Релятивистский двигатель на нуклонной тяге.

[Zhilinsky Valerij]

Причём, может оказаться, что это проще, чем энергетический реактор на Земле - неполное удержание плазмы, неограниченное количество бесплатного вакуума.

Тут начинают просматриваться гипотетические перспективы орбитальной энергетики. Типа болтается на безопасной орбите термоядерная электростанция и по лазерному лучу шлёт гигаваты на Землю.

Несколько иначе. На безопасной орбите "болтается" термоядерная электростанция, энергоёмкое высокопроизводительное производство, и обитаемая станция для персонала, с вращающимися торусами. Народ работает вахтами по пол года или больше.
   
Грубо говоря, это примерно то, о чём грезит Безос - как первый этап вывод энергоёмких и грязных производств с Земли, обитаемые станции в космосе.
   

[Просто Василий]

У вас в центре системы огромный термоядерный реактор весит, собирайте энергию с него, передавайте по лазеру, вам зелёные спасибо скажут, даже Европа, которая угробила ядерную энергетику, сможет такое сделать, то есть для Европы или Японии это выход из ограничений по использованию ядерных реакторов в космосе.

[Просто Василий]

Моя давняя любимая мозоль - это затаившие дыхание научно-популярные статьи о последней разрекламированной электрической ракете. ВАСИМИР - типичный пример. «Это позволит нам добраться до Марса за месяц!» (Иногда мне кажется, что научно-популярные СМИ хранят один из них в ящике для работы каждый раз, когда идет медленный новостной цикл).

Электрическая тяга, конечно, не новая идея, о которой мимоходом упоминал Циолковский, серьезно отстаивал Эрнст Штулингер и теперь регулярно используется в геостационарных спутниках для стационарного наблюдения и в некоторых миссиях в дальний космос. Он имеет важное применение и может иметь светлое будущее, но есть веская причина, почему, несмотря на десятилетия активной работы, он еще не обеспечил действительно революционных возможностей.

На первый взгляд это кажется привлекательным. Всем известен термин «удельный импульс» (I _sp ), который представляет собой просто импульс (тяга * время), деленный на выбрасываемую реакционную массу... так что «импульс на единицу массы» - это «удельный импульс». Для ракеты в метрических единицах это то же самое, что и скорость истечения (нс / кг упрощается до м / с - мне нравится метрическая система). Уравнение ракеты: полученная скорость = I _sp * LN (массовое отношение), поэтому, если вам нужна высокая скорость, вам понадобится высокий I _sp (так как массовое соотношение отображается внутри логарифма, для получения слишком большое кратное I _зр.как чистая скорость). Электрические двигательные установки бывают самых разнообразных: ионные двигатели с решеткой, двигатели на эффекте Холла, магнитоплазмодинамические системы, горячая плазма, выбрасываемая через магнитное сопло, и так далее. В любом случае они либо используют более высокие температуры, чем реакции горения, либо используют нетепловые процессы, чтобы подтолкнуть выброшенную реакционную массу к более высоким скоростям, чем могут достичь химические ракеты.

Проблема, хорошо известная в мире двигателей, заключается в том, что в этой истории есть нечто большее - откуда берется энергия? Шутка о том, что «мы могли бы легко добраться до Марса, если бы у нас был только длинный удлинитель», восходит к временам фон Брауна и Штулингера. Идеальная мощность для ракетного двигателя (КПД 100%!) Равна Power = 0,5 * Thrust * I _sp . В таком случае полезно иметь в виду метрику «удельная мощность» (Psp), которая представляет собой просто мощность тяги, деленную на массу корабля (после выброса топлива), Вт / кг. (По историческим причинам во многих литературе упоминается «альфа» источника питания (кг / кВт), что является обратной величиной Psp.)

Поскольку ускорение - это тяга / масса, пиковое ускорение просто: 2 * Psp / I _sp.

Основная проблема заключается в том, что если ваше ускорение слишком низкое, вы не можете сократить время поездки - нельзя использовать высокую достижимую скорость электрического подруливающего устройства! В конце концов, у каждого в доме есть электрический двигатель, скорость истечения которого равна скорости света - мы называем это фонариком. Но мы не можем добраться до Марса с фонариком, потому что тяга ничтожно мала. Рассмотрим путешествие размером 6 × 10 ^ 10 метров (которое я напишу в компьютерной нотации, 6E10) - неплохое первое предположение о расстоянии до Марса в противостоянии (когда Земля находится между Марсом и Солнцем). Если мы хотим добраться до Марса за месяц (2,6E6 секунды), с постоянным ускорением (обратите внимание, что это упрощение для иллюстративных целей - ускорение ниже в начале поездки, чем в конце), используя старое значение d = Формула 0,5 * a * t ^ 2, составляет около 0,036 м / с ^ 2. Тогда скорость в среднем полете составляет впечатляющие 46000 м / с, что нам не доставляет удовольствия, потому что мы должны немедленно начинать торможение. Для этого с отношением масс 2 требуется I_sp составляет ~ 66000 м / с (в английских единицах измерения I _sp составляет ~ 6800 секунд, что может быть более знакомо некоторым). Это немного много для многих электрических двигателей, но никоим образом не является недосягаемым. Пиковое ускорение тогда должно быть около 0,05 м / с ^ 2, чтобы получить достаточно высокое среднее ускорение для этой поездки.

