ЯРД Зубрина

Автор Димитър, 05.08.2010 22:30:34

« предыдущая - следующая »

0 Пользователей и 1 гость просматривают эту тему.

Димитър

http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html
а также Википедия - "Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива"

Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива (англ. nuclear salt water rocket) -- тип конструкции ЯРД, предложенный в 1991 г. американским инженером Робертом Зубриным (Robert Zubrin). В предложенной Зубриным концепции ядерное топливо, по сути, одновременно играет и роль рабочего тела, выбрасываемого из сопла двигателя. Таким топливом служит водный раствор тетрабромида урана, обогащенного до 20 % по изотопу U-235.
(Тетрабромид урана UВr4 - гигроскопичное, хорошо растворимое вещество темно-коричневого цвета; в водных растворах в значительной степени гидролизовано. Температура плавления по различным данным составляет (519 - 590) оС; tкип.= 761 оС; плотность = 5,35 г/см3. Может быть получен по реакции: UO2 + 2С + 2Вr2 = UВr4 +2СО)
 Концентрация этой соли в водном растворе может достигать 30 %. Для такого раствора (в случае одной ёмкости хранения) критическая масса составит несколько десятков килограммов. Для предотвращения начала цепной реакции в емкостях последние должны быть выполнены из материалов, поглощающих нейтроны, соответствующей геометрии- например, в виде тонких труб из карбида бора. Устройство собственно двигателя выглядит следующим образом. Топливо из емкостей хранения подаётся в реакционную камеру в таком количестве и с такой скоростью, чтобы цепная реакция (начавшись в камере), достигала своего максимума вблизи окончания корпуса двигателя (соответственно, корабля). В сущности, непосредственно за соплом двигателя создаётся область постоянного «ядерного горения». Высокая температура в зоне реакции испаряет воду рабочего тела и создаёт тягу выхлопом высокотемпературного газа. В ЯРД Зубрина коэффициент использования энергии ядерного распада значительно выше -- поскольку ядерное топливо и рабочее тело объединены. При реакции они полностью выбрасываются из корабля. А принцип выноса зоны реакции из корпуса двигателя позволяет снять ограничение температурных режимов реактора, и достигать значительно больших температур и давлений. Так, по некоторым расчетам, при эффективности выгорания ядерного топлива 0.8, скорость истечения рабочего тела для такого ЯРД составит 66,000 м/с, удельный импульс 6,730 секунд, мощность двигателя - 427 ГВт, тяга 12.7 меганьютон, тяговооруженность = 40, масса двигателя 33 метрических тонны. Уникальной характеристикой ЯРД Зубрина является также сочетание высокого значения удельного импульса и большой общей тяги (развиваемое ускорение может составить несколько g).
Зубрин так же показывает, как NSWR может бы использована и для более честолюбивой 120-и летней односторонней миссии автоматического зонда к Альфа Центавра. Он предлагает 300 тонный космический корабль несущий 2700 тонн топлива в виде водного раствора соли урана, обогащенного до 90%. Это высокоэнергетическое горючее будет сгорать в двигателе с высокой эффективностью, что создаст скорость истечения ракетной массы в 4 700 000 м/с. Такая скорость истечения позволит развить кораблю скорость, которая составит 3,63% от скорости света. Зубрит предлагает использовать большую часть всего запасенного на борту топлива для ускорения, а потом применить магнитный парус (смотри майский "Аналог"-92) для торможения в результате движения того против межзвездной среды.
Зубрин указывает, что ни смотря на высокую радиоактивность истекающей из NSWR реактивной массы, сама конструкция двигателя не должен быть радиоактивной в сколько-нибудь значительной степени. Само топливо имеет только альфа-радиоактивность низкого уровня. Продукты деления уносятся в космос в виде плазмы, а наведенная радиоактивность от сильного потока нейтронов, возникших в результате сжигания топлива, может быть минимизирована использованием в конструкции двигателя таких низко-активируемых нейтронами материалов как графит и карбид кремния. Как только двигатель выключат, вокруг него не должно появится существенного радиоактивного фона, который мог бы подвергнуть опасности команду в случае пилотируемой миссии.
Зубрин, утверждает, что скорость истечения в 66 км/с намного больше, чем скорость покидания для любой планеты и, если вектор истекающей струи не направлен на Землю, то "количество радиоактивных продуктов, попадающих на Землю, могло бы быть незначительным" даже если NSWR запускается с низкой орбиты. Фактически, так как атомы выхлопных газов имеют значительную скорость, они не связаны с силой притяжения Солнца и выброшенные из сопла скоро покинут Солнечную систему вообще.
Чрезвычайно высокая температура и скорость истечения создает специфическую проблему при конструировании сопла для NSWR, которое не должно разрушится в течение длительного периода работы. Зубрин предположил, что непрерывный поток обычной (не соленой) воды текущий по поверхности камеры сгорания и сопла, возможно и мог бы обеспечить охлаждение двигателя, а так же дополнительную реактивную массу, но эта идея остается неясной пока не будет продемонстрирована. Окончательный проект системы так же должен рассматривать возможные отказы, включая возможность отказа топливного насоса. Такой режим может привести к взрыву топлива в пределах камеры, а не позади нее. Все эти проблемы, скорее всего, разрешимы.

