носителей, с массой 2400 тонн, которые можно объединить в ступени), мы сможем достичь в сумме разгона на 38 км\с. Из них скажем, 12 км\с уйдет на вылет, отрыв от Земли, и коррекцию, направление движения, чтобы первая траектория КА была с афелием за орбитой Юпитера (где-то между Юпитером и Сатурном), и перигелием вблизи орбиты Земли. Остается топлива на разгон 26 км\сек.   Аппарат удаляется, приходит в точку афелия, по пути Юпитер не встречается.  На обратном пути встречается Юпитер и изменяет скорость-направление КА так, что он пройдет с новым перигелием в 4,5 млн км от Солнца.
 
Далее КА движется к перигелию, и его разгоняет Солнце до скорости 245 км\сек. Именно такая скорость будет у КА, пролетающего в перигелии, на расстоянии 4,5 млн км от Солнца.  Здесь КА включает свои двигатели и не меняя направление, наращивает скорость на 26 км\с. Т.е. достигается скорость 271 км\с.  Тогда вылетать из Солнечной системы он будет уже по гиперболе, как можно посчитать, с  действительной полуосью гиперболы a = 10237448 км. Далее скорость КА будет уменьшаться Солнцем, но не дойдет до прежних низких значений. Скорость при вылете из солнечной системы (скажем, на расстоянии 5 млрд км, и уже далее почти не будет меняться, т.е. будет в пределах -1 км\сек) - будет равна 115 км\с.


Подобный проект можно было осуществить даже во время запуска "Вояджеров". Тогда сейчас мы имели бы КА, удаляющийся из Солнечной системы, относительно Солнца со скоростью 115 км\с,  и находящийся сейчас в 2012 году (после 30 лет полета, скажем, после маневра около Солнца, 1982 года) - на расстоянии  107 млрд  км от Солнца.  (реально сейчас, наиболее удаленный Вояджер-1 находится на расстоянии 17 млрд км от Солнца).  Если сравнить скорость Вояджера-1, которая равна 17 км\с, со скоростью, которую можно достичь таким маневром около Солнца, 115 км\с,  это как скорость бегущего (не напрягаясь) человека (17 км\ч) по сравнению со скоростью машины (115 км\ч).
 
А какие сложности? Выдержать температуры в 4,5 млн км от Солнца - точно не проблема, даже не обязательны чересчур тугоплавкие материалы. Изменить скорость на 26 км\с - вблизи Солнца, тоже не проблема, нужно просто собрать 20000 тонн топлива. Это 8 современных ракет-носителей, которые можно соединить в несколько ступеней. А если при окончательном вылете из Солнечной системы встретиться удачно, скажем, Сатурн по пути, то он может еще разогнать немного наш КА, с 115 км\с  до 125 км\с.
 
Еще вариант - лететь вначале не к Юпитеру, а к Венере и использовать ее для сбивания скорости и ухода КА в близкую от Солнца зону (4,5 млн км для гравитационного маневра). (своими силами уменьшать скорость КА прямо в районе Земли, чтобы сразу уйти близко к Солнцу будет более трудоемко, чем использовать для этого Юпитер или Венеру)
 
Как видим, достичь скоростей космических аппаратов,  115-125 км\сек - вообще реально и под силу человечеству прямо сейчас, и не нужны никакие заоблачные средства.  Это под силу олигарху Абрамовичу   Он там покупает яхты, подводные лодки и т.д. А я будь олигархом, спонсировал бы вот такой интересный проект, который вошел бы в историю.   Самое эффективное средство разгона кораблей - это именно гравитационные маневры около Солнца!  И можно изучать пояса Койпера, Оорта, и т.д., внешние районы вокруг Солнечной системы и т.д.  Конечная полезная масса у такого, рассматриваемого космического аппарата 10 тонн, а у Вояджеров меньше 1 тонны, так что и аппаратуры напичкать можно побольше.
 
Далее, такой аппарат, через 9000 лет мог бы прилететь в другую звездную систему, скажем в систему Альфа Центавра, и наши потомки имели бы КА, в другой звездной системе.  9000 лет срок конечно большой, но не запредельный.  Например, 5000 лет назад уже строились египетские пирамиды, и за все это время недалеко ушло человечество (если сравнить это время с началом 19 века.   Только за последние 200 лет прогресс был большой. )  И еще. Если провести аналогичные расчеты с ЯРД (ядерным ракетным двигателем, скоростью истечения водорода 10 км\с, и более близким к Солнцу гравитационным маневром, то как у меня получилось, можно достичь и больших скоростей вылета из Солнечной системы, 243 км\с)

[Varjag]

Когда КА покинет СС даже с нулевой скоростью, он будет иметь орбитальную галактическую скорость 230 км /с .
Если разгонять дальше придется преодолевать галактическую гравитацию.
Если  направить КА к центру галактики и использовать гравитационный маневр вокруг центра галактики?

