Инженерные вопросы межзвездных перелетов

[Fakir]

Fakir, да в курсе я, что проще сделать прожектор из накачки (если она оптическая) и напрямую поджаривать мишень, аки гиперболоид инженера Гарина - кпд выйдет выше.

Что проще? Чем что проще?

Но с экономикой - извините, "деревянный" рубль времён СССР стоил значительно дороже своего деноминированного собрата РФ. А если брать в сырьевом отношении, (т.е. попытки представить стоимость вложений в оборудование и материалы)то тут даже как-то соотносить тяжело. Про человеческий труд я уже и говорить не стану.

Однако стесняюсь спросить -причём тут всё это?

Я уже как-то раз печатал выкладки, согласно которым себестоимость Манхеттенского проекта и миссий "Аполло" оказывается примерно равной, т.к. есть такая вещь как инфляция.

Ну и? Для кого-то это новость?
Чего сказать-то хотели?

[Diy]

Так а мы саму камеру сгарания в радиатор-то и превратим :wink:  .

Почем нынче волшебные палочки?
КС - самый тяжелый элемент в смысле охлаждения.

Ну с одной стороны термопара будет нагреваться термоядерным пеклом, а с другой - охлаждаться космической тенью. Получится этакая термопара - камера сгорания. Вы начнете говорить, мол термопара не выдержит температуры. Так первый слой - молибденовый, а за ним можно термопару на некотором расстоянии разместить - пусть от излучения молибдена греется...  :roll:  .

[Chilik]

Что касается Z-пинчей, то ведь у них и никогда не заявлялось о принципиальной возможности получения термоядерных температур в непосредственно пинче. Максимум мечтаний - 220-250 эВ чернотельного света.

O'k, про магнитное поле - уговорили.
Но прямого нагрева схлопывающейся оболочкой в пинчах не получить, и никто в здравом уме эти прожекты не строит. Там другая идея - нагреть плотную плазму до чернотельных 250 эВ, вывести излучение в смежную камеру-хольраум и обжать мишень этим равновесным светом. Если не глючу, то они на Z успели такое попробовать до разборки.

[Chilik]

Мишени и хольраумы - будете с собой брать, или прямо на месте делать?
Если с собой - то всю эту икру надо как-то хранить и подавать.
Если на месте - то нужна еще автоматическая линия по производству мишеней и хольраумов...

Забавно, но супостаты года два назад соорудили такой заводик под NIF. Именно заводик, а не линию. Говорят, себестоимость изготовления многослойной мишени уже порядка десятков центов.

[Chilik]

А численно у меня получилось, что перемешаться не успевает даже приблизительно.

А вы считали? Как, если не секрет? Какая исходная модель, какой код?

У нас секретов нет, только искать долго. По памяти - считал я DHe3, однородную мишень, коэффициент сжатия в диапазоне 10е4 по жидкости, коэффициент выгорания в диапазоне 10% просто по пробегам и роэр во времени.
В целом картинка получилась не сильно отличающейся от той, что было тогда известно по  моделям DT. Собственно говоря именно неравновесность продуктов реакции и определяет прекращение горения.
 Т.е. 10% массы мишени - раз сгорели - в равновесии и считаются тупо, а вот передача их энергии несгоревшей части идет уже с трудом. В целом у меня получилось, что температура несгоревшей части
где-то на полпорядка - порядок ниже температуры горения.
По тому, что мне стало известно недавно, сейчас рассматривают выгорание до 35% по тритию и появилась новая перспективная для РД модель поджига, соответственно и все мои расчеты надо переделывать.
Но качественно картинка не изменится.

Я как-то по этим словам с трудом себе представляю и численную модель, и конструкцию мишени, которая считалась. Слова "однородная мишень" показывают, скорее всего, что никакого отношения к реальности это не имеет. Не сочтите за наезд, но н ауровне "рассмотрим однородную мишень" люди перестали работать уже лет как 30, потому что все эти расчёты удивительно далеки от жизни.

[Chilik]

Сколько максимум жил плазменный шнур в самых совершенных токамаках? А?