Чтобы получить это ускорение, при этом I _sp , Psp должно быть 0,5 * ускорение * I _sp , что составляет 1650 Вт / кг. Конечно, это Psp * для всего корабля *, который включает не только источник питания, но и баки, радиаторы, сам электрический двигатель и полезную нагрузку. Вероятно, нам понадобится источник питания ~ 6000 Вт / кг, взятый просто отдельно (или, если хотите, «альфа» 0,17 кг / кВт). А этого у нас нет - и мы не близки.

Солнечные батареи, используемые сегодня в космических миссиях, с учетом структур поддержки и развертывания, обеспечивают около 200 Вт / кг. На Марсе вы находитесь дальше от Солнца, и эта цифра падает до ~ 100 Вт / кг. Были продемонстрированы варианты с более высокими характеристиками ... тонкопленочные массивы, массивы с надувными солнечными концентраторами, выкатные массивы ... которые могут достигать ~ 1000 Вт / кг на околоземной орбите и 500 Вт / кг на Марсе. В зависимости от лабораторных исследований возможен еще один фактор в два или около того улучшений. Это все еще далеко от 6000 Вт / кг.

А как насчет ядерных источников? Один ядерный реактор, запущенный США в космос, SNAP-10a, производил ~ 590 Вт электроэнергии и имел массу ~ 290 кг, или ~ 2 Вт / кг. По прошествии многих лет НАСА приближается к завершению разработки более современного дизайна, Kilopower (или KRUSTY), который использует мощность цикла Стирлинга для получения большего количества электроэнергии от реактора, и надеется достичь 10000 Вт в упаковке 236 кг (которая все еще нуждается в защите. масса добавлена). Это намного более впечатляюще - 42 Вт / кг - и выглядит чрезвычайно многообещающим для обеспечения электроэнергией миссий в дальний космос и систем на поверхности Луны или Марса. Но все же это далеко не то, что нужно для высокоскоростного полета.

Существуют конструкции для сверхвысокотемпературных реакторов. Высокая температура действительно является ключевым моментом, потому что в космосе нет хорошего способа избавиться от отработанного тепла, кроме как путем его излучения, а площадь радиатора масштабируется обратно пропорционально ЧЕТВЕРТОЙ степени температуры. Преобразование энергии в электричество происходит за счет разницы температур, поэтому, если вы хотите отказаться от отработанного тепла при хорошей высокой температуре, источник тепла должен иметь еще * более высокую * температуру. В этих конструкциях обычно используются газовые сердечники, работающие при таких высоких температурах, что твердые элементы реактора могут плавиться. Это важная работа, и я бы хотел, чтобы ее продвигали быстрее с большими бюджетами. В настоящее время - не близко. Ни один такой реактор никогда не испытывался с топливом деления даже в лаборатории (некоторые его части, например, оборудование для преобразования энергии, прошли испытания с электронагревателями). Есть люди, которые думают, что однажды мы сможем достичь ~ 1000 Вт / кг с такими системами или даже выше. Но мы еще не достигли цели, и никто не может сказать, когда или даже если мы это сделаем.

Есть более многообещающие пути - по сути, использование реакций деления или синтеза, которые фактически генерируют свою энергию в виде высокоскоростных заряженных частиц, и вместо использования этих заряженных частиц для нагрева чего-либо и приведения в действие генератора, улавливать их непосредственно в процессе «прямого электрического преобразования». Эти процессы выходят за рамки температурных пределов, описанных выше (или, если вы предпочитаете, используют тот факт, что процесс, работающий при 120 вольт, имеет эффективную температуру около 1,4 миллиона Кельвинов). Я думаю, что это обнадеживающий путь к источнику питания с высоким Psp, но здесь есть практические проблемы. В делении задействовано много нейтронов, и они должны идти * куда-то * (в идеале, обратно в реактор деления), а это требует массы и включает отходящее тепло, которое необходимо излучать. Для слияния,

