ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ!

Автор Василий., 04.07.2009 15:40:09

« предыдущая - следующая »

0 Пользователей и 1 гость просматривают эту тему.

Василий.

Очень давно слышу разговоры об ионных двигателях, в которых ионизированные атомы ксенона ускоряются в электрическом поле и вылетают из ракеты со скоростью 30 км/с. Тяга таких двигателей мала, взлететь с земли на них невозможно, но я предлагаю ВСЕ РАЗГОННЫЕ БЛОКИ спутников и аппаратов, летящих дальше околоземной орбиты, ОСНАСТИТЬ ИОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ! Согласно расчётам по формуле Циолковского (а они очень просты), для полёта к Луне понадобится доставляемый на околоземную орбиту аппарат, содержащий по массе всего 12-15 процентов топлива (при нынешних 70-80 процентах с отдельным разгонным блоком). Конечно, так как тяга одного такого двигателя равна всего нескольким сотым долям ньютона, полёт на луну АМС, оснащённой такими двигателями, будет продолжаться значительно дольше, чем, к примеру, полёт "Аполлона" или запущенной на днях лунной АМС. И продолжительность такого полёта будет зависеть исключительно от того, сколько двигателей (и, соответственно, солнечных батарей для их элктропитания), будет установлено на АМС. Но в любом случае если сейчас доставка аппарата на Луну или Марс стоит в разы дороже, чем доставка аппарата той же массы на МКС, а с использованием ионных двигателей стоимость этих полётов станет почти одинаковой. Уже было запущено несколько АМС с ионными двигателями, значит, эти двигатели существуют не только в головах конструкторов, а реально построены и работают! (в отличие, к примеру, от ядерных двигателей). А значит, остаётся только установить уже созданные двигатели и солнечные батареи на разгонный блок нового типа и выводить на Луну ракетой "Союз" аппарат большей массы, чем раньше выводился ракетой "Протон"! Новый разгонный блок не должен отделяться от АМС: он пригодится и в окрестностях Луны или Марса, а масса его, в отличие от существующих РБ, меньше, чем у полезной нагрузки (конкретно научной аппаратуры). Кроме того, предлагаю создать многоразовые разгонные блоки, которые выводились бы на орбиту тем же "Союзом-2" или "Ангарой-3", затем подбирали на околоземной орбите спутники связи, запускаемые теперь уже не тяжёлым "Протоном" или "Арианом", а какой-нибудь лёгкой "Ангарой 1.2", перегоняли бы их на геостационарную орбиту, а затем снова возвращались бы на низкую орбиту для выполнения нового задания. А для заправки топливом (скорее всего, это будет ксенон) можно было бы создать хранилище ксенона на околоземной орбите - огромный бак, выводимый сверхтяжёлой ракетой ("Русь-МСТ" или "Арес-5"). И многоразовые РБ после выполнения каждого задания будут стыковаться с этим хранилищем и заправляться, и расходоваться такое хранилище будет до нескольких лет, после чего надо будет осуществить следующий запуск сверхтяжёлой ракеты. Многоразовые РБ могут слетать на Луну или даже Марс, а потом вернуться на околоземную орбиту (вероятно, вместе с пробами грунта), а выводимая ими аппаратура останется на селеноцентрической или ареоцентрической орбите. Кстати, я считаю, что единственный способ отправить человека на Марс - использовать ионные двигатели (в значительно большем количестве, чем для транспортировки АМС), так как по моим расчётам масса корабля без РБ должна составлять не менее 80 тонн, один только марсианский посадочный модуль тонн 25-30, а ещё жилые помещения для такого продожительного полёта, вода, пища, топливо (тоже ксеноновое), а если использовать только ЖРД, то масса корабля будет не 80 тонн, а несоизмеримо больше, я даже не берусь посчитать, сколько: надо же тормозить у Марса, потом разгоняться с ареоцентрической орбиты и т.п. Плюс ещё разгонный блок массой в 2-3 раза тяжелее корабля! И никакая РН, как разрабатываемая ранее, так и разрабатываемая сейчас, от "Н-1" и "Вулкана" до "Руси-МСТ" не сможет вывести на траектроию к Марсу такой груз. Можно придумать вариант с несколькими пусками, сейчас это гораздо проще, чем во времена "Аполлонов" и "Н-1" ввиду развития электроники, но собранная на околоземной орбите конструкция будет весить больше, чем МКС (Кто подскажет, сколько весит МКС, тонн 400?)! Выведение на орбиту такого груза представляется нереальным. Особенно, если учесть, что запускать всю конструкцию придётся несколько раз: сначала для испытаний, потом для полёта человека. А если использовать ионные двигатели для разгона у Земли и торможения у Марса, то на всё про всё понадобится всего тонн 10 ксенона, плюс тонн 10 оборудования (солнечные батареи и сами двигатели). Итого, сложив с 80 тоннами, получаем 100 тонн, как раз под ракету "Русь-МСТ" или "Арес-5". То, что разгон будет медленный, никакой роли не играет, так как лететь к Марсу всё равно долго.