Димитър

Двигатель, весящий не больше, чем обичный ЖРД, дающий скорость истечения в 66 км/сек на большой тяге (а в перспективе - 4700 км/сек), которого можно сделать уже сейчас, не изобретая ничего нового, никого не интересует ???  :shock:

Chilik

ЦитатаДвигатель <здесь> никого не интересует ???  :shock:
Двигатель интересует. Сказки для взрослых - не очень.

Monoceros

ЦитатаДвигатель, весящий не больше, чем обичный ЖРД, дающий скорость истечения в 66 км/сек на большой тяге (а в перспективе - 4700 км/сек), которого можно сделать уже сейчас, не изобретая ничего нового, никого не интересует ???  :shock:
А теплозащита как? :?

mihalchuk


Димитър

ЦитатаА теплозащита как? :?
Проще, чем у "классического" ГФЯРД.

Димитър

ЦитатаЧрезвычайно высокая температура и скорость истечения создает специфическую проблему при конструировании сопла для NSWR, которое не должно разрушится в течение длительного периода работы. Зубрин предположил, что непрерывный поток обычной (не соленой) воды текущий по поверхности камеры сгорания и сопла, возможно и мог бы обеспечить охлаждение двигателя, а так же дополнительную реактивную массу, но эта идея остается неясной пока не будет продемонстрирована.
А я думал, что охлаждением камеры сгорания и сопла компонентами топлива ракетчиков не испугать...
Вроде делают уже?

октоген

Цитатапри эффективности выгорания ядерного топлива 0.8,


РжалЪЪЪЪЪЪЪЪЪЪЪЪ



 В ядерной бомбе пушечной конструкции выгорает 5-7% урана, остальное в мусор. При том что условия ПМСМ  в движке будут хуже чем в бомбе с точки зрения физики деления.

Снусмумрик

Я предпочитаю "Орион". Его можно заодно применять как атомную пушку.
В России три беды - дураки, дороги и "технологии, не имеющие аналогов в мире".

mihalchuk

Нечто похожее обсуждалось в этой теме:
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?p=505930&highlight=%FF%E4%E5%F0%ED%FB%E9#505930

октоген

ЦитатаЯ предпочитаю "Орион". Его можно заодно применять как атомную пушку.


+1

Димитър

ЦитатаНечто похожее обсуждалось
Давайте припомним:

mihalchuk
таким образом не добиться сверхвысокого УИ - как только жидкость вскипит, критические условия исчезнут, а нагрев нейтронов приведёт к затуханию реакции.

Wyvern
Все еще хуже. На самом деле критмасса водных р-ров урана и плутония вообще НЕСКОЛЬКО ГРАММОВ (и несколько литров воды) И цепная реакция в них продолжается только пока вода не переходит в пар - на этом, кстати, основаны растворные реакторы с внутренней безопасностью. Даже нескольких пузырьков пара достаточно, что бы реакция прекратилась. А аварий с р-рами делящихся веществ было много

mihalchuk
В одной из энциклопедий я прочитал, что критическая масса растворённого урана около 1 кг, про плутоний - не знаю. Для реакции неважно состояние вещества, но достижение критической массы сопровождается быстрым нагревом до кипения, в результате появления пузырьков пара и увеличения объёма состояние становится подкритическим. Но, думаю, если мы зафиксируем объём, то состояние всё-равно станет подкритическим из-за нагрева. В соляном растворе нейтроны быстро охлаждаются и долго блуждают по раствору, пока не найдут свой атом урана или плутония. При повышении температуры скорость и процесс диффузии нейтронов ускоряется, и они в большем количестве покидают зону реакции. словия становятся подкритическими. Именно это препятствует созданию в ракетном двигателе непрерывной масштабной цепной реакции, а ЯРД на соляном растворе едва ли будет лучше твёрдофазного на водороде.
Но в водородном ЯЭоРД всё-таки можно попытаться. Подаём по оси струи газ типа гексафторида урана. Гексафторид урана частично смешивается с водородом и в таком состоянии подходит к скачку уплотнения, за которым обжимается. За скачком уплотнения происходит интенсификация смешения гексафторида урана с водородом и достигаются сверхкритические условия.

Андрей Суворов
Странные у вас у обоих источники. Первый реактор на обогащённом уране назывался LOPO, содержал именно что раствор уранилсульфата и имел критмассу в 565 граммов. Он имел форму шарика диаметром 1 фут и был снабжён отражателем нейтронов из окиси бериллия (и графитовым основанием. Это абсолютный рекорд критмассы для уранового реактора.
Вообще-то, пар, в силу малой плотности, слабо замедляет нейтроны. Но уменьшение плотности при нагреве заметно и без парообразования, и можно так подобрать критмассу и геометрию, что ещё до начала кипения установка станет субкритической. Это, однако, в теории, а на практике нужно иметь запас на регулирование, чтобы компенсировать отравление реактора технецием и ксеноном
Дело в том, что сечение деления для ядра урана-235 или плутония-239 обратно пропорционально энергии (для тепловых и субтепловых нейтронов), а тепловыми нейтроны называются потому, что находятся в термодинамическом равновесии с замедлителем. Т.е. если температура замедлителя будет 300 К (комнатная), то энергия тепловых нейтронов будет 0,0025 эВ, а, если температура замедлителя будет 600 К (327 цельсия), то энергия тепловых нейтронов будет вдвое больше, а сечение деления - вдвое меньше. А вот сечение захвата без деления от энергии в этом диапазоне не зависит.
Диффузия и скорость замедления не зависят от температуры замедлителя.
Наиболее реалистичные газофазные проекты включают, как правило, твердофазную часть активной зоны. Она будет нейтроноизбыточной, и нейтроны, с помощью бериллиевого вытеснителя переправляются в газофазную часть. Которая является нейтронодефицитной, т.е. без участия твердофазной части - подкритичной. Если охлаждать твердофазную часть только топливом, то в ней может генерироваться до 25% нейтронов, но можно её охлаждать ещё и дополнительным теплоносителем по замкнутому циклу, доведя долю нейтронов до 30%. Это позволит здорово уменьшить размеры газофазного ТВЭЛа.
Замедлитель нужен всё равно - без него на быстрых или промежуточных нейтронах сечение деления слишком мало, и при реалистичных давлениях в газофазном ТВЭЛе критичность без замедления достигнута быть не может. Причём замедлитель должен быть ещё и отражателем, что довольно эффективно реализуется на тяжёлой воде, правда, слой получается очень толстым - метра полтора нужно, т.е. шарик диаметром больше трёх метров получается.