[Skipper_NORTON]

У нас цель не покинуть галактику, и не достичь центра Галактики (слишком долго ждать), а достичь ближайших звезд, или хотя бы просто удалиться максимально от Солнца и изучить внешние области от Солнечной системы (пояс Койпера и т.д.)

[gans2]

Цель указана неверно.
Целью должен быть фокусная линия направленная от звезды подлежащую изучению через гравилинзу Солнца -(от 550 АЕ и далее ). Таких зондов должно быть очень много - как только находится интересный объект(например Центр нашей Галактики), так и запускается такой зонд.

150000000*550/100/60/60/24/365= 26 лет от пуска до выхода на линию визирования.

[gans2]

Однако обычное гугление и применение реалистичных двигателей дает гораздо большую скорость без солнечного разогрева и химических бустеров.
Термоядерный двигатель на открытой ловушке и D+He3 реакции

http://forums.airbase.ru/2008/01/t59363--termoyadernyj-raketnyj-dvigatel-kak-zachem-pochemu-i-pochem.html

дает
Истечение смеси основной плазмы и части продуктов реакции. Наиболее перспективный способ. При тяге порядка 0,5Н/МВт импульс удельный будет составлять около 500000сек или 5000км/сек.
 Наш вышеописанный гипотетический ТЯРД будет иметь тягу 170-180 килограммов, расходовать 10 миллиграммов топлива в секунду (5,985 миллиграммов Не3 в т.ч.), при запасе топлива в 5% от массы иметь ХС 250км/сек, что достаточно для быстрого выполнения любой миссии в области Солнечной системы, включая полеты к Плутону и трансплутоновым объектам.(Кстати, отсюда следует предположить, что топливных баков как таковых у ТЯРД не будет  дейтерий и гелий будут храниться прямо в сверхпроводящих катушках магнитной системы) При массе всего корабля в 200-300тонн ускорение будет порядка 10мм/сек2, что примерно равно или несколько больше, чем сейчас у аппаратов с ЭРД. 100 часовая сессия работы ТЯРД будет обеспечивать разгон на 3,6км/сек. Для использование всей ХС требуется общее время работы ТЯРД в 7000 часов или примерно 290 суток.

7000*60*60*0,01=252000 м\сек
140 суток разгона 20 лет полета 140 суток торможения

В работе
 http://www.inp.nsk.su/activity/preprints/files/2005_008.pdf
описывается возможный ТЯР, характеристики которого можно экстраполировать на реальный ТЯРД:
 -общая длина ТЯРД и следовательно трансформируемой ферменной конструкции, около 100 метров
 -диаметр магнитных катушек 1,25м (при поле в 6Т, в концевых катушках меньшего диаметра - до 20Т )
 -кол-во катушек основного соленоида (при растоянии между ними порядка 4 м) 24. Т.е. всего магнитных катушек - 28-30

и мы можем рассматривать планеты и астероиды чужой звездной системы как в бинокль Луну с Земли.

[Skipper_NORTON]

Истечение смеси основной плазмы и части продуктов реакции. Наиболее перспективный способ. При тяге порядка 0,5Н/МВт импульс удельный будет составлять около 500000сек или 5000км/сек.

 
Какая при этом будет температура рабочего тела со скоростью истечения  5000км/сек?  Такая, что любые стенки двигателя мгновенно испарятся.  В этой теме хочу обсудить РЕАЛЬНЫЕ на данный момент и с нынешними технологиями для человечества - скорости разгона космических аппаратов.  А  ТЯРДы, и проч. (фотонные двигатели) обсуждаем в другой, соответствующей теме.  Здесь это оффтоп.

[gans2]

Там поток протонов. Стенки камеры из магнитного поля. Реакция в земных условиях получена и замерена. Единственный способ добится такой скорости истечения без нагрева стенок двигателя.
Это реальная технология, вотличие от фотонных звИздалетов и адренбатонных Орионов.
Ссылки на УФН есть - просвещайтесь.
А извраты с нырянием в фотосферу Солнца Вас видимо не смущают, ггг

[Skipper_NORTON]

Стенки камеры из магнитного поля.

 
Зачем тогда ТЯРД?  На данный момент человечество не научилось управлять термоядерным синтезом.  Простой ЯРД,  с ядерным реактором даст скорости истечения рабочего тела более 5000 км\сек.  Только вот никаких стенок из магнитного поля, которые не пробивались бы веществом, со скоростью 5000  км\сек, еще не научились делать.  Иначе, почему в современных разработках ЯРД  скорости истечения рабочего тела всего лишь около  10 км\сек?
Так что  скорость истечения 5000 км\сек в данной теме - это оффтоп!  Если так хотите обсудить гипотетические двигатели, откройте другую тему или найдите соответствующую.

