Все эти мысли не новы, но вроде пока однозначного заключения нет.
Мысль такая: Если создать водород-кислородный блок и в нижней части водородного бака поместить сверхпроводящую катушку-сверхмощный накопитель энергии. А за место турбины в ТНА установить электродвигатели (возможно со сверхпроводящими катушками, охлаждаемые тем же жидким водородом).
Возможно ЖРД станет очень значительно проще, особенно если сравнивать с замкнутой схемой. А УИ должен быть не меньше, а даже больше, так как не расходуется топливо на создание давления. И кроме того можно увеличить процент водорода.
По заявлениям некоторых авторов на сверхпроводящей катушке можно накопить очень большое кол-во энергии, при не больших размерах и массе соизмеримое с полной работой ТНА на полный полет.
Вообще выигрыша не будет. ТНА приводится в ЖРД за счет энергии, отбираемой от стенок сопла, которые так и так надо охлаждать. Вот в двигателе открытой схемы - может и имело бы смысл. Но не в в водородный - там за УИ гонятся, а открытая схема его снижает. И массовео совершенство падает. Кстати, в жидкий кислород катушку тоже вполне можно окунать - вот в керосинке открытой схемы, может быть, электродвигатель прогрессивнее перекиси окажется. ПРОЩЕ - нет, не станет. Там турбина, тут многополюсный электродвигатель. Может сать _многоразовее_. Точно станет более управляемым. Но проще - не. Примерно такой же и останется.
Еще оидн ньюанс - чем выше давление в камере, тем больше нужна мощность для подачи компонентов. AFAIK в современных ЖРД с высоким давлением она составляет до 5% от мощности двигателя. Так-то она отбирается даром, а так придется делать накопитель и запасать в нем энергию для всего времени работы ТНА.
Повторюсь - идея _в принципе_ перспективна для всяких самоделок на паре керосин (метан) - ЖК. Именно вместо аккумулятора. Потому как ЗНАЧИТЕЛЬНО проще контролировать двигатель. С другой стороны, у меня почему-то ощущение есть, что по стоимости литиевый аккумулятор в такой схеме будет выгоднее, чем сверхпроводящая катушка - товар штучный и пока недоведенный ;-).
Никаких шансов. По сравнению с двигателем замкнутой схемы УИ не изменится. А вот вес... Вес накопителя, преобразователя и электродвигателя соответствующей мощности уменьшит весовое совершенство и в итоге только ущерб.
Идея, ИМХО, имеет смысл для реализации турбодетандера-ожижителя, предназначенного для обеспечения длительного хранения водорода в космосе.
Чё-то мне попадалась схема электротрансмиссии от турбогенератора на компрессор. Кажись, на Мерлин :D !
В методе ФСА (функционально стоимостной анализ) есть способ "мозгового штурма" через озвучивание случайных ассоциаций - отличный пример. Всем читателям "НК", не думайте что "крыша поехала", так надо!!! Уважаемый Гусев А. раскрой мысль "ширее".
Так нада, чтобы ехала? :D
Да - добавление. Сверхпроводящий накопитель по сути - это пружина. В нем сила Ампера растягивает сверхпроводящую катушку. Если катушка не будет дОлжным образом армирована - рассыплется нафиг ;-) Поэтому плотность энергии в ней не превысит плотность... да в том же супермаховичном накопителе - кстати говоря, может, проще им приводить? На земле закрутили, на орбите оно кончилось ;-) Чтобы избежать гироэффекта - два противовращающихся соосных маховика, работающих на две ступени ТНА ;-D.
А за счет чего в сверхпроводящей катушке накапливается большая энергия ?
Поясню вопрос. Когда сверхпроводник подключен к источнику ЭДС, мы можем увеличить ток за счет уменьшения внутреннего сопротивления источника (грубо говоря, вброс большего количества электронов). При этом проводник электрически нейтрален: сколько электронов в него влетело с одной стороны, столько же ушло с другой, при том, что этих электронов может быть больше или меньше.
В замкнутом же кольце электронов ровно столько, сколько их есть в проводнике данного объема. За счет чего они могут обеспечить больший ток? За счет их "разгона"?
Правильнее называть "сверхпроводящий накопитель магнитной энергии"(E=1/2 L I^2). Тогда недоразумение исчезает, катушка она и есть катушка, то есть индуктивность.
