Проект долговременного аэростатного зонда на Венеру

[Sigmoid]

Как известно, станции Вега-1 и 2 запускали в атмосферу Венеры аэростатные зонды. Но они работали всего около двух суток, до исчерпания заряда химических батарей. Обеспечение энергией аэростата - самая главная проблема, ведь источник должен быть достаточно легким. Химические батареи отпадают сразу. РИТЭГи - вещь хорошая, но для мощности хотя бы киловатт надо десяток килограмм плутония. Солнечные батареи — неизвестно как будут работать в условиях венерианской атмосферы (облака  задерживают большую часть света, плюс еще облака из серной кислоты могут повредить батареи).  Зато есть отличный вариант источника энергии - постоянные и очень сильные ветры на высоте 40-50 км. Но стратостат неподвижен относительно воздуха, ветряк на него не поставить. Однако есть одна идея.

Скорость ветра на высоте 50 км (условия на такой высоте примерно соответствуют земным, порядка 40 градусов и 1 атмосферы) составляет сотни метров в секунду, а на высоте меньше 40 км скорость ветра резко падает, до десятков метров в секунду. Если подвесить на стратостате какую-либо тормозную конструкцию (типа небольшого тормозного парашюта) на длинном фале (~10-15 км), то он будет тянуть воздушный шара назад, тот будет двигаться относительно окружающей его атмосферы. Сам аэростат нужно делать обтекаемой формы, типа дирижабля. Фал из углеродного волокна сечением 1 мм2 и длиной 10 км будет весить не более 20 кг, при прочности 250-300 кг.  (ВОобще карбоновое волокно идеально подходит для Венеры - при отсутствии кислорода его механические свойства не меняются до тысячи градусов цельсия, а по удельной прочности ему нет равных) Калькулятор ветроэнергогенераторов  показывает, что при скорости ветра 100 км/ч даже небольшой пропеллер диаметром 1 м даст мощность 4 квт, 0.5 м - 1 квт. Масса небольшого пропеллера из композитных материалов будет совсем небольшой.  Другой вариант — научную аппаратуру разместить на конце фала, и там же поставить ветряк (в таком случае его размер будет еще меньше, т.к. плотность атмосферы выше). На самом шаре в таком случает никакой аппаратуры не будет. Такой зонд сможет годами парить в небе Венеры, мощность в несколько киловатт позволит запитать большое количество научной аппаратуры. Небольшая высота (30-40 км) позволить например картографировать поверхность с высокой точностью.
[/url]

[Старый]

Какова сила лобового сопротивления этого пропеллера вместе с дирижоплем? 200-300 кг будет?

[Sigmoid]

Вот это фиг знает, в аэродинамике не разбираюсь.

Мне кажется все же, что пропеллер надо ставить не на шар, а на сам зонд на конце фала. Т.е. шар - потом снизу несколько км волокна, потом зонд с аппаратурой, и в самом низу - генератор и пропеллер. Если добавить в конструкцию лебедку, то сматывая или разматывая фал можно выбирать оптимальную скорость и соответственно силу натяжения фала.

[Sigmoid]

Вообще, подумав, я пришел к выводу, что ставить пропеллер на шар или дирижабль действительно было дурацкой идеей. Для того что бы ветряк давал достаточно энергии нужна высокая скорость ветра (относительно шара), а значит лобовое сопротивление будет очень большим. (У мощности ветряка кубическая зависимость от скорости ветра).

Поэтому ветряк однозначно надо ставить на гондолу. Шар играет роль паруса, высотный ветер тащит его вперед, и шар протаскивает сквозь более низкую и более медленную атмосферу гондолу с аппаратурой и ветряком. Гондола имеет размеры на порядки меньше чем шар, соответственно сопротивление будет на порядки меньше.

[Старый]

Вот это фиг знает, в аэродинамике не разбираюсь.

Мне кажется все же, что пропеллер надо ставить не на шар, а на сам зонд на конце фала. Т.е. шар - потом снизу несколько км волокна, потом зонд с аппаратурой, и в самом низу - генератор и пропеллер. Если добавить в конструкцию лебедку, то сматывая или разматывая фал можно выбирать оптимальную скорость и соответственно силу натяжения фала.