[gans2]

Ваши знания скудны и противоречивы. Протоны магнитное поле не пробивают. Магнитные ловушки для плазмы реальны и работают.

[gans2]

Фактически это двигатель VASIMIR только плазма нагревается прямо в сопле текущей в ней термоядерной реакцией , а не снаружи радиоволнами. Так что это уже более раеальный двигатель, чем даже газофазный Ядерный.
По.тому городить разгон через Солнце химией - полет на монгольфьере через Тихий океан. Возможно но есть практичнее.

[Skipper_NORTON]

gans2 вот когда смогут запустить ХОТЯ БЫ ОДИН  космический аппарат, с ракетным двигателем, со скоростью истечения рабочего тела  5000  км\сек,  тогда то, что вы пишете - перестанет быть оффтопом в данной теме.

[Skipper_NORTON]

Предвижу, что сейчас появятся скептики (например Грехов Михаил, когда-то упорно пытавшийся доказать в другой теме, что "Нельзя получить приращение скорости относительно Солнца от самого Солнца"). И спорящие с ними (например Крупин, говоривший что если мы используем пассивный маневр около Солнца, то действительно никакого приращения скорости относительно Солнца добиться нельзя, а если мы делаем активный маневр около Солнца, т.е. меняем скорость КА за счет ДВИГАТЕЛЕЙ, в гравитационном колодце Солнца, то приращение скорости будет). Насчет этого мне понравились 2 мессаги. Процитирую с небольшими дополнениями.
 
"Проиллюстрирую на простеёшем примере: допустим, мы живём на Седне (где нибудь в афелии, на расстоянии 1000 а.е.) и собираемся в межзвёздный полёт. У нас есть ракета, разгоняющаяся лишь до 10км/с. И казалось бы, этим ограничивается предел наших возможностей. Но мы забываем о таком ресурсе как Солнце. Ведь нам достаточно, израсходовав самый мизер горючего (на изменение скорости менее 0,1 км\с) рухнуть камнем в его окрестности подобно горному орлу. Но что это может дать? Допустим (жары не боимся) мы разогнались за счет притяжения Солнца, в перигелии, до 990км/с. И в этот момент включили двигатель. После разгона наша скорость стала 1000км/с. (прирост тот же, на 10 км\с) Какой она будет, когда мы достигнем орбиты Седны?"  Далее идут вычисления, в которых получили 140 км\сек.
 
"Вот именно, что ракета - это не Мюнхгаузен. Она не летает на гравицапе (тогда бы и Солнце не нужно было), а разгоняется за счёт отброса реактивной массы. И задача о грав. манёвре возле Солнца это, вообще говоря, не совсем задача двух тел. ("третье тело" - это отработавшее топливо, и есть разница - вышло оно вблизи Солнца, или же в районе Седны - примечание мое.) Поэтому странно выглядят эти повторения того, что в результате выделения определённого количества внутренней энергии топлива, общая энергия ракеты (а вернее, полезной нагрузки) увеличится на эту величину. Ну или то, что количества топлива, которого хватает для разгона на 10 км/с с 0 км/с, будет недостаточно для разгона до 1000 км/с с 990 км/с. Конечно, если бы просто запасённая потенциальная энергия чудесным образом перетекала из топливного бака в кинетическую энергию ракеты (вместе с отработанным топливом, то есть гравицапа), то так и было бы. Но гравицап не бывает, так как они противоречат сохранению импульса. Странно, Вы разве не слышали никогда о термине "характеристическая скорость" и о том, почему его вообще применяют? В общем, это неправда. (...) Как известно, задачей гравитационного манёвра является поднятие орбитальной энергии ПН (общей энергии в системе отсчёта, связанной с барицентром) на как можно большую величину. Орбитальная энергия меняется только, когда работают двигатели, при этом, двигатели непосредственно изменяют кинетическую энергию. Чем больше орбитальная скорость, тем больше можно вызвать приращение кинетической (а значит, и общей) энергии при том же количестве сожженного топлива. Так что, активные гравитационные манёвры у тяжёлых объектов это не мракобесие, а очень даже выгодный способ экономить топливо."
 
На самом деле, все проще гораздо. Есть довольно ПРОСТЫЕ формулы, по которой вычисляется ОРБИТАЛЬНАЯ скорость при движении тела по эллипсу, по параболе и по гиперболе. Курим орбитальные скорости!  Тема
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,92338.0.html
и
орбитальные_скорости
 
После чего, приняв для простоты что скорость тела по круговой орбите вокруг Солнца на расстоянии 150 млн км равна ровно 30 км\сек,
вычисляем, что
 
если космический корабль летит в перигелии в 1,5 млн км от Солнца по параболе со скоростью 425 км\с, то вылетать из Солнечной системы (в 15 млрд км от Солнца, в 3 раза дальше орбиты Нептуна) он будет (относительно Солнца) со скоростью 4,25 км\с.
 