А сколько надо? И понимаете ли Вы, чем длительность существования разряда ограничивается?
Для справки. В 1992 году на конференции МАГАТЭ по термоядерному синтезу в Вюрцбурге (Германия) японцы с маленького токамака TRIAM представляли доклад под названием "3000-секундный разряд в токамаке." Доклад представлял из себя телевизор с видеомагнитофоном, на которых проигрывались съёмки хода разряда. Они и сейчас работают, в интересном режиме: утром пришли-включили, вечером выключили. Утрирую, конечно, но примерно так. В других установках не ставилось цели получать стационарный разряд (не путать время удержания плазмы и время её существования), импульсная работа существенно проще и дешевле даже с точки зрения энергетики и систем охлаждения.

[Chilik]

Надо производство порядка 10-100 тысяч мишеней в секунду.

Представляете себе размер большого пальца мужской руки? Вот это, примерно, и есть размер хольраума. Говорите, 100 тысяч в секунду? Тэээк. Радиус вакуумной камеры - метров 10, иначе стенка не держит (на NIF радиус 5 м, но они работают в режиме редких импульсов). Новая мишень должна быть снаружи, пока не сгорела старая. Получается, для заданной частоты импульсов сборки мишень-хольраум надо вбрасывать со скоростью 1000 км/с, при этом сохраняя в неприкосновенности нежные и суперсимметричные оболочки мишени (то есть никаких ускорений, которые могут нарушить симметрию!).
Вот простенькая мишень, из не самых навороченных:


Хранить готовые в трюме не получится, их делают незадолго перед употреблением. Главная проблема: внутри пластиковой оболочки находится DT лёд с пузырьком DT газа внутри. Требования на однородность очень сильные (по памяти что-то типа единиц нанометров), а при малейших изменениях температуры идёт перекристаллизация.

[Chilik]

Ну конечно же строить завод по производству "миниатюрных прецизионных конструкций" легче .

Легче или не легче - неважно. Поверьте, завод-автомат по производству мишеней на борту - это мелкая задача, про которую известно, что она решаема. В двигателях с ЛТС есть много других задач, про которые оптимизма куда меньше.

Да просто заставлять инерциал выдать Q=1 никому не интересно - итак выдаст, если как следует подрывать мишени научатся, а уже научились.

Кто? Где? Когда?
ТщательнЕе, пожалуйста. Все фамилии людей - лидеров в лазерном термояде известны, кто конкретно такую глупость сказал?

[Chilik]

Аннигиляция - из известных и понятных на сегодня физпринципов, пожалуй, самый реалистичный шанс.
Я бы даже сказал - единственно реалистичный.

Для начала надо придумать, на каких физических принципах будет работать завод, производящий антивещество. Раз нужен завод, то у завода должен быть склад с "автозаправочной станцией". Как конкретно его хранить?

[Chilik]

Будем оптимистами и поверим, что прямой поджиг тоже возможен. Не хватало ещё космонавтам кучу золота с собой давать.

Прямой поджиг?! В случае ТЯРД?!
ИМХО, 100% без шансов.
Как на мишень со ВСЕХ СТОРОН-то светить вообще??? Просто со всех сторон как осветить, даже оставив однородность за кадром???

Нечестно. Это бывший мой аргумент. Тем не менее, попробую сыграть в "адвоката дьявола".
Есть такой забавный дядечка по фамилии Никотин Табак. Который придумал метод fast ignition. Правда, по мере перехода от пальцевых оценок к серьёзным кодам у него произошёл рост энергетики в основном луче до 300 кДж и в быстром - до 45 кДж. Те не менее, там симметрия облучения более мягкая, чем при тупом обжатии до зажигания.
Да и в классических схемах с развитием хороших численных кодов вроде бы научились правильно сжимать и с несферическим облучением. Так, сейчас появляются расчёты для прямого обжатия на NIF, где камера и конструкция оптических путей не позволяют делать симметричное облучение.

[Иван]

Для Chilik.

Так Вы и не ответили на мой:
 Сб Июл 19, 2008 09:59

Надеюсь на Вашу благосклонность.

[Chilik]

Что касается отрыва плазмы от поля - то реально вещь неизвестная. И как сделать так, чтобы плазма не вернулась по силовой линии - пока не знает никто. Опять же, речь об относительно плотной плазме.

Ну, во-первых, именно что это о сравнительно плотной плазме. А, скажем, ваш Волосов предлагает, например, выпускать из конуса только непосредственно продукты реакции - как вариант.
А во-вторых, вряд ли кто всерьёз этой проблемой озабочивался пока

А в третьих - у того же Ченг-Диаза система, по сути, ровно с таким же истечением "вдоль" поля - и где там ожидаются проблемы?
Да даже торцевые холловские движки - тоже с истечением плотной плазмы "вдоль" поля, и ничего!