А большой ток в сверхпроводнике вообще получить "нелегко", если хотим сохранить сверхпроводимось.
ЦитироватьДа - добавление. Сверхпроводящий накопитель по сути - это пружина. В нем сила Ампера растягивает сверхпроводящую катушку. Если катушка не будет дОлжным образом армирована - рассыплется нафиг ;-) Поэтому плотность энергии в ней не превысит плотность... да в том же супермаховичном накопителе - кстати говоря, может, проще им приводить? На земле закрутили, на орбите оно кончилось ;-) Чтобы избежать гироэффекта - два противовращающихся соосных маховика, работающих на две ступени ТНА ;-D.
Совершенно верно! Посути мы имеем сосуд высокого давления, только вместо газа - магнитное поле.
Если мне не изменяет память, состояние сверхпроводимости совершенно "не дружит" с наличием магнитного поля. Так что накопить заметную энергию в такой катушке не получится.
Эээ, http://elementy.ru/news/164759
ЦитироватьПравильнее называть "сверхпроводящий накопитель магнитной энергии"(E=1/2 L I^2). Тогда недоразумение исчезает, катушка она и есть катушка, то есть индуктивность.
А большой ток в сверхпроводнике вообще получить "нелегко", если хотим сохранить сверхпроводимось.
В смысле, большая энергия получается за счет высокой индуктивности? Вполне возможно, добротность-то будет высокая за счет никакого сопротивления.
ЦитироватьВ смысле, большая энергия получается за счет высокой индуктивности? Вполне возможно, добротность-то будет высокая за счет никакого сопротивления.
Добротность тут вообще никакой роли не играет.
Можно пользовать два подхода, которые дадут одинаковую цифру.
Первый - физический. Энергия есть интеграл по всему объёму от Аш-квадрат/восемь-пи (СГС, естественно).
Второй - электротехнический, через индективность, как было выше указано.
Чтобы похерить идею с индуктивным накопителем, скажу, что стоимость магнитной системы на поле 5-6 тесла (50-60 килогаусс) с объёмом поля в долю кубометра составит примерно полмиллиона баксов. Плюс-минус, там в цену очень сильно входят конкретные решения по выбору конструкции криогенных и вакуумных систем и электропитания. Сколько на эти деньги можно керосина закупить? А энергозапас - несколько мегаджоулей. А киловатт-час = 3.6 мегаджоуля = рупь с чем-то по деньгам. Можно по энергетике и на керосин пересчитать, тоже плохо. По массогабаритным - ещё хуже. :)
ЦитироватьДобротность тут вообще никакой роли не играет.
Почему же? Можно сделать две катушки одинаковой конфигурации, но одну из сверхпроводящего материала, а другую из обычного. Индуктивности катушек будут одинаковы, однако в первом случае можно пропустить через катушку гораздо больший ток и соответственно запасти в ней больше энергии.
Не в ней ;-) При большой плотности энергии первичное значение имеет ПРОЧНОСТЬ материала катушки, а не ее проводимость. Если есть даже сверхпроводник с безлимитной плотностью тока, все равно, чтобы запасти энергию, надо его охватить бандажем.
Индуктивность и внутреннее сопротивление катушки тут ВООБЩЕ не при чем. Первая определяет условно говоря рабочее напряжение катушки, а второе - скорость потери энергии (кстати энергия теряется даже в сверхпроводящей катушке - синхотронное излучение, ага).
ЦитироватьИндуктивность и внутреннее сопротивление катушки тут ВООБЩЕ не при чем. Первая определяет условно говоря рабочее напряжение катушки, а второе - скорость потери энергии (кстати энергия теряется даже в сверхпроводящей катушке - синхотронное излучение, ага).
Ну а при некоторой заданной прочности? Как же величина индуктивности может определять только напряжение, если она входит в формулу энергии для катушки? А сопротивление ограничивает ток, который тоже входит в формулу энергии.
У сверхпроводника сопротивления нету ;-) А индуктивность с сопротивлением свзяаны обратным соотношением - ниже индуктивность, ниже сопротивление - потому что провод катушки толще и короче ;-) Поэтому катушки одного размера накапливают одинаковое количество энергии, вне зависимости от того, какова их индуктивность.