Если же в точке перигелия в 1,5 млн км от Солнца нарастить скорость всего лишь на 25 км\с,  т.е. увеличить с 425 км\с до 450 км\с, то это приведет к намного большему наращиванию скорости при вылете и более далеких от Солнца расстояних. Например, в 15 млрд км от Солнца космический корабль будет лететь относительно Солнца со скоростью 148 км/сек.
 
Если кто не согласен (может Грехов Михаил до сих пор не верит в это?) - пусть скажет мне что нарастив скорость в перигелии с 425 км\с до 450 км\с,  т.е.  +25 км\с, получим позже на расстоянии в 15 млрд км от Солнца те же +25 км\сек, (т.е. скорость 4,25 + 25 км\сек = 29,25 км\сек)? И вообще на всех расстояниях от Солнца будет +25 ? Это очевидный бред!  А еще больший бред - утверждение что на разгон  с 0 до 25 км\с,  меньше топлива надо чем на разгон 425 до 450  км\сек.  Если кто-то так считает, то я даже спорить не буду.   
 
А вообще, в той теме, Крупин, конечно же был прав.

[gans2]

Я правильно понял, что прожектер собрался включить химические ракеты вблизи Солнца в перигелии??? 

[gans2]

Проще уже развернуть в хромосфере Солнца парус. Такой маневр обсчитан межзвездыми англоязычными авторами.

[Skipper_NORTON]

gans2
Без грубости не умеем?  Подобную идею наращивания скорости, лишнюю халявную прибавку +  100-200  км\сек  обсуждали уже многие, у вас получается, все "прожекторы"?

[Skipper_NORTON]

Проще уже развернуть в хромосфере Солнца парус. Такой маневр обсчитан межзвездыми англоязычными авторами.

 
Разверните и посчитайте, какая будет скорость на выходе из Солнечной системы. 

[gans2]

gans2
Без грубости не умеем?  Подобную идею наращивания скорости, лишнюю халявную прибавку +  100-200  км\сек  обсуждали уже многие, у вас получается, все "прожекторы"?

Вы себя со "всеми" не ровняйте. Вы предложили включить водородную ступень в хромосфере. Вам и рассказывать про невесомые солнцезащитные экраны - филин-стратег, ггг
А парус давно посчитали - очень хорошая скорость выходит. Вы бы чем всякую фигню выковыривать из своих полузнаний почитали по теме - полезнее для мозга.

[Skipper_NORTON]

Вы предложили включить водородную ступень в хромосфере.

gans2
Учите матчасть.
Хромосфера  — внешняя оболочка Солнца и других звёзд толщиной около 10 000 км, окружающая фотосферу.
А я предложил делать ускорение в 4,5 миллионах км от Солнца!   Это почти 4 миллиона км от фотосферы.  (точнее, 3,8)

Там Солнце будет иметь угловой диаметр примерно 15 градусов. Там царят температуры примерно 1500 градусов, а самые тугоплавкие материалы имеют температуру плавления около 3500 градусов

4,5 млн км - это в обсуждении РЕАЛЬНЫХ проектов КА. И 1,5 миллиона при расчетных данных если подлетать ближе (но это уже думаю, нереальное расстояние, хотя и там, до хромосферы еще далеко).

[Skipper_NORTON]

gans2
 
Я когда-то давно, не разбираясь в ракетных двигателях, предложил, как вы, использовать ЯРД или ТЯРД, со скоростью истечения рабочего тела  5000 км\сек.  Народ  просто стал смеяться.  Но я изучив в чем проблема, все понял.  Просто тогда еще не разбирался в этой области. 
Так вот теперь подобное предлагаете  вы...      Какие дураки все!  Летают на КА, с двигателями  со скоростью истечения 5 км\сек, и максимум в ЯРД смогли достичь 10  км\сек,  в ионниках несколько десятков км\сек,  а вы сразу 5000  км\сек предлагаете! 
В сто раз больше, оказывается возможно.   
 
цитата gans2

(...) 5000км/сек. Наш вышеописанный гипотетический ТЯРД будет иметь тягу 170-180 (...)

 
А я давно понял, в чем разница между "гипотетическим ТЯРД" и "реальным, практическим ЯРД"
 
И еще ваш минус, что вы не хотите признавать свои ошибки, и еще грубите постоянно.

[Megakoteyka]

Там царят температуры примерно 1500 градусов, а самые тугоплавкие материалы имеют температуру плавления около 3500 градусов - т.е. не нужна будет и система охлаждения.

А как себя будет чувствовать электроника и экипаж при температуре 1500 градусов, Вы подумали?
Информация к размышлению - проблема охлаждения в космосе стоит ОЧЕНЬ остро, даже на околоземных орбитах, что уж говорить о пролете рядом с Солнем...