Восстановление "Энергии".

[hcube]

И вообще, сравнивать Энергиевский проект с зарубежными несколько... эээ... некооректно ;-). Вопрос в том, насколько мы сможем сделать реакторную ДУ по сравнению с СБ которую мы же делаем. ;-)

Вообще, критерием является IMHO мощность.

На СБ нам четко известно, сколько нужно площади - на каждый киловатт нам надо 5-10 м2 площади, причем ориентированной точно на Солнце. Причем это на орбите Земли, около Марса будет вдвое меньше.

На реактор нам надо... ну... давайте прикинем. Вот есть радиаторы на МКС. Они рассеивают порядка 5 КВт и имеют площадь в 10м2. По большому, черный радиатор, экранированный от Солнца,  на 300С рассеет наверное порядка 4 КВт мощности. Но возьмем 1 КВт/м2.

У нас замкнутый рабочий цикл на водороде - то есть мощность по большому зависит от соотношения температур, сжижаться оно не будет ;-). Я так думаю, что радиатор надо во-первых, снабдить на кромке экраном (или, как вариант, вспомогательной СБ - что зря излучению пропадать ;-)) для защиты от прямого солнечного излучения, и греть примерно до 200-300С. ТОгда при температуре водорода в 1200С на генераторном режиме КПД у нас будт порядка 50%, а 1500С - 60%. Если удастся нагреть выше - будет еще лучше ;-). То есть мы можем принять, что на каждый выработанный КВт мы должны полкиловатта расееять. Навскидку, излучением при 300С = 600К можно рассеять примерно киловатт с квадратного метра. То есть в пределе мы имеем на 1 квт мощности - 0.5 м2 площади - вдесятеро меньше чем у СБ. И эта площадь - это не сложная структура, а банальный трубопровод, как у холодильника ;-). Крылья радиаторов, правда, придется делать поворотными - чтобы можно их было всегда подставить торцом к Солнцу. Точнее, не торцом, а перекладиной буквы 'Т', на которой расположены вспомогательные СБ - например, для питания корабля при заглушенном генераторе.

[V.B.]

на SMARTе и на Deep Space были вполне обычные СБ, не тонкоплёночные. А тонкоплёночные однозначно "нежнее".

В смысле, при одинаковой плотности загрязнений на пленочных и на обычных СБ, к.п.д. пленочных упадет сильнее? Есть такие данные?

Кроме того, на них (по крайней мере, на Deep Space) стояли ионники с очень малой тягой (измеряемой граммами), высоким УИ (~ 10 000 с), т.е. и расход рабочего тела за весь полёт был невелик, и сыпалось не очень много. Да и струя выхлопа была одна, "иголочкой". В случае же прожекта "Энергии" мы имеем: тягу, измеряемую килограммами, относительно небольшой УИ (~ 1500 с), плюс к тому непонятное взаимодействие множества струй батареи СПД - весьма вероятно, чреватое развитием колебаний и усиленным высыпанием.

У DS1 у.и. был порядка 3000 с, а "Энергия" заложилась на 7000 с (около планет 3000 с). А чому это много струй должны колебаться? Где-нить наблюдалось такое явление?

ДУ, предлагаемая "Энергией", вовсе не однорежимная! Помимо СПД предполагается иметь еще и ЖРД - для старта от Земли и старта от Марса, торможения у Марса и у Земли.

Да, есть и такой вариант. Как мне совершенно необоснованно кажется, его навязали "Энергии" келдышевцы. Такой вариант конечно не выигрывает в сравнении с двухрежимным реакторным.


Hcube, а у нас что, турбина будет? Круто! Но трубопровод площадью 12000 кв.м (110 х 110 м) - не такая уж банальная вещь, насколько я понимаю в сантехнике...

Fakir, а что вы там говорили про "Топазы"? Действительно у них были недоразвитые радиаторы?