ЦитироватьА индуктивность с сопротивлением свзяаны обратным соотношением - ниже индуктивность, ниже сопротивление.
Не, мне этого, наверное, никогда не понять... :(
ЦитироватьНу а при некоторой заданной прочности? Как же величина индуктивности может определять только напряжение, если она входит в формулу энергии для катушки? А сопротивление ограничивает ток, который тоже входит в формулу энергии.
При некоторой заданной прочности, величину удельной (на единицу массы накопителя) энергии можно оценить как
Em~Sigma/ro
Sigma - прочность материала
ro - его плотность
Отсюда для бака из Ал. сплава получаем 15-20 кДж/кг.
Если при этом учесть, что мех. напряжения в стенках бака от наддува и от накопителя будут суммироваться и уменьшать запас прочности, то овчинка выделки не стоит в принципе.
В конце 80-х подобная схема с топологическим генератором в водородном баке блока Ц, прикидывалась для его торможения в верхних слоях атмосферы (магнитный парашют). Как гипотетический вариант реализации многоразовости.
Энергия, запасенная в катушке при одном и том же токе пропорциональна индуктивности. Индуктивность пропорциональна объему катушки. Объем умноженный на плотность довольно тяжелого ниобиевого сплава даст массу катушки. Нетрудно сравнить энергию, запасенную в такой катушке с теплотворной способностью такой же массы водород-кислородного топлива. Даже если эти числа окажутся, сравнимы, в чем я сильно сомневаюсь то надо учесть, что масса катушки входит в конструктивную массу ракеты и её надо таскать с собой, а топливо сгорело, отдало энергию и тю-тю. Даже на вскидку выгоды не видно.
ЦитироватьНе в ней ;-) При большой плотности энергии первичное значение имеет ПРОЧНОСТЬ материала катушки, а не ее проводимость. Если есть даже сверхпроводник с безлимитной плотностью тока, все равно, чтобы запасти энергию, надо его охватить бандажем.
Индуктивность и внутреннее сопротивление катушки тут ВООБЩЕ не при чем. Первая определяет условно говоря рабочее напряжение катушки, а второе - скорость потери энергии (кстати энергия теряется даже в сверхпроводящей катушке - синхотронное излучение, ага).
Прочность материала катушки тут вообще не причем - до предела прочности там ой как далеко! Любой провод с легкостью выдержит эту нагрузку (ну разве только не керамика - для высокотемпературных).
А про потери тока изза синхротронного излучения не надо болтать.
Проводили эксперимент - оставили сверхпроводящую катушку на 2а года!!! И потом померяли ток - он был в ТОЧНОСТИ равен запущеному в нее два года тому назад! :x
Да ну? Возьмите катушку, которая на килограмм массы накопит 1 ГДж (энергоемкость литиевого аккума - 5 Гдж, метана - 50 ГДж на килограмм) и посчитайте, какое в ней усилие на разрыв создаст сила Ампера ;-).
По поводу излучения - ну да, оно будет терться небыстро. Но будет ;-).
ЦитироватьПрочность материала катушки тут вообще не причем - до предела прочности там ой как далеко! Любой провод с легкостью выдержит эту нагрузку (ну разве только не керамика - для высокотемпературных).
Зачем же тогда сверхпроводящие катушки армируют сталью, засовывают в толстый кожух из немагнитной нержавейки и насмерть заливают компаундом?
P.S. Давление поля в 10 тесла примерно равно 400 атмосфер. При этом магнитная энергия равна примерно 40 килоджоулям (10 килокалорий) на литр объёма. Энергетика литра керосина, надеюсь, известна.
Я вот что не понимаю. Зачем нужна сверхпроводящая катушка и чем она будет отличаться от просто сверхпроводящего кольца в смысле накопления энергии?
Как-то давно я думал на обсуждаемую тему. Если сделать водородный бак из сверхпроводника, то можно накопить энергию в нём. Но будет ли она величиной отличаться от энергии давления наддува? Если нагрузки от внутреннего давления на бак максимальны не в начале полёта, принципиально можно запастись энергией и успеть вовремя её отдать на благие цели. Но - крохи, крохи крох.
Любителям поломать голову предлагаю обдумать, может ли сверхпроводник очень быстро проводить тепло, и можно ли его сверхпроводящие свойства использовать в ракетной технике (баки криогенные, сопла ЖРД и т. д.).