Сколько будет весить генератор с пропеллером? Стабилизатор? Провод для передачи киловата энергии? Опять же лобовое сопротивление пропеллера? А температура там внизу какая?

[gans3]

http://epizodsspace.no-ip.org/bibl/n_i_j/1981/9/9-dir.html

   "Наука и жизнь" 1981 г. N9, с.85-87
   ДИРИЖАБЛЬ
   ДЛЯ ВЕНЕРЫ
   
   Кандидат технических наук
   Г. МОСКАЛЕНКО.

Почитайте, полезно.

[Pavel]

РИТЭГи - вещь хорошая, но для мощности хотя бы киловатт надо десяток килограмм плутония.

И...?    Кстати, киловатт то вам зачем? Также боюсь, с 30-40 км фотографирование вряд ли будет отличаться большой точностью

[Денис Лобко]

Американцы долбятся с радиоизотопным источником питания на базе свободно-поршневого двигателя Стилинга с линейным электрогенератором. Плутония нужно в 4 раза меньше, чем для термоэмиссионного преобразователя. Вроде достигнут электрический КПД 34% для работы в вакууме.

[hecata]

С КПД 34% с каждого киловатта надо пару киловатт сбросить через радиатор. Какая температура на рабочей высоте? Не слишком ли горячо?

[Денис Лобко]

С КПД 34% с каждого киловатта надо пару киловатт сбросить через радиатор. Какая температура на рабочей высоте? Не слишком ли горячо?

В стирлинге ещё и КПД зависит от разности температур между нагревателем и холодильником. Так что при повышении температуры за бортом КПД преобразователя будет уменьшаться

[Sigmoid]

gans3 Спасибо за ссылку, идея дирижабля весьма интересна Но мне интересно обсудить именно предложенный способ добычи энергии - за счет разности скоростей ветра на разных высотах.

Насчет РИТЭГов я крупно ошибся, где то на порядок. На Кассини 33 кг плутония дает всего около 600 вт. Причем КПД термоэмиссионного преобразователя (да впрочем и любой тепловой машины) сильно падает при повышении температуры холодильника, а на Венере довольно жарко

Pavel

Также боюсь, с 30-40 км фотографирование вряд ли будет отличаться большой точностью

Ну, по логике разрешение должно быть в разы лучше чем со спутника.

Старый

Сколько будет весить генератор с пропеллером? Стабилизатор? Провод для передачи киловата энергии? Опять же лобовое сопротивление пропеллера? А температура там внизу какая?

Обычный автомобильный генератор на 1 квт весит ~4-5 кг, а там на весе особо не экономят. Используя легкие материалы (титан, алюминий, магний, то же углеволокно) думаю можно уложиться в килограмм, ну максимум 2 на квт. Сколько весит пропеллер не знаю, но сравнивая с земными ветряками и учитывая небольшой размер (диаметр порядка метра) тоже много не получится.

Провод для передачи киловата энергии?

Провод не нужен - пропеллер расположен на том же блоке, что и оборудование.

Опять же лобовое сопротивление пропеллера?

По моим грубым прикидкам, при скорости ветра 100 км/ч не должно быть больше нескольких сотен кг.

А температура там внизу какая?

Опять же, смотря где. Самые оптимальные условия на высоте 50-55 км - близкие к земным (давление 0.5-1 атм и температура 30-60 градусов). На высоте 45 км будет уже примерно 130, если я не ошибаюсь. Жарковато, но терпимо. А вообще, все регулируется в широких пределах, можно стартостат и на 60 км запулить, а гондола пусть болтается на 50-55.

Pavel

Кстати, киловатт то вам зачем?

Вообще, изначально была идея с помощью таких шаров терраформировать Венеру Условия на высоте 50-55 км подойдут для земных растений. Но для них нужен свет, вода (ее придется получать из атмосферы Венеры, это тоже довольно энергоемко), в общем энергию найдется куда девать. Но это проект совсем фантастический, а небольшой эксперементальный зонд послать можно в принципе и сейчас (запускали ведь их Веги, а они тащили еще и СА)

[Старый]

Провод не нужен - пропеллер расположен на том же блоке, что и оборудование.

Аааа! Тогда сколько будет весить блок?

Опять же лобовое сопротивление пропеллера?

По моим грубым прикидкам, при скорости ветра 100 км/ч не должно быть больше нескольких сотен кг.