AlexB14

ЦитатаКонечно, так как тяга одного такого двигателя равна всего нескольким сотым долям ньютона, ...
До 1,5Н!
http://users.gazinter.net/fakel/spd290.html
Errare humanum est

Василий.

Интересно... Значит, такие двигатели готовы к производству не только на Западе, но и у нас! Их надо вывести в серийное производство НЕМЕДЛЕННО! Они позволят снизить стоимость стартов АМС и спутников связи в разы! И он может работать 27000 часов, это более тысячи суток, это более чем  достаточно, чтобы долететь до Марса и обратно или в один конец до Юпитера или даже Сатурна. Если установить на 8-тонную (исходя из грузоподъёмности "Союза-2") АМС 10 таких двигателей (суммарная масса всего 230 кг), то за 21 день работы двигателей (что не так уж медленно) получится разогнать такую АМС от первой космической скорости до второй. Во время разгона орбита будет изменяться от круговой до всё более вытянутой. Единственное, неизвестно, какого размера понадобятся солнечные батареи, у меня нет данных, сколько ватт мощности вырабатывается в среднем на один килограмм массы батареи на уровне орбиты Земли. Кроме того, на сайте производителя мощность тоже точно не указана. Для нормальной работы пилотируемого корабля, летящего к Марсу, понадобится 50-100 таких двигателей. А для полёта небольшой АМС - всего 1 двигатель, и небольшие АМС (до тонны) можно будет запускать не ракетами среднего класса, а ракетами лёгкого класса, т то сразу по нескольку штук! Практическое применение ионных двигателей сделает огромнейший прорыв в исследовании Луны, планет, их спутников, астероидов и комет!

Старый

Цитатая предлагаю ВСЕ РАЗГОННЫЕ БЛОКИ спутников и аппаратов, летящих дальше околоземной орбиты, ОСНАСТИТЬ ИОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ!
Гениально! :)
1. Ангара - единственный в истории мировой космонавтики случай когда новая ракета по всем параметрам хуже старой. (с) Старый Ламер
2. Всё что связано с Ангарой подчинено единственной задаче - выкачать из бюджета и распилить как можно больше денег.
3. Ангара и Омск созданы друг для друга!.

ааа

ЦитатаИх надо вывести в серийное производство НЕМЕДЛЕННО!
...
Единственное, неизвестно, какого размера понадобятся солнечные батареи, у меня нет данных, сколько ватт мощности вырабатывается в среднем на один килограмм массы батареи на уровне орбиты Земли.
Ну вот, еще один романтик, потрясенный высоким удельным импульсом ЭРД. :)
Квадратный метр солнечной батареи у Земли дает порядка 100 Вт. Для создания тяги 1 грамм надо около 200-250 Вт. Для 1Н, соответственно, 25 кВт. Солнечные батареи МКС, ЕМНИП, имеют мощность 75 кВт - немаленькие такие батареи. То есть, СБ не самый хороший источник энергии для ЭРД, тут нужен ядерный реактор.
Это был первый нюанс. Второй нюанс в том, что у полетов на двигателях малой тяги свои формулы  для расчета орбитальных переходов и по этим формулам потребные приращения скоростей раза в два выше, чем для традиционных двигателей.
Третье - нету столько ксенона, это достаточно редкий элемент.