Димитър

Цитатакак только жидкость вскипит, критические условия исчезнут
Вижу два способа решить проблему:

1.Обеспечить в «камере сгорания» достаточно высокую реактивность, чтобы еще до испарения урановой «капли» выделилось достаточно энергии для получения приличного импульса (скорости истечения). В результате испарение «капли» будет взрывообразным и камера должна быть достаточно крепкой. Так, как «капля» не может быть меньше критической массы, выделение энергии тоже будет больше некоторого значения. Такая большая мощность в непрерывном режиме, скорее всего, будет не нужна. Так что двигатель будет работать в импульсном режиме - наподобие взрыволетов типа «Орион». Кстати, уменьшение мощности возможно уменьшением к.п.д. ядерного горения.

2. Создать условия для протекания реакции деления в газовой фазе - как в «классическом» ГФЯРД. Здесь может быть и увеличение размеров «камеры сгорания», и ТФЯР, питающий нейтронами газо-фазный реактор, и магнитное удерживание плазмы...
Это уже не то, что предлагает Зубрин. От Зубрина остается только идея отказаться от разделения рабочего тела и ядерного горючего. Но и только это достаточно, чтобы сделать осуществление ГФЯРД более легко достижимым.

В обоих случаях двигатель получается «грязный» -  больше, чем «классический» ГФЯРД, но все-таки меньше, чем Орион.

Alex_Semenov

Прежде всего.
Ивана Моисеева на своем  сайте http://path-2.narod.ru/ вот в этом разделе http://path-2.narod.ru/02/03/list.htm любезно выложил по моей просьбе собственно Зубринский ПЕРВОИСТОЧНИК

Вот: http://path-2.narod.ru/02/03/nswr.doc

Nuclear salt water rockets: high thrust at 10,000 sec ISP

Сканировал из бумажной версии  JBIS, Vol 44 1991-й год.
Огромнейшее ему спасибо!
Обратите внимание!
Это эксклюзив. Сводобно доступный в основном русскоязычному читателю в сети (хотя и на английстком языке пока).

Я намерен эту статью перевести, хотя область гидродинамики для меня неродная и я в ней буквально плаваю, поэтому опасаюсь нахамутать...
Тем более что есть подозрения, что формулы в предоставленном Иваном док-файле несколько . . . неадекватно представлены.
:)
Кстати, название "Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива" на мой взгляд куда лучше чем то, как я перевел по приведенной здесь выше ссылке на мой перевод статьи из "Аналога"

http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html

Хотя "топливо" я заменил бы "горючим". И убрал два раза "ядерный" в названии. Еще надо добавить что "водный". В английской версии как раз речь идет о воде.

РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ГОМОГЕННОМ ВОДНОМ РАСТВОРЕ ЯДЕРНОГО ГОРЮЧЕГО

Где-то так...
:)
Однако все это - шашечки. Нам же - ехать...

Alex_Semenov

Цитата
Цитатапри эффективности выгорания ядерного топлива 0.8,
РжалЪЪЪЪЪЪЪЪЪЪЪЪ
В ядерной бомбе пушечной конструкции выгорает 5-7% урана, остальное в мусор. При том что условия ПМСМ  в движке будут хуже чем в бомбе с точки зрения физики деления.

От части вы правы. 80% выгорания топлива в таком "физлере" (свистуне) за гранью добра и зла.
Но насколько я понимаю, это, как говориться, мечты. В более реалистичных вариантах двигателя процент выгорания ядерного топлива куда скромней.
И его достаточно просто оценить.
Попробуем?

Ядерное горючее (как мы знаем из детских книжек) обладает в миллионы раз большей ТЕПЛОТВОРНОСТЬЮ чем самое лучшее химическое топливо. Изюминка двигателя Зубрина в том, что используя только МИЗЕРНЫЙ процент выгорания ядерного горючего вы все равно можете получить на порядки  большую скорость истечения чем у химии.
Во сколько раз больше?
Это надо считать.
Давайте посчитаем "на пальцах".
Возьмем такие данные. Водный раствор на треть состоит из солей урана (0.33). Я полагаю "на треть" по массе. А собственно сам уран  обогащен U235, скажем до 20%. Если массой брома пренебречь (он ~ в 10 раз легче урана), то ОТНОШЕНИЕ массы горючего к ракетной массе (негорючих компонентов водного раствора) условно можно посчитать 0.33*0.2= 0,066. То есть ~6 % массы водного раствора - ядерное горючее. 60 грамм на килограмм. Остальное - это инертная ракетная масса, которая превращается в пар, верней плазму от которой "ракета отталкивается".