У Волосова - правильно, идёт уход быстрых частиц за счёт КЛР. А у Чанга нашего свет Диаса пока ничего неизвестно, ибо в его железной бочке такое не промоделировать. Как понимаю, этот эксперимент планировался на ISS.
Проблема осознаётся, и даже некоторое время назад у них были деньги на какой-то небольшой стендовый проект. Деньги пропали, т.к. их оказалось нельзя заплатить русским из-за "иранского" запрета.

[Chilik]

Правда ЛТС и его идея существует не более 30 лет, а Токомаки уже более 50.

На самом деле схемы ЛТС обсуждались с середины 60-х гг, насколько мне известно.

И бабла в Токомаки в одном только СССР вбухано во много раз больше, чем во все ЛТС во всех странах мира.

Бюджет одного NIF превышает всё количество бабла, вбуханное во все советские токамаки за все годы советской власти. А кроме NIF-а только в Штатах пяток довольно крупных машин кормится.

Да и работают над ними более головастые ребята, чем над ЛТС.

Вы в этом уверены? Вы их лично знаете? Я - знаю. Не всех, конечно. Но таких выводов сделать нельзя.

И международной кооперации по ЛТС практически нет, ибо лазер - прежде всего оружие. А потом - энергия и проч.

Лазерный УТС - это не оружие, но обороноспособность. Вещи связанные, но разные. А международная кооперация есть, и достаточно интенсивная.

[Chilik]

Пока нет ни одного управляемого микровзрыва с Q=1. Даже единичного, что уж говорить о частых взрывах.
В отличие от магнитного удержания, к-е десять лет как перевалило.

Да ну... Есть, и с большим, в отличие от токамака, положительным энергетическим выходом. А NIF и вовсе обещает во много раз перекрыть энергию драйвера.
Уж я не говорю, что токамак так до сих пор и не смог дольше 5 минут проработать, далеко на нем не улетишь.

А матчасть поучить? У Вас удивительно далёкие от реальности представления. Начиная от габаритов обсуждаемых систем и кончая достижениями и проблемами.

[Иван Моисеев]

Я как-то по этим словам с трудом себе представляю и численную модель, и конструкцию мишени, которая считалась. Слова "однородная мишень" показывают, скорее всего, что никакого отношения к реальности это не имеет. Не сочтите за наезд, но н ауровне "рассмотрим однородную мишень" люди перестали работать уже лет как 30, потому что все эти расчёты удивительно далеки от жизни.

Собственно, это считалось 32 года назад.
В том случае мне пришлось выступать в качестве физика, а физики - странный народ. Они сплошь и рядом работают с моделями, в реальности не существующими. Классический пример - материальная точка.
Тем не менее, разработанные физиками подходы в этой части позволяют получить достаточно достоверные результаты, пригодные для инженерного использования.
В частности, используя принятые физиками подходы, мне удалось 32 года назад при расчетах однородной модели (хотя тогда мне было прекрасно известно, что мишень будет многослойной) получить результаты не на много отличающинеся от сегодняшних.

[Иван Моисеев]

Надо производство порядка 10-100 тысяч мишеней в секунду.

Представляете себе размер большого пальца мужской руки? Вот это, примерно, и есть размер хольраума. Говорите, 100 тысяч в секунду? Тэээк. Радиус вакуумной камеры - метров 10, иначе стенка не держит (на NIF радиус 5 м, но они работают в режиме редких импульсов). Новая мишень должна быть снаружи, пока не сгорела старая. Получается, для заданной частоты импульсов сборки мишень-хольраум надо вбрасывать со скоростью 1000 км/с, при этом сохраняя в неприкосновенности нежные и суперсимметричные оболочки мишени (то есть никаких ускорений, которые могут нарушить симметрию!).
Вот простенькая мишень, из не самых навороченных:


Хранить готовые в трюме не получится, их делают незадолго перед употреблением. Главная проблема: внутри пластиковой оболочки находится DT лёд с пузырьком DT газа внутри. Требования на однородность очень сильные (по памяти что-то типа единиц нанометров), а при малейших изменениях температуры идёт перекристаллизация.