Ну и напоследок. ЭРД и так стоят на многих ГСО-спутниках и работают годами и десятилетиями в своей нише.
"One small step for a man, one giant leap for mankind." ©N.Armstrong
 "Let my people go!" ©L.Armstrong

Дем

Василий.
Основная проблема ионников - это не малая тяга, а энергия.
Энергию для них имеет смысл брать только из двух источников - реактора и солнечных батарей, химию эффективней жечь напрямую.
Но реакторы на орбите как-то не прижились, а батареи на приемлемую мощность и сами весят немало.
Кроме того, для спутников связи и подобных каждый дополнительный день полёта на целевую орбиту - это упущенная прибыль.

ЦитатаЕдинственное, неизвестно, какого размера понадобятся солнечные батареи, у меня нет данных, сколько ватт мощности вырабатывается в среднем на один килограмм массы батареи на уровне орбиты Земли.
Вот например то, что на МКС недавно поставили (мощность 25-30 кВт):

S6 Specifications

Width: 16.3 feet; 195.48 inches
Length: 45.4 feet; 545.16 inches
Height: 14.7 feet; 176.54 inches
On-Orbit Weight: 31,060 lbs
Cost: $297,918,471 (2009 US Dollars)

В то же время движку с тягой 60г надо целых 3.75 кВт...

ЦитатаТретье - нету столько ксенона, это достаточно редкий элемент
Это как раз неважно, можно любой химэлемент использовать. Хоть вышедшие из строя спутники на топливо разбирать :)
Летать в космос необходимо. Жить - не необходимо.

cisco

Цитата
ЦитатаТретье - нету столько ксенона, это достаточно редкий элемент
Это как раз неважно, можно любой химэлемент использовать. Хоть вышедшие из строя спутники на топливо разбирать :)
Вместо ксенона вроде бы хорошо подходит водород по критерию цена/качество.

PS. А в качестве источника питания топливный элемент 2H2+O2+СолБат, а полученную воду как рабочее тело в ионник :roll: (идея бредовая конечно, но если посчитать......)

Василий.

ЦитатаВместо ксенона вроде бы хорошо подходит водород по критерию цена/качество.

PS. А в качестве источника питания топливный элемент 2H2+O2+СолБат, а полученную воду как рабочее тело в ионник :roll: (идея бредовая конечно, но если посчитать......)
Водород плох тем, что его сжимать трудно, так как у него маленькая молярная масса. С топливными элементами на первый взгляд идея неплохая. Массовая доля ксенона в воздухе равна 0,00004. Это значит, что для полёта человека на Марс нужно переработать 200 миллионов кубометров воздуха, а для создания хранилища ксенона на орбите - чуть больше кубического километра воздуха. По сравнению со всей атмосферой - очень мало. Вот энергию получить действительно трудно. Но на АМС ставить ионные двигатели хотя бы в маленьком количестве обязательно, т.к.они могут взлетать с околоземной орбиты хоть год, используя солнечные батареи. В качестве источника энергии предлагаю такой: мы писали в теме про плутоний, что если сблизить куски плутония-239 с массой немного меньше критической, то ядерного взрыва не произойдёт, но будет постоянно выделяться большая энергия. Отвод тепла не даст кускам плутония расплавиться, и выделяющаяся энергия будет перерабатываться в электричество. Для выключения такого источника следует только увеличить расстояние между кусками.

Василий.

Один ионный двигатель, способный работать от не слишком больших солнечных батарей, сможет вывести АМС на траекторию полёта к Марсу или Венере за 200 дней - тоже не так много относительно того, что многие АМС и так имеют очень сложные траектории. Но для полёта на Марс человека придётся придумывать что-то ещё, кроме солнечных батарей, так как полёт к Марсу человека на ЖРД невозможен: на околоземную орбиту придётся выводить около 500 тонн груза, если не больше, а это в принципе нереально даже несколькими пусками.