По иронии судьбы, старая шутка о длинном удлинителе - вероятно, самый многообещающий путь. Сегодня мы можем увидеть, как создавать пучки - лазеры, микроволновые пучки, пучки частиц и т. Д. - которые могут использоваться для получения энергии на долгое время. Мы пока не можем направить луч на Марс, но такая система не является недосягаемой, особенно если она построена в космосе. При прилагаемой мощности получение от лазерного луча тысяч Вт / кг является достоверным, а значение Вт / кг для микроволнового приемника или приемника пучка частиц чрезвычайно велико (определенно достижимо> 10000 Вт / кг). В НАСА ведется некоторая работа по проектированию миссий с использованием лазерных лучей для питания высокоинтенсивных солнечных батарей и привода электрического двигателя - в настоящее время только для ускорения из-за ограниченного диапазона луча.

Вот почему я не могу так сильно радоваться следующему прорыву в области электрических двигателей. Это хорошая и важная работа. Но у нас уже есть двигатели, которые намного лучше, чем наши источники питания могут эффективно использовать. Что нам нужно, так это лучший блок питания!

Это гугл перевод статьи https://tauzero.aero/its-the-power-supply-that-matters/

[moon]

мощный источник энергии и лазер около рентгеновского спектра

Туфта. Лазер имеет малый КПД, источник энергии большую массу.

 
Во всяком случае это реальнее...

 

Вы ошибаетесь... И путаете ядерную реакцию и темоядерные. Фотоядерная реакция где идет распад ядра Дейтона в лабораторных условиях известна повторяема и хорошо изучена.
А вот эти все описанные Вами термоядерные реакции существуют лишь на бумаге и идут предположительно только на звездах.

[moon]

Нейтроны очень хорошо рассеиваются пролетая много чего насквозь, и их очень сложно направить в пучок, чтобы создать тягу. Это одна из проблем термоядерного ракетного двигателя на топливе D-T, где 80% энергии уходит с нейтронами. А реакции на так называемом аневтронном топливе, например р-В ещё более трудно достижимые...
Если задействовать только протоны, то куда девать нейтроны, которые в добавок облучат все вокруг

Берилиевые сопла, а с фокусировкой протонов справится и вращающееся постоянное магнитное  поле...
Вы не можете просматривать это вложение.
суть в том, что получить достаточно плотный поток нейтронов и протонов куда проще чем приемлемый поток фотонов.

[Андрюха]

Нейтроны очень хорошо рассеиваются пролетая много чего насквозь, и их очень сложно направить в пучок, чтобы создать тягу. Это одна из проблем термоядерного ракетного двигателя на топливе D-T, где 80% энергии уходит с нейтронами. А реакции на так называемом аневтронном топливе, например р-В ещё более трудно достижимые...
Если задействовать только протоны, то куда девать нейтроны, которые в добавок облучат все вокруг

Берилиевые сопла, а с фокусировкой протонов справятся и магнитные поля....суть в том, что получить достаточно плотный поток нейтронов и протонов куда проще чем приемлемый поток фотонов.

Сильно сомневаюсь что магнитные поля сделают этот поток релятивистским

[moon]

Нейтроны очень хорошо рассеиваются пролетая много чего насквозь, и их очень сложно направить в пучок, чтобы создать тягу...
Если задействовать только протоны, то куда девать нейтроны, которые в добавок облучат все вокруг

Использовать как рабочее тело водород. Нейронов не содержит. Протоны и электроны ускоряем в ускорителе заряженных частиц (ЭРД, однако! ). И никакой лазер не нужен!

А из чего и как Вы получите протоны и нейтроны? Тем более без лазера?

[moon]

Нейтроны очень хорошо рассеиваются пролетая много чего насквозь, и их очень сложно направить в пучок, чтобы создать тягу. Это одна из проблем термоядерного ракетного двигателя на топливе D-T, где 80% энергии уходит с нейтронами. А реакции на так называемом аневтронном топливе, например р-В ещё более трудно достижимые...
Если задействовать только протоны, то куда девать нейтроны, которые в добавок облучат все вокруг

Берилиевые сопла, а с фокусировкой протонов справятся и магнитные поля....суть в том, что получить достаточно плотный поток нейтронов и протонов куда проще чем приемлемый поток фотонов.

Сильно сомневаюсь что магнитные поля сделают этот поток релятивистским

Протоны и нейтроны полученные при фотоядерной реакции изначально обладают энергией 2,3 МэВ. Без магнитных полей, они нужны лишь для создания "пучка" или "луча" из протонов.
Скорость нейтрона. с энергией 0,025 эв равна 2200 м/сек. А у нас 2.3 МэВ ( мегаэлектронвольт (МэВ) - 1 млн электронвольт) .
Итого скорость истечения нейтронов и протонов 202 400 м/сек
Скорость света 299 792 458 м/с  1% скорости света = 2997924 м/сек
Ок если Вы считаете, что почти 1 % от скорости света это не релятивисткая скорость имеете на это полное право.
Но для освоения Солнечной Системы 1% от скорости света хватит с головой.