Тогда углеволокно рассчитанное на 300 кг оборвётся от одного лобового сопротивления, даже без веса блока.

А вообще, все регулируется в широких пределах, можно стартостат и на 60 км запулить, а гондола пусть болтается на 50-55.

А с разницей в скорости ветра там всё в порядке?

[Sigmoid]

Старый

Аааа! Тогда сколько будет весить блок?

Допустим, пару сотен кг для начала.

Тогда углеволокно рассчитанное на 300 кг оборвётся от одного лобового сопротивления, даже без веса блока.

Ну сделать сечение не 1 мм2 а 2. или даже 3. 10 км - 50-60 кг. Нормально.  На все про все хватит шара диаметром ~8 м, даже с небольшим запасом. (Аэростаты "Вег" были 3.4 метра в диаметре).

А с разницей в скорости ветра там всё в порядке?

Разница скоростей там поменьше.

[andybe29]

Есть ли более-менее жизнеспособные идеи о спуске в атмосферу Венеры планера с крутым автопилотом, благодаря которому можно было бы парить в небе достаточно долгое время?

[fon Butterfly]

Есть ли более-менее жизнеспособные идеи о спуске в атмосферу Венеры планера с крутым автопилотом, благодаря которому можно было бы парить в небе достаточно долгое время?

А восходящие потоки там есть? Без доказанного наличия дистанционно обнаруживаемых потоков все планеры - лютая маниловщина...

[Имxотеп]

Скорость ветра на высоте 50 км (условия на такой высоте примерно соответствуют земным, порядка 40 градусов и 1 атмосферы) составляет сотни метров в секунду, а на высоте меньше 40 км скорость ветра резко падает, до десятков метров в секунду.

На самом деле ветер там послабее. Аэростаты "Вег" дрейфовали вдоль экватора со средней скоростью 60-70 м/с, а вертикальный градиент скорости ветра оценивается по данным разных АМС в 2-3 м/с на километр высоты (см также здесь). Причем это все было на экваторе, а в среднем по больнице цифры упадут еще раза в 2. Поэтому я думаю, что получить перепад скорости ветра в 100 км/ч на тросе длиной в 10 км будет проблематично, а значит для получения той же энергетики придется сильно увеличить размеры пропеллера и/или длину троса.
Другое дело, что может и не нужны там киловаттные мощности. У американцев был проект легкого венерианского самолета на солнечных батареях. Самолета высотного (66 км), хотя даже под основным слоем облаков освещенность сравнима с земной (~1000-1200 Вт/м2). Если придумать СБ, стойкие к местным условиям, их одних хватило бы запитать камеры, передатчик и прочее оборудование.

[pkl]

Нужен какой-то пластик, устойчивый к кислоте. :roll: Тефлон?

[Sigmoid]

Имxотеп
Спасибо за инфу, градиент скорости я не знал.

Но порядок величины такой и получается, 2-3 м/с на 10 км - это как раз 20-30 м/с, или 72-108 км/час.

[Sigmoid]

Есть ли более-менее жизнеспособные идеи о спуске в атмосферу Венеры планера с крутым автопилотом, благодаря которому можно было бы парить в небе достаточно долгое время?

Думаю, смысла нет, какой бы ни крутой автопилот был, время жизни такого планера вряд ли сравнится хотя бы с аэростатами Вег (2 суток), а технических сложностей больше. Уж лучше действительно самолет на СБ, хотя меня терзают смутные сомнения что СБ долго проживут в сернокислотных облаках.

[boez]

А силу сопротивления можно посчитать из мощности. P=v*F. 30 м/с*1 Н = 30 Вт ветровой мощности, т.е. 30 Дж/с работы, совершаемой ветром над пропеллером. КПД можно взять не слишком жадничая процентов 20, это включая КИЭВ и КПД генератора.

Т е 1Н силы = 6 Вт электрической мощности. На киловатт надо 150Н = 15 кг. Сотни кило не нужны. Да, нужно еще прибавить лобовое гондолы - ну так ее делать максимально обтекаемой. Аэростату кстати особая обтекаемость наоборот не нужна, он должен быть максимально парусным. Любое обтекание аэростата - потеря ценного ресурса - разности скоростей ветра.

Подобные проекты предлагались и для земли, для использования в атмосферных струйных течениях.