Дем

cisco
Водород не очень хорош - и хранить сложно (помимо вышесказанного он ещё и прямо через стенки утекает), и затраты на ионизацию максимальные (и энергия на атом больше, и атомов надо больше ионизировать)

Василий.
Для АМС ионники с реактором самое то, но их слишком мало запускают, а разработка дорогая.
Поэтому и используют химию.
Летать в космос необходимо. Жить - не необходимо.

Василий.

ЦитатаДля АМС ионники с реактором самое то, но их слишком мало запускают, а разработка дорогая
Реактор надо будет ставить при полёте человека на Марс - там другого не дано. А АМС можно запускать и без реактора, в крайнем случае с обычным изотопным генератором.

ааа

Цитата...АМС можно запускать и без реактора, в крайнем случае с обычным изотопным генератором.
Это уж на совсем крайний случай, например, если Солнце погаснет.
"One small step for a man, one giant leap for mankind." ©N.Armstrong
 "Let my people go!" ©L.Armstrong

AlexB14

Цитата..., у меня нет данных, сколько ватт мощности вырабатывается в среднем на один килограмм массы батареи на уровне орбиты Земли.
Для выработки 1кВт нужна батарея массой 15 кг. Значит, для питания одного СПД-290 нужна СБ массой 30*15=450кг. Предполагается, что энергию выгодно получать от СБ если её надо не более 100кВт. При большем энергопотреблении нужны ЯЭУ. :wink: Значит в пределах земной орбиты от СБ можно питать только 3 СПД-290. :wink:
Errare humanum est

Старый

ЦитатаОдин ионный двигатель, способный работать от не слишком больших солнечных батарей, сможет вывести АМС на траекторию полёта к Марсу или Венере за 200 дней - тоже не так много относительно того,
Увы, пока "заговор ракетной мафии" приводит к тому что даже АМС с маршевыми ЭРД (от Дип Спейса до Дауна) выводят на отлётную траекторию с помощью обычной ракеты, и только там уже он дальше разгоняется на ЭРД.

Цитатана околоземную орбиту придётся выводить около 500 тонн груза, если не больше, а это в принципе нереально даже несколькими пусками.
Вы уверены?
1. Ангара - единственный в истории мировой космонавтики случай когда новая ракета по всем параметрам хуже старой. (с) Старый Ламер
2. Всё что связано с Ангарой подчинено единственной задаче - выкачать из бюджета и распилить как можно больше денег.
3. Ангара и Омск созданы друг для друга!.

Старый

ЦитатаРеактор надо будет ставить при полёте человека на Марс - там другого не дано.
Вы уверены?

ЦитатаА АМС можно запускать и без реактора, в крайнем случае с обычным изотопным генератором.
Гениально! Позно вы додумались, надо было разработчикам Дауна сказать... :)
1. Ангара - единственный в истории мировой космонавтики случай когда новая ракета по всем параметрам хуже старой. (с) Старый Ламер
2. Всё что связано с Ангарой подчинено единственной задаче - выкачать из бюджета и распилить как можно больше денег.
3. Ангара и Омск созданы друг для друга!.

Василий.

Цитата
Цитатана околоземную орбиту придётся выводить около 500 тонн груза, если не больше, а это в принципе нереально даже несколькими пусками.
Вы уверены?
Да. Насчёт реальности. Сколько лет собирали МКС? А тут масса ещё больше, и запускать её придётся не 1 раз!
Насчёт массы в 500 тонн или больше. Формулу Циолковского никто не отменял. Процентов 70 от этой массы - это разгонный плок, остаётся тонн 150, из них жилой отсек, багаж и марсианский модуль веся вместе тонн 60-70, не меньше! А ещё топливо, чтобы затормозить такую огромную массу у Марса! Даже в прибрном отсеке "Аполлона" было больше топлива, чем чего-либо другого, а тут ещё труднее тормозить! Поэтому с применением только ЖРД 500 тонн, не меньше!