Пересчитайте. Ошибка где-то на два порядка.

[Chilik]

Для Chilik.
Так Вы и не ответили на мой:
 Сб Июл 19, 2008 09:59
Надеюсь на Вашу благосклонность.

Sorry. Благосклонность не при чём, просто примерно в полночь по местному времени вчера в меня прилетел тапочек, а была куча открытых вкладок в этой теме, с которыми теперь разбираюсь.
Вопрос был про вот это (у меня форум кажет наше местное время, 9:59 не нашёл)?

Относительно "железяки" аналогия понятная, но далекая.
И основная разница в том, что по подвижности составляющих частиц плазма гораздо ближе к газу чем к тв. телу.

А здесь не про подвижность частиц. Здесь про то, что наличие хорошего проводника (плазмы) в системе существенно изменяет картину электрических и магнитных полей. И стационарное электрическое поле в плазму не проходит - просто электроны слегка смещаются относительно ионов и за счёт этой поляризации поле внутри плазмы зануляется.
Сейчас меня Fakir обругает, но у меня уже на уровне рефлекса - всё, куда поле может пролезть, плазмой не является. Тогда уже лучше говорить о потоках заряженных частиц.

Не совсем понял, к чему Вы призываете рассматривать "дебаевский радиус"?

А это как раз численная мера того, можно ли систему рассматривать как набор отдельных заряженных частиц или это уже плазма, которая живёт так, как хочет.

Вероятно Вы не обратили внимание по фразу в скобках:
(Понятно, что попав в ускоряющий промежуток, из плазмы будут выметены электроны и отрицательные ионы, при соответствующей полярности на электродах).
В отличие от случая с "железякой" из которой в лучшем случае начнется эмиссия электронов.
Нейтральность можно обеспечить электронной пушкой с соответствующим током. ...

Подобные системы можно грубо разделить на две категории: маленькой мощности (условно, до 1-10 МВт) и мощные. Первые вроде бы можно сделать стационарно работающими с ресурсом в сотни часов (это не так мало, обычная советская квартирная лампочка накаливания имеет ресурс масштаба 1000 часов). Но пока есть опыт с успешным доускорением до ~50-100 кэВ. Более высокие энергии пока не получаются (есть две конструкции в Японии на примерно 0.5 МэВ, но они за десяток лет работы так и не смогли получить проектные параметры). При переходе к более мощным системам и к более высоким ускоряющим напряжениям начинаются очень крупные неприятности, связанные с двумя вещами. Первое - это образование плазмы на всех поверхностях с достаточно большим электрическим полем (напомню, что из уравнений Максвелла получается, что стационарное поле будет максимально именно на поверхности). Потом эта плазма неконтролируемо заполняет систему и портит всё, в том числе и подсвечивая ультрафиолетом поверхности изоляторов. И второе - это электронная обратная связь с выхода на вход. То самое поле, которое ускоряет ионы наружу, будет в обратном направлении ускорять электроны. Поскольку всегда есть слабенькое гало "неправильных" частиц, рождающихся вне основного канала пучка и попадающих куда-нибудь на поверхность, то источник таких электронов будет. А быстрые электроны - прекрасный источник рентгена, который, в свою очередь, за счёт фотоэффекта выбивает новые вторичные электроны со всех поверхностей, которые видит.
Короче, непросто это. На первый взгляд, фундаментальных запретов нет, но на каждом шагу встречаются свои проблемы.

И я не знаю, нужно ли на самом деле делать такую высокую энергию частиц. Повышаем УИ, но теряем тягу - что важнее? Если оставаться на уровне сотни кэВ, то скорость истечения составит по порядку величины десяток тысяч км/с - этого разве не хватит на довольно длительную перспективу, включая первые межзвёздные автоматы?

[Chilik]

Собственно, это считалось 32 года назад.
...
В частности, используя принятые физиками подходы, мне удалось 32 года назад при расчетах однородной модели (хотя тогда мне было прекрасно известно, что мишень будет многослойной) получить результаты не на много отличающинеся от сегодняшних.