ЦитироватьЦитироватьПрочность материала катушки тут вообще не причем - до предела прочности там ой как далеко! Любой провод с легкостью выдержит эту нагрузку (ну разве только не керамика - для высокотемпературных).
Зачем же тогда сверхпроводящие катушки армируют сталью, засовывают в толстый кожух из немагнитной нержавейки и насмерть заливают компаундом?
P.S. Давление поля в 10 тесла примерно равно 400 атмосфер. При этом магнитная энергия равна примерно 40 килоджоулям (10 килокалорий) на литр объёма. Энергетика литра керосина, надеюсь, известна.
400атм это ерунда для конструкционного материала.
это 400кг на СМ2. А крутые композиты держат эти жалкие 400кг на 1кв мм!!!!! То есть запас есть еще в 100раз! Да и это не предел если распределить усчилия!
И энергия в сверхпроводнике не теряется никоим образом! :D
Ну и получится композитная пружина. Может проще сразу ее сделать в форме баллона с водородом и приводить ТНА просто давлением газа? ;-)
ЦитироватьВ конце 80-х подобная схема с топологическим генератором в водородном баке блока Ц, прикидывалась для его торможения в верхних слоях атмосферы (магнитный парашют). Как гипотетический вариант реализации многоразовости.
А поподробнее можно? СП кольцо по периметру бака так чтоли..А привод генератора откуда?
ЦитироватьНу и получится композитная пружина. Может проще сразу ее сделать в форме баллона с водородом и приводить ТНА просто давлением газа?
Проще. Намного проще.
1) СП катушка=очень сильное магнитное поле, при разряде еще и переменное. Результат-мертвая электроника, отрыв и расплавление любых магнитных вещей.
2) Вес
3) Мощные заряженные СП катушки- вещь в себе бывают теряют сверхпроводимость, все вокруг вскипает и взрывается
4) Потери при разряде. В переменном поле сверхпроводник-вовсе не сверхпроводник.
5) и тд и тп
Вот магнитный тормоз (двигатель) на орбите - это да это красиво
Было еще вроде бы дело: на топологических генераторах индивидуальную радиационную защиту но подробности не известны.
Мож кто что знает?
ЦитироватьПо поводу излучения - ну да, оно будет терться небыстро. Но будет ;-).
Скажем так: это совершенно неважно.
ЦитироватьНу и получится композитная пружина. Может проще сразу ее сделать в форме баллона с водородом и приводить ТНА просто давлением газа? ;-)
Тем более, что со сверхпроводником ещё куча вских проблем и ограничений, помимо чисто механических.
Некоторые замечания по теме:
1. С механическими напряжениями в СПИН - так они вааще то называются: СверхПроводящие Индуктивные Накопители ;( - научились бороться еще до их появления :D Метода проста как два пальца, вернее ДВА ВИТКА: два витка сверхпроводника в которых ток течет в противоположном направлении взаимокомпенсируют магнитное поле друг друга ;) :wink:
2. Энергии в СПИН таки можно накопить много, до 100кДж/кг
3. До 25% стоимости и до 50% массы СПИН составляет криогенная система которая в "нашем" случае отсутствует за ненадобностью :wink: СПИН просто лежит в баке с криогенным топливом.
4. Насосы ТНА обычно очень высокоборотны -до 100000/обхсек и выше. Электромоторы с такой частотой вращения по удельной мощности будут не сильно отличаться от турбопривода.
5. Идея, видимо, отличная для ЖРД космических аппаратов на криогенном топливе, относительно небольшой мощности...
Цитировать1. С механическими напряжениями в СПИН - так они вааще то называются: СверхПроводящие Индуктивные Накопители ;( - научились бороться еще до их появления :D Метода проста как два пальца, вернее ДВА ВИТКА: два витка сверхпроводника в которых ток течет в противоположном направлении взаимокомпенсируют магнитное поле друг друга ;) :wink:
...
Чего-чего?? А поподробнее можно?
ЦитироватьНекоторые замечания по теме: ...
4. Насосы ТНА обычно очень высокоборотны -до 100000/обхсек и выше. ...
Остальные пункты комментировать лень, :)
но уж в этом месте явно либо не сек а мин, либо не об а град либо в цифре два нуля лишних.