Старый

Цитата
Цитата
Цитатана околоземную орбиту придётся выводить около 500 тонн груза, если не больше, а это в принципе нереально даже несколькими пусками.
Вы уверены?
Да. Формулу Циолковского никто не отменял.
То есть вы уверены что формула Циолковского запрещает вывести несколькими пусками 500 тонн? А сколько она разрешает?

 
Цитатаразгонный плок, остаётся тонн 150, из них жилой отсек, багаж и марсианский модуль веся вместе тонн 60-70, не меньше! А ещё топливо, чтобы затормозить такую огромную массу у Марса! Даже в прибрном отсеке "Аполлона" было больше топлива, чем чего-либо другого, а тут ещё труднее тормозить! Поэтому с применением только ЖРД 500 тонн, не меньше!
Чтото мне эти знаки восклицания напоминают...

Ладно, так с чего вы всётаки решили что вывести на околоземную орбиту 500 тонн это в принципе нереально? Прочитали где или сами додумались?
1. Ангара - единственный в истории мировой космонавтики случай когда новая ракета по всем параметрам хуже старой. (с) Старый Ламер
2. Всё что связано с Ангарой подчинено единственной задаче - выкачать из бюджета и распилить как можно больше денег.
3. Ангара и Омск созданы друг для друга!.

Василий.

Цитата
ЦитатаРеактор надо будет ставить при полёте человека на Марс - там другого не дано.
Вы уверены?
Теперь уже не уверен. Можно для выработки электричества использовать топливные элементы, но образовавшуюся воду, если полёт пилотируемый, космонавты будут использовать в бытовых целях, а выпускать из ионника всё равно ксенон. Кстати, на "Аполлонах" электричество вырабатывалось примерно так... Но мы помним, что случилось с "Аполлоном-13"...

Старый

ЦитатаТеперь уже не уверен.
Это хорошо. А насчёт 500 тонн на орбите?

ЦитатаМожно для выработки электричества использовать топливные элементы,
Вы уже посчитали какова будет масса топливных элементов необходимой мощности, а также запасов кислорода и водорода для них?

ЦитатаКстати, на "Аполлонах" электричество вырабатывалось примерно так...
Кто бы мог подумать! ;) Ну и как там? Какова была масса и мощность энергоустановки? Если бы от неё запитать ЭРД - сколько бы времени Аполлон пилил до Луны?
1. Ангара - единственный в истории мировой космонавтики случай когда новая ракета по всем параметрам хуже старой. (с) Старый Ламер
2. Всё что связано с Ангарой подчинено единственной задаче - выкачать из бюджета и распилить как можно больше денег.
3. Ангара и Омск созданы друг для друга!.

Василий.

Цитата
ЦитатаТеперь уже не уверен.
Это хорошо. А насчёт 500 тонн на орбите?
При использовании ЖРД меньше 500 тонн не получится никак. Всё упирается в формулу Циолковского и необходимость везти на Марс большой жилой отсек ввиду большой продолжительности полёта и большой груз пищи, а также марсианский модуль с тяжёлой (по сравнению с Луной) взлётной ступенью.

Цитата
ЦитатаМожно для выработки электричества использовать топливные элементы,
Вы уже посчитали какова будет масса топливных элементов необходимой мощности, а также запасов кислорода и водорода для них?
Ещё не посчитал. Наверно, идея тоже бредовая, но любая идея может где-нибудь пригодиться. Хотя бы на Земле топливные элементы в технике.
Цитата
ЦитатаКстати, на "Аполлонах" электричество вырабатывалось примерно так...
Кто бы мог подумать! ;) Ну и как там? Какова была масса и мощность энергоустановки? Если бы от неё запитать ЭРД - сколько бы времени Аполлон пилил до Луны?
Аполлон пилил бы до Луны очень долго, но его можно было бы установить уже на вторую ступень РН. Основная часть массы приборного отсека "Аполлона" - это не кислород и водород для электричества, а запас ядовитого топлива гептила для торможения у Луны и разгона к Земле. А кислорода там значительно меньше, чем топлива. Но на "Аполлоне-13" взорвались именно кислородные баки