Посчитаем идеальный случай (ибо мы делаем качественную оценку). Сколько кинетической энергии надо сообщить ракетной массе в 1 кг чтобы та вылетала из сопла ракеты со скоростью 5 км/с?  50 км/с?  500?  1000?
Все очень просто. Школьная физика за 8-й класс.
Е=V^2/2. Предлагаю посчитать самому (не забыть перевести км в метры :).

Далее.
В энергетическая калорийность U235  83,14 ТДж/кг. Первоисточник http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%80%D0%B0%D0%BD-235
Тераджоуль 10^12 Дж.
Очень много.
Вы следите за мыслью?
Теперь.
В каждом килограмме водного раствора у нас примерно 60 грамм U235.
Значит при 100% выгорании этих грамм на 1 кг ракетной массы (всего топлива) должно выделится примерно 4,9884E+12 Дж энергии.
Отсюда и пляшем.

Поделив кинетическую энергию необходимую для истечения 1 кг со скоростями 5, 50, 500 км/с .... на  "последнюю цифру" вы и получите необходимый Зубрину  КОЭФФИЦИЕНТ ВЫГОРАНИЯ УРАНА для идеального двигателя при заданной скорости истечения.
Логично?
Какой он будет реально - это второй вопрос. Но хуже идеального он быть не может. И если идеальный процент ничтожен - идея имеет смысл.
Привожу результаты моих собственных расчетов (обратите внимание это ПРОЦЕНТЫ!)

5 км/с  -  0,000250%
10 км/с - 0,001 %
50 км/с - 0,025%
100 км/с - 0.1%
500 км/с - 2,5%
1000 км/с - 10%
3000 км/с - 90%

Напомню. Это соли урана обогащенные всего до  20%. Видно, что для скорости истечения в 5- 100 км/с достаточно мизерного процента (одной тысячной) выгорания драгоценного топлива. А вот приближаясь к скорости истечения  ~1000 км/с необходимый процент выгорание горючего становится сравнимым с выгоранием в ядерных боеприпасах и вряд ли достижим в столь примитивной схеме.

Но для очистки совести давайте попробуем повысить процент содержания U235. Скажем, до рекордных, оружейных 90%. Которые Зубрин берет для звездолетной версии (см. переведенную мною статью).
Для этого процента обогащения я получаю такой процент выгорания для идеального двигателя Зубрина:

100 км/с - 0.02%
500 км/с - 0.5%
1000 км/с - 2%
3000 км/с - 18%

То есть для скоростей ~3 000 км/с мы все равно имеем слишком высокий процент выгорания и вряд ли достижимый в гидродинамической струе выдуманной Зубриным. Здесь (на таких скоростях истечения) зубринский свистун, думаю, никогда  не выдержит конкуренции с "Орионом". Но на скорости  истечения в 50- 500 км/с вполне можно "раскатать губу".

Разумеется. Все вышесказанное - слишком упрощенная схема рассуждений (я надеюсь вы ее отследили, а на просто прочли). Ясно, что в реальной конструкции НЕ ВСЯ ВЫДЕЛИВШАЯСЯ ЭНЕРГИЯ  превратится в кинетическую энергию реактивной струи (плазмы). То есть, реальная скорость истечения (а лучше бы сказать удельный импульс, ибо в плазме скорость понятие статистическое) будет в разы ниже. Я думаю 30% преобразования будет очень хорошим результатом. То есть только треть энергии пойдет в дело. Поэтому, реальная  скорость истечения снизится примерно на корень из 3. Но при наших процентах выгорания (сотые, тысячные доли процентов) этот показатель особой роли не сыграет. Наша качественная оценка опирается на порядки, но не разы.
Главный вывод.
Двигатель Зубрина - свистун, физлер, расточающий ядерное горючее крайне НЕЭФФЕКТИВНО. Даже пол процента выгорания  - это просто мизер в сравнении с пушечной схемой ядерной бомбы. Но, почему то уверен добится и такого процента выгорания будет очень трудно.
ОДНАКО!
Не важно что выгорите мизерная часть топлива.
За счет этого  Зубрин покупает простоту и КОМПАКТНОСТЬ конструкции.
И я полагаю, овчинка стоит выделки!
Например, в силу того, что двигатель работает непрерывно, он  не нуждается в сложных и тяжелых амортизаторах как на "Орионе", не говоря о том, что не нужны и сложные бомбы-драйверы и все связанное с ними подсистемы. И самое главное. "Орион" тем эффективней, чем крупней сам летательный аппарат. "Карманным" "Орион" сделать если и можно то крайне сложно. Двигатель же Зубрина может быть очень компактным.  При этом сохраняется уникальное сочетание  высокого удельного импульса (той самой скорости истечения) и высокая тяга. Как у Ориона (хотя ценой чего - отдельный вопрос). Так на скоростях ~ 50 км/с (это типичная скорость всех разрабатываемых ионных двигателей) ракета с таким двигателем по оценке Зубрина должна обладать  ускорение до 4g!!!
То есть обе концепции похожи, но не конкуренты друг другу, ибо работают в разных весовых категориях и в общем то для каждого идиальный диапазон скоростей истечения будет свой (на порядок-два разный).