Спорить не буду, т.к. здесь у меня только информация из опубликованного, а сам лично этим не занимался. Но точно помню, что 30 лет назад говорили о килоджоуле в плотной плазме и о необходимости строить 10-килоджоульный лазер. Потом стали аккуратнее обращаться с Рэлей-Тейлором, напоролись на генерацию быстрых электронов и проблемы с генерацией гармоник. Концепция мишени сильно изменилась. В итоге теперь говорится о мегаджоуле в мишени и 3-5 МДж драйвере. Вот это и есть то отличие, о котором я говорил. До топлива по-прежнему доходит "положенный" ему килоджоуль или около того, а всё остальное уходит в мусор ради того, чтобы получилось сжатие небольшой части мишени. Таки да, именно для этой части Ваши расчёты, скорее всего, правильны и сейчас.

...Требования на однородность очень сильные (по памяти что-то типа единиц нанометров), а при малейших изменениях температуры идёт перекристаллизация.

Пересчитайте. Ошибка где-то на два порядка.

Не умею пересчитывать, умею мурзилки читать.  :oops:
Вот, например, отсюда:
http://www-ferp.ucsd.edu/HAPL/DOCS/HAPLtargetSpecs.pdf

Capsule outer CH surface finish:  <50 nm
Inner ice layer uniformity/ roughness: +-5 um;
... блин, движок форума портит тут цитату - менее 0.5 мкм для моды выше 10

Да, ошибся. Если правильно понял, то для льда первая цифра - глобальная неоднородность толщины (приведёт к смещению центра сжатия относительно геометрического), а последняя - допуск на шероховатости с пространственной модой 10-100.
Кстати, текстик любопытный для тех, кому мишени интересны. Есть и спектры вылетающих частиц и излучения (естественно, для DT смеси).

[Иван Моисеев]

Собственно, это считалось 32 года назад.
...
В частности, используя принятые физиками подходы, мне удалось 32 года назад при расчетах однородной модели (хотя тогда мне было прекрасно известно, что мишень будет многослойной) получить результаты не на много отличающинеся от сегодняшних.

Спорить не буду, т.к. здесь у меня только информация из опубликованного, а сам лично этим не занимался. Но точно помню, что 30 лет назад говорили о килоджоуле в плотной плазме и о необходимости строить 10-килоджоульный лазер.

Как всегда в таких случаях, одни говорят одно, другие - другое и т.д.
Я всегда исходил из 1 Мдж на мишени, как минимально возможного варианта.

Пересчитайте. Ошибка где-то на два порядка.

Не умею пересчитывать, умею мурзилки читать.  :oops:

Везет. В моих мурзилках ответы на интересующие меня вопросы в большинстве случаев отсутствуют. Приходится логарифмическую линейку юзать.

Да, ошибся. Если правильно понял, то для льда первая цифра - глобальная неоднородность толщины (приведёт к смещению центра сжатия относительно геометрического), а последняя - допуск на шероховатости с пространственной модой 10-100.
Кстати, текстик любопытный для тех, кому мишени интересны. Есть и спектры вылетающих частиц и излучения (естественно, для DT смеси).

Ну, так исправьте ошибку-то. С какой скоростью надо подавать мишени?

[Diy]

Сколько максимум жил плазменный шнур в самых совершенных токамаках? А?

А сколько надо? И понимаете ли Вы, чем длительность существования разряда ограничивается?
Для справки. В 1992 году на конференции МАГАТЭ по термоядерному синтезу в Вюрцбурге (Германия) японцы с маленького токамака TRIAM представляли доклад под названием "3000-секундный разряд в токамаке." Доклад представлял из себя телевизор с видеомагнитофоном, на которых проигрывались съёмки хода разряда. Они и сейчас работают, в интересном режиме: утром пришли-включили, вечером выключили. Утрирую, конечно, но примерно так. В других установках не ставилось цели получать стационарный разряд (не путать время удержания плазмы и время её существования), импульсная работа существенно проще и дешевле даже с точки зрения энергетики и систем охлаждения.

То есть вы считаете, что бутылка-двигатель должна работать в импульсном режиме ?
Если да, то сразу теряется преимущество, красочно расписанное Fakir'ом, что мол плазменное горение самоподдерживается. Вам придется использовать массу промежуточных преобразователей энергии (для рециркуляции мощности), чтобы поджечь новую порцию топлива. И в дополнение к сложной, дорогой, ненадежной и тяжелой магнитной системе поддержания стабильности плазмы добавятся еще и системы рециркуляции мощности.
А тяга импульсной бутылки будет ниже всякой критики.