[hcube]

Не тривиальная, согласен. Но поле СБ 400x400, да еще два таких поля - вещь еще менее тривиальная, и, замечу, совершенно не выносящая нагрузок из-за работы ЖРД ;-) Лично я оформлял бы эти радиаторы как три 'крыла', отходящих от реакторно-генераторного блока. При этом реакторо-генераторов тоже три, единовременно работает один, если в полете, и все три - если при форсированном разгоне. Нижняя часть солнечных щитов перед радиаторами - массив VASIMRов, верхняя - СБ. Ширина щита - порядка метра, этого достаточно чтобы держать радиатор в тени, разворачивая 'крыло' к Солнцу ребром. Перед реакторами - повешенные на основную ферму баки с водородом, далее щит биологической защиты, и далее навешиватся целевой модуль - там, станция для LLO, посадочный марсианский модуль, и так далее - то что нужно везти на другую орбиту.

Что же до турбогенераторов - вещь очень надежная, и многократно отработанная. На водороде такая штука будет работать чуть ли не вечно - никакой эррозии, никакого окисления. Подшипники, разве что. При высокой температуре их к сожалению магнитными не сделаешь. Зато собственно сам реактор и турбонасосные модули можно разнести, так чтобы ежели чего - в принципе можно было починить. И вообще-то на электростанциях такие генераторы работают годами непрерывно.

И 12000 м2 (это, замечу, 25 мегаватт ПОСТОЯННОЙ мощности, даже в номинальном режиме) - это не так уж и много. По большому, такой трубопровод уже умеют делать, разве что в меньших масштабах - в холодильниках и кондиционерах ;-). То есть надо просто посчитать тепловое поле, и проложить сетку трубопроводов по химически фрезированной и зачерненной пластине (точнее - фольге переменной толщины) так чтобы температура по поверхности была более-менее постоянна. Алюминий не годится, титан недостаточно жаростойкий... так что вероятно нержавейка ;-). Спаять трубку с основанием, допустим, медным припоем - и готово ;-). Если делить на 3 'крыла' - то получается площадь каждого в 4000 м2, то есть размер в 40 на 100 метров. Я бы приблизительно оценил вес такого радиатора как 500 грамм на квадратный метр, то есть вес одного крыла - 2 тонны. Всего. Кстати, надо посчитать поток водорода через единицу ширины радиатора, учитывая что тот должен охладиться грубо говоря с 500 до 200-300 С. Ну, допустим еще подкрепляющие конструкции, еще 3 тонны - но это всего 5 тонн. Оно только по размеру большое, а по весу - не такое уж и ;-). То есть ВСЯ энергоустановка вполне может влезть в ПН Протона - радиатор+холодильник+СБ и торцевой щит + VASIMR, плюс еще Протон на энергогенератор + реактор + сопло и ТНА для ТФЯРД режима - на 25/3 = 8 МВт мощности. Сколько там 'чистый' РД-401 весил? А сейчас ведь и более теплостойкие материалы появились! Рабочее тело - тот же водород, который используется в ТФЯРД, и, при наличии электролизерного и криогенного модулей, может быть наработан из воды, аммиака, метана и прочих широко доступных веществ ;-). А для дальних полетов криогенный модуль придется делать - чисто чтобы водород по пути не испарился ;-).

Причем, что интересно, как конструкцию, так и способ развертывания радиатора можно подглядеть у природы - у стрекоз или бабочек ;-)

[Татарин]

Что же до турбогенераторов - вещь очень надежная, и многократно отработанная. На водороде такая штука будет работать чуть ли не вечно - никакой эррозии, никакого окисления. Подшипники, разве что. При высокой температуре их к сожалению магнитными не сделаешь.

Высокотемпературная гелиевая турбина для ВГТР/HGTR именно на магнитных подшипниках.

[hcube]

Да - вот еще что в голову пришло. Утечек водорода из радиатора и баков можно также избежать, окружив основные 'сосуды' радиатора внешним кожухом, который позволит целенаправленно откачивать просочившийся водород. Заодно такой кожух может послужить средством диагностики радиатора. И опять же тут есть аналог с кровеносной системой - при повреждении сосуда кровь не утекает наружу, а собирается в межмускульном пространстве и под кожей, образуя 'синяк' ;-).