Не знаю как кому, но я лично считаю такой двигатель ИДЕАЛЬНОЙ последней ступенью межзвездного зонда. Говорю это сразу, чтобы объяснить почему такой мечтатель как я (не опускающийся до низменных задач ближайшей космонавтки, считая ее гиблой фантазией) заинтересовался столь "примитивной" системой тяги.



Уточню для тех кто не знает. Я давно уже считаю, что если межзвездные корабли (зонды) когда-либо полетят, то они будут как и наши современные исследовательские зонды составными системами, использующие РАЗНЫЕ принципы тяги на разных стадиях полета.
Универсального решения нет и не будет.
Прежде всего, разгон будет осуществляться мощной и громоздкой системой-носителем, которая отделится от корабля и межзвездный полет не перенесет (при этом большая часть системы вообще никуда не полетит). Скажем межзвездный зонд разгоняетя лазерным парусом, пучком частиц, ионным двигателем запутываемым по  микроволновому лучу.
Сам полет корабля через межзвездную среду - отдельная проблема. Потребуется специальный шит. Целая система защиты от набегающего потока частиц и пыли.
Если корабль переживет полет через межзвездную среду следующая и совершенно отдельная проблема - торможение у цели.
Большая  часть торможение у цели без тени сомнения будет осуществляется МАГНИТНЫМ ПАРАШЮТОМ. Эта система настолько лучше любой ракеты, что  НЕ ИМЕЕТ КОНКУРЕНТОВ. Это тот самый магнитный парашют, который изболел (посчитал) тот же Зубрин.
Но!  Парашют не может использоваться до самого конца всей процедуру торможения. Его эффективность падает (или растет) пропорционально КУБУ скорости полета. На скорости ~ 1000 км/с парашют уже почти не работает (если тормозить и дальше им, то торможении растянете на десятилетия). Рано или поздно система должна  отбросить его и тормозить чем-то более эффективным. Третьей ступенью. Какой-то ракетной системой.
Кроме того. Уже затормозившему зонду как межпланетной станции потребуется  эффективный двигатель маневрирования который обеспечит перелеты внутри системы  по очень крутым траекториям переходить от одной планеты к другой экономя время и ресурсы на исследования.  
Верно?
Вот для этого и нужен компактный эффективный высокоимпульсный ядерный двигатель Зубрина. Его задача - погасить последние 1000 км/с (для этого достаточно 500 км/с скорости истечения) и обеспечить маневны зонда внутри системы.
Вот, собственно, почему я так заинтересовался этой идеей Зубрина.
Тот аппарат, что долетит до звезды (будучи автоматом) будет иметь относительно скромные массогабаритные параметры. Вписать в них схему "Орион" можно (скажем "медуза") но сложно.



Есть еще одна (вторая) альтернатива для третьей ступени. Антипротонный парус. То есть двигатель Зубрина у меня не единственный кандидат на последнюю, компактную ступень межзвездной системы.

http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/740Howe.pdf



Но ракета Зубрина мне пока кажется первым кандидатом.
Что же касается применения ее для межпланетных полетов здесь, дома, в солнечной системе, то я считаю ее слишком грязной.
Чтобы Зубрин не говорил, выхлоп будет иметь максвелловское распределение скоростей частиц и некоторая часть грязного выхлопа неизбежно будет оседать в гравитационных полях.

Кстати, высокий импульс + высокая тяга создает очень специфическую проблему для данного двигателя. Не решенную Зубриным (а поэтому интересную для дальнейшего обсуждения).
Но об этом - отдельно.

Alex_Semenov

Я думаю у данного двигателя есть две фундаментальные проблемы.

1) Чисто ядерная. Как обеспечить необходимый, пускай и  мизерный процент выгорания ядерного топлива? И здесь действительно нужно мнение ядерных физиков. Спецов. Насколько я понимаю, простая суть в том, что рост числа нейтронов происходит по экспоненте. Весь вопрос в согласовании этой кривой с другими физическими процессами в струе. Если кривая не достаточно круто растет, то струя успеет испарится и потеряет критические параметры задолго до того, как успеют прореагировать наши доли процентов топлива. То есть мы не дотянем до нужного уровня эрерговыделения, а значит в конечном итоге не получим нужной скорости истечения.
Если же экспоненциальная кривая слишком круто взлетает вверх наше топливо  прореагирует слишком рано. Скажем еще в камере смешивания. Это просто разрушит двигатель. Сложность в том, что полоса нормального режима работы двигателя скорей всего очень узкая. Двигатель капризен и опасен.
Но все эти детали - детали для зубров от ядерной физики.

Я хочу указать еще на одну огромную проблему.