ЦитироватьЦитироватьдва витка сверхпроводника в которых ток течет в противоположном направлении взаимокомпенсируют магнитное поле друг друга ;) :wink:
...
Чего-чего?? А поподробнее можно?
А чего непонятно-то? Магнитное поле в какой-то точке равно нулю, в любой другой точке не равно нулю. Силы никуда не делись, поскольку проводник рвёт собственное поле. Можно придумать и более сложную систему, которая практически зануляет поле во всём объёме, но остаётся один простой вопрос: нафига тогда вообще эти проводники?
ЦитироватьА чего непонятно-то? Магнитное поле в какой-то точке равно нулю, в любой другой точке не равно нулю. Силы никуда не делись, поскольку проводник рвёт собственное поле. Можно придумать и более сложную систему, которая практически зануляет поле во всём объёме, но остаётся один простой вопрос: нафига тогда вообще эти проводники?
А кто-нибудь пробовал? Если магнитное поле компенсируется, то чем в этом случае ограничена сверхпроводимость? И ещё: а почему бы не пустить токи в противоположные стороны в одном сверхпроводнике? :D Что будет? :roll:
ЦитироватьP.S. Давление поля в 10 тесла примерно равно 400 атмосфер. При этом магнитная энергия равна примерно 40 килоджоулям (10 килокалорий) на литр объёма. Энергетика литра керосина, надеюсь, известна.
Нет в природе сверхпроводников (не экзотических, типа "материала" нейтронной звезды), которые "держат" такое поле.
Сверхпроводимость свыше определённой напряженности магнитного поля (=ток = накопленная энергия) разрушается и даже при ~0K этот порог = несколько тесла
ЦитироватьДа - добавление. Сверхпроводящий накопитель по сути - это пружина. В нем сила Ампера растягивает сверхпроводящую катушку. Если катушка не будет дОлжным образом армирована - рассыплется нафиг ;-) Поэтому плотность энергии в ней не превысит плотность... да в том же супермаховичном накопителе - кстати говоря, может, проще им приводить? На земле закрутили, на орбите оно кончилось ;-) Чтобы избежать гироэффекта - два противовращающихся соосных маховика, работающих на две ступени ТНА ;-D.
Накопители энергии типа маховиков, сверхпроводящих "катушек" или баллонов с газом, сжатым до тысяч атмосфер -- ВСЕГДА будут проигрывать "химии"
если говорить сверхупрощённо: в общем виде нельзя накопить энергии больше, чем энергия разрыва химической связи материала, из которого изготовлен контейнер
Цитировать[
Нет в природе сверхпроводников (не экзотических, типа "материала" нейтронной звезды), которые "держат" такое поле.
Это какое? 10 Тл? Не держат?
А чуть выше 20 Тл на чисто сверхпроводящей катушке без тёплого сердечника - не хотите? ;) Года три как.
ЦитироватьНакопители энергии типа маховиков, сверхпроводящих "катушек" или баллонов с газом, сжатым до тысяч атмосфер -- ВСЕГДА будут проигрывать "химии"
если говорить сверхупрощённо: в общем виде нельзя накопить энергии больше, чем энергия разрыва химической связи материала, из которого изготовлен контейнер
Это может быть спорно. Чуть выше Выверн рассказал о СПИНах. Если такое сделать, то будем иметь приближённо следующее: магнитного поля, разрывающего сверхпроводник, не будет, а запасаемая энергия будет накапливаться в виде кинетической энергии сверхпроводящих электронов. Они и будут рвать проводник силой инерции. Сила инерции пропорциональна скорости, а энергия - квадрату скорости. Масса электрона меньше массы атома грубо в 100000 раз, если на один атом придётся один сверхпроводящий электрон (положим, так :wink: ), то можно напичкать сверхпроводник энергией до чёртиков. Если всё действительно будет так.
Но только что-то сторонники СПИНов не торопятся отвечать на вопросы. :(
Скорости и МАССЕ ;-) А массовый расход электронов пропорционален опять же скорости ;-) Так что чудес не бывает ;-).