[Fakir]

hcube

Вопрос в том, насколько мы сможем сделать реакторную ДУ по сравнению с СБ которую мы же делаем.  

    Почему бы не сделать?    "Не оскудела еще земля Русская..."  

Вообще, критерием является IMHO мощность.

    Ну так а я про что! ИМХО, по мощности реакторы сразу и навсегда уходят в отрыв.

На реактор нам надо... ну... давайте прикинем. Вот есть радиаторы на МКС. Они рассеивают порядка 5 КВт и имеют площадь в 10м2. По большому, черный радиатор, экранированный от Солнца, на 300С рассеет наверное порядка 4 КВт мощности. Но возьмем 1 КВт/м2.

   Полагаю, что сравнение с МКС даст заметно завышенную оценку. Там же другие рабочие температуры, в ЯЭУ они могут быть существенно выше, а интенсивность излучения зависит как Т в четвёртой. Так что с реактором попроще будет.

   И радиатор вовсе не обязательно экранировать от Солнца - эффективная температура солнечного света порядка 6000 К, а радиатора - ну, где-то от 300 до 1000 К. В принципе вполне можно подобрать покрытие для радиатора, чтобы оно было "белым" для солнечного света и "чёрным" для собственного теплового излучения.

У нас замкнутый рабочий цикл на водороде

    А кто априори сказал, что у нас будет непременно рабочий цикл? Возможно, что окажется целесообразным использовать преобразователи "топазовского" типа - заодно и надобность в мощных радиаторах отпадет.

Крылья радиаторов, правда, придется делать поворотными - чтобы можно их было всегда подставить торцом к Солнцу.

    Чем так париться, лучше подыскать для покрытия радиатора вещество с подходящими спектральными характеристиками.

[Fakir]

V.B.

В смысле, при одинаковой плотности загрязнений на пленочных и на обычных СБ, к.п.д. пленочных упадет сильнее? Есть такие данные?

   Я же говорил не о загрязнении, а о повреждении.  
   В случае нормальной, "толстой" СБ шальной ион ей не сильно повредит (особенно если она еще прикрыта какой-нибудь "стекляшкой"). А в случае тонкоплёночной СБ (сколько там микрон у нее толщина - 20, кажись?) всё хуже.  Представьте - во всю эту тоненькую и нежную полупроводниковую механику вламывается электрон или ион/атом ксенона, или, того хуже, керамическая пылинка, и калечит её структуру в некоторой близлежащей области, большей или меньшей - зависит от.
   Хотя прямых данных у меня нет. Подозреваю, что их на текущий момент нет вообще.

У DS1 у.и. был порядка 3000 с, а "Энергия" заложилась на 7000 с (около планет 3000 с).

    Надо же, а у меня почему-то 10 000 с засело... Ну да ладно. А "Энергия", говорите на 7000 заложилась? Это для меня неожиданно, говорили же о стандартных СПД, а у "серийных" как раз 1500... Года полтора назад вроде начинали работать над повышением импульса до 3500, но не знаю, чем там дело кончилось. А если еще они импульс хотят варьировать - так это ж вообще новый движок должен быть...

А чому это много струй должны колебаться? Где-нить наблюдалось такое явление?

    Именно такое - может, и не наблюдалось, но оснований для возникновения колебаний куча.  Во-первых, в конечном итоге мы получим неоднородное течение, а неоднородность может стать причиной неустойчивости типа Кельвина-Гельмгольца - это с гидродинамической точки зрения. Дальше - кинетика. В принципе,  отклонения от максвелловского распределения ведут к неустойчивостям (пучковая неустойчивость), а в СПД до максвелла довольно далеко.  Стоит подчеркнуть, что мы в имеем дело не со "многими струями", а с одной сложной струёй - полуугол расхождения струи стандартного СПД 45 градусов, у более продвинутого АТОНа - в лучшем случае 15 градусов, поэтому отдельные струи быстро объединятся в одну.
    Так что хороший набор колебаний я вам гарантирую. Другой вопрос, насколько быстро они будут развиваться, и как это может сказаться на СБ - всё это требует тщательного рассмотрения. Главное - что проблема эта есть, но на неё никто не обращает внимания.