2) Термодинамическая проблема камеры сгорании и (или) сопла. Это универсальная проблема ЛЮБЫХ ракетных двигателей, претендующих и на высокий импульс и тягу одновременно.
Суть вот в чем.
Чем выше скорость истечение, тем квадратично больше энергии надо вкачать в каждый килограмм отбрасываемой массы. А значит и мощность двигателя квадратично выше. А так как КПД процесса никогда не бывает 100% то бороться с разрушающим двигатель утечками паразитной энергии опять же квадратично сложней.
Если раньше у вас скорость истечения была 5 км/с а теперь в 10 раз больше, то вы должны через двигатель "прогнать" в 100 раз больше энергии (при том же расходе топлива). Если у вас 500 км/с, энергии прокачивается через двигатель в 10 000 раз больше.
Это при том же секундном расходе топлива!  
Конечно. Если вы хотите сохранить уровень тяги прежним (F=mv/t), скажем ускорение в 3-4 g, то увеличив скорость истечения в n раз вы в n раз можете снизить секундный расход ракетной массы. То есть в итоге энергетика на единицу тяги  растет только линейно.
Но учитывая, что даже химические движки при 5 км/с работают уже на границе термодинамических пределов лучших материалов, то 10 или 100 кратное увеличение удельной тепловой нагрузки на двигатель можно считать более чем нетривиальной задачей.
Уже термические ЯРД оказываются жирными переростками по сравнению с ЖРД, хотя их удельный импульс менее чем в 2 раза возрос.
ВОТ почему все современные ионные двигатели имеют столь мизерную тягу.
Имея скорость истечения в 50 км/с (в 10 раз большую чем у химических движков) и работая на пределе термодинамических возможностей материалов (кстати имея весьма высокий собственный кпд 70-95%) они вынуждены создавать тягу минимум в 10 и 100 раз меньшую по сравнению с ЖРД той же массы.
А учитывая, что электроэнергию для них надо еще и где-то взять (скажем, используя реактор, турбину, радиаторы, то есть  термодинамический цикл) то доступное ионным ракетам ускорение (при условии что источник энергии здесь же на борту) от силы десятые, а скорей всего сотые g.
Красивый ракетный выхлоп заодно является и радиатором. Но у ионной ракеты радиатор - гигантские поверхности-крылья которые очень неохотно расстаются с теплом. Ведь косом - это гигантский термос. Идеальный сосуд Дьюара, по сути.

На пути повышения (или хотя бы сохранения) тяги при повышении удельного импульса встает термодинамики. И здесь принцип получения, источник энергии не важен. В связи с этим рассуждения Зубрина, мол охладим наш движек чистой водой - фигня собачья.
Не получится.
Как по мне, если что-то и можно сростить (истечение 66 км/с и ускорение 4-1 g) нужно отказываться от идеи материального сопла вообще. Здесь продукт сгорания уже  плазма. А значит нужно строить двигатель ВНЕШНЕГО сгорания, подальше от поверхностей ракеты с магнитным соплом очень большого размера. Хочешь не хочешь схема близкая к "Орион". Чтобы паразитная энергия (которая может быть и 70%) в основном улетала в открытый космос не цепляя конструкцию корабля.
Здесь уже нужно не сопло, а зеркало приличных размеров.
Это приводит к тому, что собственно зона сгорания (реакции) желательно удалить на десяток метров от ближайших твердых элементов корабля. И вряд ли Зубринский "шприц" сможет создать такую длинно-замороженную струю в вакууме. Его (шприц) видимо придется выдвигать достаточно глубоко в зону высоких температур и очень интенсивно экранировать и охлаждать, чтобы не сгорел хотя бы его.  
В общем, тут проблем на самом деле куда больше чем хотелось бы.
Еще раз.
Нет разницы какой у вас источник энергии. Пускай самый фантастический. Глюонно-кварковый конвертор. Все равно всю паразитную энергию отвести из камеры сгорания - кишка тонка. Значит надо ее разбрасывать в окружающее пространство.
Как я говорю, вы не можете иметь мощный экономичный и компактный двигатель.
Либо мощный но неэкономичный, либо экономичный но немощный. Ну а если и мощный и экономичный то уж никак не компактный. В случае Зубринской ракеты самой крупной частью ракеты как ни крути будет двигатель или (и) радиаторы к нему. И обещанное ускорение в 4g еще надо обосновать.

Alex_Semenov

Вот тут еще есть чуть-чуть по этой же системе.
http://www.projectrho.com/rocket/rocket3c2.html
Разумеется по-английски
Ну и очаровательно-красочная схема.



Есть даже конкретные оценки размеров камеры смешивания и длинны трубок...
Однако, я думаю, сама схема в корне неверна.
Я тут накидал на скорую руку "наш (мой) ответ Чемберлену".
Кто уже знаком с подобными (и во многом похожими) моими каракулями не обессудте за однообразие принимаемых решений.
Ну что я могу поделать?
Если таковы условия задачи и решения идентичны?



Прежде всего магнитное зеркало взято у японцев вот отсюда:
http://go2starss.narod.ru/pub/E005_RFLR.html