[moon]

Самиздат, оно и видно

Что видно? Просто интересный вариант двигателя на осколках деления. Они же — Fission Fragment Rocket Engine (FFRE).

"Ну вот теперь мы наконец-то готовы вернуться к FREE.
И так, в чём же идея двигателя на осколках деления? У нас есть ядро, например, урана-235, которое поглотило тепловой нейтрон и раскололось на два осколка и несколько нейтронов. Например, на криптон-92, барий-141 и три нейтрона. Ядро криптона-92 при этом будет иметь кинетическую энергию где-то в 101 МэВ и скорость 14 500 км/с, а ядро бария-141 — 66 МэВ и 9 500 км/с. Усреднённая с учётом массы скорость осколков деления получается 11 500 км/с!
Если мы научимся выбрасывать из сопла непосредственно сами осколки деления, то удельный импульс двигателя может достигнуть 1 000 000 секунд или 10 000 км/с — на уровне лучших проектов ТЯРД!"

Если в Наса предлагали создавать "плазменные кристалы" и "диски" от Ливерморской национальной лаборатории.
Тут предложено кардинально поменять способ получения "осколков деления". А то, что самиздат говорит лишь о том, что идея просто свежая...
Вы не можете просматривать это вложение.

[Бертикъ]

А Вы себе представляете цену высокообогащенного урана? Вы же его будете использовать в качестве РТ? Для создания сколь-нибудь удобоваримой тяги (ну так тонн 10) каждую секунду Вам надо будет выбрасывать в сопло сотни тысяч убитых енотов.

[moon]

А Вы себе представляете цену высокообогащенного урана? Вы же его будете использовать в качестве РТ? Для создания сколь-нибудь удобоваримой тяги (ну так тонн 10) каждую секунду Вам надо будет выбрасывать в сопло сотни тысяч убитых енотов.

А какое отношение имеет уран к дейтону? И вообще к фотоядерной реакции расщепления дейтона?
Вы не можете просматривать это вложение.

[Андрюха]

А Вы себе представляете цену высокообогащенного урана? Вы же его будете использовать в качестве РТ? Для создания сколь-нибудь удобоваримой тяги (ну так тонн 10) каждую секунду Вам надо будет выбрасывать в сопло сотни тысяч убитых енотов.

А какое отношение имеет уран к дейтону? И вообще к фотоядерной реакции расщепления дейтона?
Вы не можете просматривать это вложение.

Откуда брать сравнительно невысокую энергию в 2,23 МэВ? А вернее гамма-квант с такой энергией для осуществления реакции?

[Бертикъ]

А Вы себе представляете цену высокообогащенного урана? Вы же его будете использовать в качестве РТ? Для создания сколь-нибудь удобоваримой тяги (ну так тонн 10) каждую секунду Вам надо будет выбрасывать в сопло сотни тысяч убитых енотов.

А какое отношение имеет уран к дейтону? И вообще к фотоядерной реакции расщепления дейтона?
Вы не можете просматривать это вложение.

Я прокомментировал Ваш предыдущий пост, в котором написано:

И так, в чём же идея двигателя на осколках деления? У нас есть ядро, например, урана-235, которое поглотило тепловой нейтрон...

И так далее...
Если же это не Ваши слова, а Вы приводили чью-то цитату, то старайтесь оформлять посты так, чтобы это было понятно.

[moon]

Откуда брать сравнительно невысокую энергию в 2,23 МэВ? А вернее гамма-квант с такой энергией для осуществления реакции?

Вот хороший вопрос. По сути и в корень...По ссылке предложено в качестве гамма квантов использовать лазер екстремального ультрафиолетового спектра. Что не есть гуд... Да ионизация будет но вот фотоядерный взрыв. Для работы данного двигателя нужен ГАММА ЛАЗЕР или ГРАЗЕРhttps://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B0-%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80
Википедия сообщает нам: "идея гамма-лазера возникла в связи с появлением лазера и открытием эффекта Мёссбауэра. Пока генерация вынужденного излучения в гамма-диапазоне не осуществлена".
То есть теория есть гразера нет: http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0676.html

А раз нет Гразера то и сам двигателя на дейтонах чисто теоретическая идея...Спасибо за наводку...

P.s. кстати ученые работают вот нашел интересное предложкние по гамма-лазеру:
https://nplus1.ru/news/2019/12/09/gamma-laser-positronium