    Да даже и без колебаний, без прочих побочных явлений, при ориентации СБ на Солнце, по нормали к орбите, а движков - по касательной к орбите, и полууглу расхождения в 45 градусов по СБ может и прямо долбить струя.  

Да, есть и такой вариант. Как мне совершенно необоснованно кажется, его навязали "Энергии" келдышевцы. Такой вариант конечно не выигрывает в сравнении с двухрежимным реакторным.

    Мне кажется, что если и навязали келдышевцы, то как раз вполне обоснованно  Одной малой тягой сыт ведь не будешь. Нет хорошей тяги - значит, или стартовать придётся с высокой орбиты, выше радиационных поясов, или космонавтов туда подвозить - в любом случае, та еще морока.  Хотя пожалуй раскрутку от Земли на малой тяги необходимо исключить вообще - длительное пребывание в радиационных поясах для всей аппаратуры и тонкоплёночных СБ в особенности будет отнюдь не благотворным.  

Fakir, а что вы там говорили про "Топазы"? Действительно у них были недоразвитые радиаторы?

    У "Топазов", ЕМНИП, преобразователи энергии такого типа, что не требуют мощных радиаторов. Т.е. там не теплоноситель+турбины+радиаторы, а прямое преобразование.

[hcube]

Вообще-то, у солнца спектр АЧТ, там все частоты присутствуют. Не вижу ну совершенно никаких проблем в том чтобы ориентровать 'крыло' весом в 5-10 тонн. Его же не по двум осям надо крутить, а только по одной, с другой стороны его прикрывает поперечная СБ, и с торца тоже.
Да и крутить надо меееедленно - максимум один оборот в минуту.

Касательно турбогенераторов - есть следующие соображения :

1) генератор можно совместить с ТНА.
2) весовая отдача турбогенератора ЗНАЧИТЕЛЬНО выше чем у термоэмиссионного источника. К примеру, тот же Топаз при мощности в 5, что ли, киловатт, весил 200 кг -
это будет 40 кг на киловатт. На прошлом МАКСе была газотурбинная установка - 20 тонн, 10 МВт, вместе с генератором. То есть 2 кг на ватт.
3) Турбина может работать при температуре значительно выше чем энергетическая термопара.

[Fakir]

hcube

Вообще-то, у солнца спектр АЧТ, там все частоты присутствуют.

   Правильно, но и у АЧТ, и у серого тела в спектре излучения есть максимум, зависящий от температуры.

Не вижу ну совершенно никаких проблем в том чтобы ориентровать 'крыло' весом в 5-10 тонн.

    Можно и ориентировать. Только зачем делать, если можно и не делать?

весовая отдача турбогенератора ЗНАЧИТЕЛЬНО выше чем у термоэмиссионного источника.

    Так топазовский преобразователь существенно отличается от простого термоэмиссионного.

К примеру, тот же Топаз при мощности в 5, что ли, киловатт, весил 200 кг - это будет 40 кг на киловатт.

    Дык масса ж не только от преобразователя зависит. И зависит нелинейно. Реактор топазовского типа мегаваттного уровня ("Бук-М", что ли?) должен иметь массу порядка тонн. Т.е. на порядок меньше, чем должна бы по вашим оценкам!

На прошлом МАКСе была газотурбинная установка - 20 тонн, 10 МВт, вместе с генератором. То есть 2 кг на ватт.

    И это без радиатора, и генератор - не реактор. По сравнению с мегаваттным "Буком-М" не очень поражает массовым совершенством.

[hcube]

Это генератор плюс турбореактивный двигатель для привода. То есть сюда добавить реактор и радиатор - и получится полная установка. Реактор - 5 тонн, радиатор на 10 МВт - еще 10. Итого 35 тонн. Это если вообще ничего не придумывать, а взять готовое.