Как уверяют японцы именно такая конфигурация магнитного зеркала обеспечивает 75% эффективность рекуперации разлетающейся из фокуса (1) плазмы.
Между прочим очень недурной результат. Реальное сопло дает примерно тот же показатель.
Да магнитных соленоида внешний (3) и основной, внутренний (4) создают поле которое и отбрасывает большую часть заряженной плазмы назад (8 ), хотя небольшая часть прорывается вперед по оси (7). Поэтому игла-инжектор гомогенного соляного раствора (2) расположена не по оси двигателя.
Вообще говоря, инжектор (он же МГД-насос) самый критичный элемент конструкции.
Это самый приближенная к зоне реакции элемент двигателя. Поэтому он должен интенсивно охлаждаться (особенно конец). Как мы знаем поток излучения падает обратно пропорционально квадрату расстояния от точки взрыва (а место горения несомненно является более-менее точкой, фокусом). Обратите внимание. Радиус R и определяет эффетивный диаметр двигателя (и в итоге его термическую мощность). Чем он больше, тем меньший поток энергии обрушивается на узлы двигателя. И хотя подставленных под этот поток узлов не так уж и много (большая часть паразитной энергии летит мимо конструкционных элементов корабля и двигателя), но и они должны будут все равно интенсивно охлаждаться, если принять, скажем, максимально допустимый поток паразитной энергии 10 MВт/м2.
Поэтому соленоиды скреплены шестью "лопатами" радиаторов (5). Повернутые ребром к зоне горения сами они нагреваются реакцией горения незначительно. А их  боковая поверхность как раз сливает принятое лбом соленоидов тепло. Заодно радиаторы служат силовым элементом, удерживающим оба соленоида от взаимного притяжения (тонны силы).
6 - запас топлива (специальный бак) и полезная нагрузка. Кстати, их можно было бы расположить и умней.

Тут так же приведены диаграммы из работы японцев. Уравнение Стефана-Больщмана венчает (так сказать) всю композицию (аппликацию). Зная площадь радиаторов, оценив для них эффективную температуру T и k~1, можно оценить в итоге удельную мощность камеры сгорания. Отсюда тягу. Если в итоге для 500 км/с  удастся получить для всей системы ускорение больше 1м/с2 (0.1g)  я посчитаю это крайне хорошим результатом
:)

Димитър

ЦитатаИвана Моисеева выложил по моей просьбе собственно Зубринский ПЕРВОИСТОЧНИК
Вот: http://path-2.narod.ru/02/03/nswr.doc
Большое спасибо за ссылку!  :)

ЦитатаДвигатель Зубрина - свистун, физлер, расточающий ядерное горючее крайне НЕЭФФЕКТИВНО.
О 80 % выгорания, конечно не говорим, но все таки степень выгорания будеть зависеть от условий, которых мы создадим для реакции - смотри мой последний пост выше.

ЦитатаЕсли же экспоненциальная кривая слишком круто взлетает вверх наше топливо прореагирует слишком рано. Скажем еще в камере смешивания. Это просто разрушит двигатель.
Не прореагирует слишком рано! Просто делим струю на несколько потоков - в каждом масса значительно ниже критической. Встречаются они в центре камеры сгорания - и там уже масса силно надкритическая - и степень выгорания может быть большой!

ЦитатаТермодинамическая проблема камеры сгорании и (или) сопла.
Какая проблема? Вы про нее спросите термоядерщиков! Они собираются сотни миллионов градусов плазмы удержывать - в энергийном реакторе! А это значит - 20-30 лет работы. Нам пару часов хватят ...

Alex_Semenov

Цитата
ЦитатаИвана Моисеева выложил по моей просьбе собственно Зубринский ПЕРВОИСТОЧНИК
Вот: http://path-2.narod.ru/02/03/nswr.doc
Большое спасибо за ссылку!  :)
Ивану спасибо!

Цитата
ЦитатаДвигатель Зубрина - свистун, физлер, расточающий ядерное горючее крайне НЕЭФФЕКТИВНО.
О 80 % выгорания, конечно не говорим, но все таки степень выгорания будеть зависеть от условий, которых мы создадим для реакции - смотри мой последний пост выше.
Опять же это вопрос для ядерщиков. Хорошо под проблему заточенных. Но мое чутье подсказывает что слишком все просто и хорошо получается. У мамаши природы так не бывает.

Цитата
ЦитатаЕсли же экспоненциальная кривая слишком круто взлетает вверх наше топливо прореагирует слишком рано. Скажем еще в камере смешивания. Это просто разрушит двигатель.
Не прореагирует слишком рано! Просто делим струю на несколько потоков - в каждом масса значительно ниже критической. Встречаются они в центре камеры сгорания - и там уже масса силно надкритическая - и степень выгорания может быть большой!

:) Это первая идея которая приходит в голову. И это дурная идея. Вы фактически пытаетесь соединить две докритические половинки урана руками. Избитый пример из художественной литературы 50-х. И уже всякий идиот знает, что взрыва не получится. Даже уран надо соединять очень быстро со скоростью пушечного снаряда. Плутоний вообще более 10 км/с сближать (поэтому его рвут имплозией). Экспонента числа нейтронов растет слишком быстро.

Цитата
ЦитатаТермодинамическая проблема камеры сгорании и (или) сопла.
Какая проблема? Вы про нее спросите термоядерщиков! Они собираются сотни миллионов градусов плазмы удержывать - в энергийном реакторе! А это значит - 20-30 лет работы. Нам пару часов хватят ...
[/quote]

Во-первых. Температура не показатель. Мощность. Тепловая мощность. Вот что важно. У термоядерщиков могут быть миллиарды градусов. Но до этой температуры нагрето почти НИЧТО. Почти вакуум. Считанные граммы газа в многометровой трубе.
Согласны?
Но самое главное...
Во-вторых. Нам нельзя смотреть на ЗЕМНЫХ термоядерщиков, ядерщиков и вообще энергетиков. Вот смотрите. Типичная ядерная электорстанция на поверхности Земли:



Вы видите где здесь реактор? А турбинный зал? Надо поискать еще. А вот то, что бросается в глаза В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ - четыре гигантских градирни. Радиаторы охлаждения.
Вспоминаем формулу Карно.