Можно, правда, сделать финт ушами - применить электростатическое стягивание катушки. Т.е. магнитное поле катушку растягивает, а притяжение кольцевого
электрода к осевому - сжимает. Между катушкой и электродом, ессно, изолятор ;-)
Цитировать2. Энергии в СПИН таки можно накопить много, до 100кДж/кг
Не впечатляет.
В реакции 2H2+O2=2H2O выделяется 15 МДж/кг воды.
100кДж/кг это мало.
К примеру для кислород водородного двигателя с давлением в камере сгорания 100 атм потребуется 280 кг СПИНа на тонну топлива.
И это без учета потерь в насосах и рубашке охлаждения.
ЦитироватьЕсли такое сделать, то будем иметь приближённо следующее: магнитного поля, разрывающего сверхпроводник, не будет, а запасаемая энергия будет накапливаться в виде кинетической энергии сверхпроводящих электронов.
Скорость дрейфа электронов под действием тока в проводниках
порядка 10^-2 - 10^-1 м/с. При разумных плотностях тока.
Так какова будет кинетическая энергия килограмма электронов?
Цитироватьесли говорить сверхупрощённо: в общем виде нельзя накопить энергии больше, чем энергия разрыва химической связи материала, из которого изготовлен контейнер
Может быть энергия синтеза даст больше?
По аналогии с распадом ядра и его синтезом.
Химическая реакция обратима ;-)
ЦитироватьChilik пишет:
ЦитироватьНекоторые замечания по теме: ...
4. Насосы ТНА обычно очень высокоборотны -до 100000/обхсек и выше. ...
Остальные пункты комментировать лень, :)
но уж в этом месте явно либо не сек а мин, либо не об а град либо в цифре два нуля лишних.
Да, всаралась очепятка - В МИНУТУ :)
ЦитироватьА кто-нибудь пробовал? Если магнитное поле компенсируется, то чем в этом случае ограничена сверхпроводимость? И ещё: а почему бы не пустить токи в противоположные стороны в одном сверхпроводнике? :D Что будет? :roll:
ВСЕ сверхмощные магниты построены по такой схеме. А компенсируется вовсе не магнитное поле, а МЕХАНИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ -поэтому все остальные параметры остаются :)
ЦитироватьНекоторые замечания по теме:
1. С механическими напряжениями в СПИН - так они вааще то называются: СверхПроводящие Индуктивные Накопители ;( - научились бороться еще до их появления :D Метода проста как два пальца, вернее ДВА ВИТКА: два витка сверхпроводника в которых ток течет в противоположном направлении взаимокомпенсируют магнитное поле друг друга ;) :wink:
Назначение этих двух витков в сверхмощном СПИНе не уменьшение механических напряжений, а экранировка магнитного поля основного витка. И естественно даром это не проходит.
Масса СПИНа с экранирующими катушками в 1.5-2 раза больше чем без.
По всем выше изложенным фактам понятно, что сверхпроводящая катушка не очень приемлема в качестве источника энергии для того же ТНА. Но тут возникла мысль куда ее еще можно засунуть, (кроме пятой точки конечно).
Ракета --- одноступ, водородник. Снаружи, вокруг водородного бака (возможно и не только) закреплена сверхпроводящая катушка. Старт происходит из туннеля - крутого склона горы, башни.... внутри стационарной катушки (простой, без наворотов,), без всяких герметичных тоннелей.
Старт происходит включением стационарного магнита, который разгоняет РН с не запредельным ускорением, а всего в районе 20 Же. И на выходе имеем около 500 м/с. После этого отстреливается сверхпроводящий бандаж, а РН продолжает ускорение уже на ЖРД.
Если ускорение делать больше, то и жесткость РН нужна будет серьезнее, а значит и вес. Кстати наружный бандаж баков может на этот момент взять на себя часть нагрузки.
Даже эта не большая скорость 500 м/с позволит иметь почти в два раза меньшую тягу ЖРД, для той же массы ракеты, в сравнении, еслиб она стартовала с нуля. Да и 1-я ступень для разгона до этой скорости тратит до1/3 массы топлива. И сопло можно ставить немного более высотное. То есть уже даже можно говорить про одноступенчатую ракету.
Материалы сверхпроводящего бандажа, после переработки могут применяться повторно, уже не говоря про старт с эл.магнитом.
Если соотношение: прочность ракеты--цена-- вес позволит, то ускорение на старте можно увеличить в несколько раз.