В общем, можно конечно и без реактора обойтись, на естественной радиоактивности, и без турбогенератора, но... с ними КПД и весовая отдача будут IMHO куда выше. Хотя бы из-за реализуемого перепада температур - 2000-500 K. Это предельный КПД в 75%! А сколько будет у полупроводникового преобразователя? 500-300? ;-)

[V.B.]

поле СБ 400x400, да еще два таких поля - вещь еще менее тривиальная, и, замечу, совершенно не выносящая нагрузок из-за работы ЖРД

Не, нужно два поля 245х245, это для варианта без ЖРД. Для варианта с ЖРД меньше, но прочность ферм должна быть больше, факт.

Я же говорил не о загрязнении, а о повреждении.

Говорят, что тонкопленочные батареи на аморфном кремнии более устойчивы к радиации, чем кристаллические...

"Энергия", говорите на 7000 заложилась? Это для меня неожиданно, говорили же о стандартных СПД, а у "серийных" как раз 1500... Года полтора назад вроде начинали работать над повышением импульса до 3500, но не знаю, чем там дело кончилось. А если еще они импульс хотят варьировать - так это ж вообще новый движок должен быть...

А кто говорил о стандартных СПД? Конечно новый движок!

раскрутку от Земли на малой тяги необходимо исключить вообще - длительное пребывание в радиационных поясах для всей аппаратуры и тонкоплёночных СБ в особенности будет отнюдь не благотворным.

Экспериментальные аппараты покажут, нужно ли бояться радиационных поясов, а также нужно ли бояться попадания струи от ЭРД на СБ.

Впрочем, если снабдите нас реакторами на 15 МВт (можно в нескольких флаконах) без больших радиаторов, общей массой до 60 тонн (реакторы + радиаторы + каркас), то я соглашусь, что СБ не нужны.

[hcube]

Снабдим. IMHO один реакторокомплект (а их ставить лучше 3 штуки, триплетом) на мощность в 5 МВт укладывается в 20 тонн. Туда входят - сам реактор, с арматурой для нагрева водорода и соплом и ТНА ТФЯРД с УВТ, спаренный с турбиной генератор на 5 МВт (в принципе, поскольку у нас есть ЖВ - то генератор можно сделать на сверхпроводниках, даже не обязательно высокотемпературных ;-)), вспомогательные насосы, аппаратура сжижения водорода, и поворотное 'крыло' радиатора с СБ на торце и VASIMRом в основании. То есть в заднем торце корабля у нас получается секстет двигателей - три ЯРД и три VASIMRа. Вектор тяги VASIMR'а тоже управляемый. Приблизительная тяга ЯРД - 10 тонн на двигатель, VASIMR'а - 500-1500 грамм. Но сами понимаете УИ немножко разные ;-)

Три таких реакторных блока располагаются на ферме, длиной метров 100, непосредственно перед реакторами и на конце которой расположены щиты теневой защиты. Ферма служит для крепления к ней баков с рабочим телом, радиационно-стойкой ПН, запчастей, антенн дальней связи и так далее. В общем, отрываем кларковскому Discovery круглую башку, ставим вместо нее станцию Мир - и вот оно ;-)).

[X]

Во размечтались. А зкаказчик кто?

[hcube]

Если будет грузопоток на Луну, хотя бы тонн 100 в год - то создание такого корабля (возможно, в усеченном варианте, с одним энергодвигательным блоком или двумя) будет вполне оправдано. Я там выше уже расчет приводил. Да и не так уж много на самом деле там разрабатывать - по большому счету все упомянутые технологии опробывались, и, IMHO, внедрению их мешает только некоторая инерция мышления относительно ядерной энергии.