К.п.д= (Tнагревателя-Тхолодильника)/Тнагревателя

Вы не можете иметь КПД 100%. А значит в любом генераторе и (или) двигателе у вас будет некоторый процент ПАРАЗИТНОГО тепла. Мощность вашего двигателя как раз и будет ограничиватся тем количеством паразитной мощности (Джоулей в секунду), от которой вы сможете избавится без разрушения устройств.
Логично?
Условно полезная мощность не меньше паразитной. Ибо 50% кпд - очень хороший кпд.
Я выше писал, что обычный ЖРД работает на пределе тепловых возможностей самых современных материалом. А скорость истечении из него 5 км/с.
Если вы хотите получить скорость истечения в 10 раз большую при той же тяге, вы должны вкачивать в двигатель в 10 раз больше мощности (снизив расход топлива в 10 раз). А значит в 10 раз увеличить СБРОС паразитной мощности.
На Земле (скажем на борту подводной лодки) этого добиться не сложно. Вы берете больше забортной воды - прекрасного источника холода. Тепловые и ядерные электростанции стараются строить у водоемов. Чтобы сбрасывать туда паразитное тепло, которое размешается с атмосферой и в итоге уйти ночью в космос через гигантский РАДИАТОР - ночную сторону планеты.
Но космический корабль такой шары, лафы, кайфа лишен.
Он находится внутри  гигантского термоса, сосуда Дюара. Единственный способ избавится от лишнего тепла - излучение (согласно формуле Стефана-Больцмана).
Кстати ЖРД очень холодный двигатель. Через него в секунду могут прокачиваться тонны топлива и сам по себе хвост, выхлоп является прекрасным радиатором, куда и сбрасывается лишнее тепло (это при кпд ЖРД 60-70%!). Но в новом продвинутом двигателе если вы экономите ракетную массу, выбрасывая  МЕНЬШЕ топлива с большей скоростью, то сам выхлоп теряет это дополнительное полезное свойство - свойство радиатора.
Все это приводит к тому, что НЕ ВАЖНО КАКОЙ ПРИНЦИП ДВИГАТЕЛЯ вы используете, но повышая удельный импульс, вы ВЫНУЖДЕНЫ снижать удельную мощность системы и как следствие ТЯГУ.
Яркий пример - ионные двигатели. Граммы тяги на тонны высокотехнологичного оборудования львиная часть которого - гигантские крылья-радиаторы.

Почему схема ядерного "Ориона" ухитряется совмещать и высокий удельный импульс и тягу? Эта простоватая схема не так проста. Я называю такую схему "двигателем внешнего сгорания". Система не прокачивает через себя всю паразитную энергию. При этом и не вся полезная утилизируется. Разумеется! Но так как ядерной энергии более чем достаточно для межпланетных полетов (выше мы считали. достаточно тысячных долей процента для  идеальных 50 км/с) то результат получается впечатляющий. Попытка повысить эффективность системы сразу же приводит к падению удельной тяги и ускорения (Тот же "Дедал", VISTA).

http://go2starss.narod.ru/pub/E016_LFR.html

Димитър

ЦитатаВы фактически пытаетесь соединить две докритические половинки урана ... Даже уран надо соединять очень быстро со скоростью пушечного снаряда. ...Экспонента числа нейтронов растет слишком быстро.
Значит надо соединять со скоростью пушечного снаряда. Такие ускорители капель горючего вполне можно сделать. Хотя это может быть не очень легко.

Кстати, двигатель у нас получится импульсный - подаем порцию горючего, взрывное сгорание (во время которого не получится продолжить подачу горючего), а потом подача новой порции...

ЦитатаВо-первых. Температура не показатель. Мощность. Тепловая мощность. Вот что важно. У термоядерщиков могут быть миллиарды градусов. Но до этой температуры нагрето почти НИЧТО.
Это «ничто» должно выделять гигаватты мощности!

ЦитатаВсе это приводит к тому, что НЕ ВАЖНО КАКОЙ ПРИНЦИП ДВИГАТЕЛЯ вы используете, но повышая удельный импульс, вы ВЫНУЖДЕНЫ снижать удельную мощность системы и как следствие ТЯГУ.
Понадобится - снизим, чтобы сделать первые двигатели. А потом, с накоплением опита, будем потихоньку увеличивать.

ЦитатаЯркий пример - ионные двигатели. Граммы тяги на тонны высокотехнологичного оборудования львиная часть которого - гигантские крылья-радиаторы.
Пример очень неудачный! Проблем ЭРД - необходимость в тяжелого источника электроэнергии.

Цитатаhttp://go2starss.narod.ru/pub/E016_LFR.html
Еще раз спасибо!

ЦитатаВо-вторых. Нам нельзя смотреть на ЗЕМНЫХ термоядерщиков, ядерщиков и вообще энергетиков.
Все-таки, надо! Потому что у них практические наработки (и продолжают работать), а у нас - только бумажные наброски.

Это приводит к такой мысли: А нельзя ли как-то приспособить одну из существующих экспериментальных установок (ТОКАМАК, пробкотрон и т.д. - не важно какой) для проведения опытов с урановой плазмы по программе создания ГФЯРД. Нам сотни миллионов градусов не нужны. Хватит пока и на 2 - 3 порядка меньше.