[X]

Реактор, реактор, это наверно лучше. Но вот радиаторы ... Радиаторы, это конструкция по определению герметичная. А любое герметичное соединение по закону Мерфи:"Хоть что нибудь, да пропускает". А тут тонкостенная конструкция во много квадратов. Не зря амеры делают свои аппараты негерметичными, и сколько наших накрылось при разгерметизации. В поля эти попадают не только протоны и пылинки. Помножим площадь на время полета и скорость, и вероятность попадания чего то крупного возрастает. СБ можно в решето превратить, у них только выработка энергии снизится. А вот если радиатор сифонить начнет, на сколько времени водорода хватит. Дополнительный внешний герметичный экран не поможет, его тоже надо в герметичном состоянии поддерживать, да и вес это лишний.
В общем, народ сумлевается

[Андрей Суворов]

Реактор, реактор, это наверно лучше. Но вот радиаторы ... Радиаторы, это конструкция по определению герметичная. А любое герметичное соединение по закону Мерфи:"Хоть что нибудь, да пропускает". А тут тонкостенная конструкция во много квадратов. Не зря амеры делают свои аппараты негерметичными, и сколько наших накрылось при разгерметизации. В поля эти попадают не только протоны и пылинки. Помножим площадь на время полета и скорость, и вероятность попадания чего то крупного возрастает. СБ можно в решето превратить, у них только выработка энергии снизится. А вот если радиатор сифонить начнет, на сколько времени водорода хватит. Дополнительный внешний герметичный экран не поможет, его тоже надо в герметичном состоянии поддерживать, да и вес это лишний.
В общем, народ сумлевается

Отстали вы от жизни. Капельный излучатель-холодильник не требует герметичности, не имеет поверхностей раздела, а требует вакуумного масла, с давлением насыщенных паров порядка 10**-3 паскаля. масло выплёвывается в космос, в виде 50-микронных капель, потом ловится. Испытания КИХ уже были на станции МИР.

[hcube]

Ну, для начала площадь радиатора значительно больше площади трубопроводов по которым раздается горячий газ. Навскидку - раз в 10. Это раз. Два - что проще - закоротить 0.1 мм пленочку СБ или пробить трубку со стенкой в 1-2 мм? Это два. Три - трубка, в принципе, ремонтопригодна - положил заплатку и припаял медным припоем. Или вообще вварил кусочек на замену. А как отремонтировать пленочную СБ с дыркой? ;-). Ну, и, наконец, у нас рабочего тела для турбин на борту - хоть залейся, и на первом попавшемся ледяном или аммиачном астероиде можно пополнить. Это же тот же водород который мы везем для ТФЯРД. То есть ДАЖЕ если потери будут настолько велики, что исключат торможение с помошью ТФЯРД - все равно для работы энергоустановки останется более чем достаточно. А вот запас СБ так просто не пополнишь ;-)

[X]

...и на первом попавшемся ледяном или аммиачном астероиде можно пополнить...

Это как?

[Fakir]

V.B.

Говорят, что тонкопленочные батареи на аморфном кремнии более устойчивы к радиации, чем кристаллические...

Так я ведь говорю не о радиации как таковой. Другие частицы, другие энергии => другие эффекты.

А кто говорил о стандартных СПД?  Конечно новый движок!

   Это бы, конечно, хорошо... Однако на сайте "Энергии" пишут: на Марс-модуле предполагается использовать Д-100, УИ 3970с, тяга 0,3 Н.

Экспериментальные аппараты покажут, нужно ли бояться радиационных поясов, а также нужно ли бояться попадания струи от ЭРД на СБ.

   Посмотрим! Если будут экспериментальные аппараты...

Впрочем, если снабдите нас реакторами на 15 МВт (можно в нескольких флаконах) без больших радиаторов, общей массой до 60 тонн (реакторы + радиаторы + каркас), то я соглашусь, что СБ не нужны.

   Да без особых проблем. А на самый крайний - 10 МВт вас устроят? :wink:  Все равно ведь СБ у Марса больше 7,5 не выдадут.

Кстати, вот еще существенный недостаток для марсианской экспедиции СБ в частности и тонкопленочных в особенности: их применение делает практически невозможным торможение в атмосферах.

[Fakir]

hcube

и поворотное 'крыло' радиатора с СБ на торце и VASIMRом в основании. То есть в заднем торце корабля у нас получается секстет двигателей - три ЯРД и три VASIMRа. Вектор тяги VASIMR'а тоже управляемый.

   Да за что ж вы так VASIMR любите?!