Инженерные вопросы межзвездных перелетов

[zyxman]

Сегодня в Мембране любопытная заметка:
Бактерии выдержали перегрузку в 400 000 g
..
Если есть экзопланета, для жизни человека неподходящая, но подходящая для жизни бактерий (CO2-атмосфера, например),  можно построить электромагнитный ускоритель и обстрелять эту планету, скажем, граммовыми капсулами с бактериями.
И пока корабль летит - бактерии кислород в атмосфере наработают.

Похоже что панспермию организовать можно.

Капсула все равно должна выдержать дважды ультраускорение (на старте и на спуске на планету), а кроме того защитить бактерий от факторов космического полета, и после спуска раскрыться. Непростая задачка.

[КотКот]

Сегодня в Мембране любопытная заметка:
Бактерии выдержали перегрузку в 400 000 g
..
Если есть экзопланета, для жизни человека неподходящая, но подходящая для жизни бактерий (CO2-атмосфера, например),  можно построить электромагнитный ускоритель и обстрелять эту планету, скажем, граммовыми капсулами с бактериями.
И пока корабль летит - бактерии кислород в атмосфере наработают.

Похоже что панспермию организовать можно.

Капсула все равно должна выдержать дважды ультраускорение (на старте и на спуске на планету), а кроме того защитить бактерий от факторов космического полета, и после спуска раскрыться. Непростая задачка.

Без торможения она просто сгорит в виде энергетического столбы. Это было расчитано при расчетах "Межзвездных войн" на Астрофоруме....
Но можно использовать вариант "Десант" из той же темы....

[pkl]

http://robert-ibatullin.narod.ru/lamia/arrenius.html

Тормозиться лучше светом.

[Dmitri]

Кто-нибудь читал? Какие рекомендации?

Vozmogno, bydyt primeneni covcem drygie fizicheskie zakoni, kotorix mi ne znaem.
120 let nazad ne znali radiosvaz, padapa, energii atomnogo yadra, radioajktivnosti.He znali ximii, ygleplastiki, mikpocxemi.
 He verili, shto camolet poletit.

[Alex_Semenov]

Кто-нибудь читал? Какие рекомендации?

Vozmogno, bydyt primeneni covcem drygie fizicheskie zakoni, kotorix mi ne znaem.
120 let nazad ne znali radiosvaz, energii atomnogo yadra, radioajktivnosti He verili, shto camolet poletit.

[Alex_Semenov]

Сегодня в Мембране любопытная заметка:
Бактерии выдержали перегрузку в 400 000 g
И, соответственно, такая мысль возникла. Если есть экзопланета, для жизни человека неподходящая, но подходящая для жизни бактерий (CO2-атмосфера, например),  можно построить электромагнитный ускоритель и обстрелять эту планету, скажем, граммовыми капсулами с бактериями.
И пока корабль летит - бактерии кислород в атмосфере наработают.

Интересная возможность...

Разгон до скорости 0.1с (10 лет -1 св. год. Экзопланета на 40 св.л. достигается за 400 лет)
При ускорении 400 000 g

Ускорение длится 7.65 с (Вау!)
Длинна пути разгона 114 795 918 м. То есть 115 000 км.
При массе капсулы в 100 грамм чистая энергия снаряда 4,5E+13 Дж. 10 Килотонн ТНТ
Мощность установки 5,88E+12 Вт. Половина мировой мощности цивилизации сегодня.

Самая большая проблема – отвод энергии от разгоняемого снаряда. Если КПД ускорителя 50% то 6 Тватт идет на разгон и 6 Тватт на разрушение ускорителя и снаряда.

Близкий проект.

Starseed launcher
http://en.wikipedia.org/wiki/Starseed_launcher
 


Но Бишоп собирался запускать не бактерий, а нанороботов.

Как на мой вкус – задача подкупает... кажущейся простотой на этапе запуска. Но этап полета, а особенно торможения аппарата массой в 100 грамм...

Или килограмм...

Я считаю уже 300 тонн (межзвездный зонд отделившийся от разгонного блока, несущийся на 0.1-0.3с ) слишком маленькой массой и спасти его во время столетнего полета и тем более торможения... (хотя бы 10-100 тонн полезной нагрузки) уже задача запредельно сложная.

[Alex_Semenov]

http://robert-ibatullin.narod.ru/lamia/arrenius.html

Тормозиться лучше светом.

Роберт повторяет ошибку эм... Нивена... кажется... В автобиографии Роберта Форварда есть воспоминания как Нивен и ... Пурнель, кажется, пришли к нему в начале 70-х и он рассказал им про идею разгона корабля лазерным лучом. Сказал им что проблема торможения остается открытой и сказал что простейший расчет показывает – свет звезды не остановит корабль разогнанный выше определенной скорости.
Мэтлофф и Малов считали парусник, выстреливаемый диффузным солнечным светов. Они получили в лучшем случае 0,015с.
Процесс обратимый. Если вы можете разогнаться солнечным светом ТОЛЬКО  до 0,015с то вы этим же светом можете затормозить не более.
Если у вас скорость 0.1с то как не изгаляйся, зацепиться за звезду не получится. Просвистите мимо как "фанера над Парижем"

При этом у разных звезд разный будет предел. Самые противные в этом смысле (как водится) и самые распространенные звезды – тусклые красные карлики.

Видимо все это Форвард и рассказал фантастам тогда в своем интервью. Но они это пропустили мимо ушей. И в "Мошка в деснице господней" "Зонд Безумного Эдди" разогнанный лазером затормозился у цели уже светом самой звезды.
Авторский произвол.

То же и у Роберта...

Достигнув системы Нюфена, «Аррениус» совершил серию манёвров солнечным парусом и лёг на орбиту вокруг Сфинкса, внутри его пылевого кольца. В течение нескольких лет «туча» собирала пыль и строила из неё новых наноботов.

Никакая "серия маневров" не поможет слить 0.8с об солнечный свет.

[Alex_Semenov]

Кстати о художествах.
Мне тут попалась случайно:
Барон Алексей, "Эпсилон эридана"

http://fictionbook.ru/author/baron_alekseyi/yepsilon_yeridana/download.a6.pdf
При беглом пролистывании заметил там тех.характеристики разных аппаратов.
Кто-нибудь читал? Какие рекомендации? А то там 500 страниц...

Я помню начинал читать с большим интересом. Но вот закончил ли?...
Как раз понравилась жесткость фантастики.
Помню что корабли там тормозили магнитным парашютом (что прозевал и Камерон в "Аватаре") и еще помню что антиматерия у них хранилась за бортом.... Прямо в открытом космосе, удерживаемая полями красиво переливалась...
 :shock:
 
Это уже бред. Антиматерия должна храниться в супер-холодильнике в супервакууме и 3 К фонового излучения (не говоя уже о свете звезд и тепле планет) для нее хуже пажара в соседнем доме.

[AlexV]

Больше я ничего и не встречал.
Они обещают 85% энергии взрыва вложить в кинетическую энергию плазмы из вольфрама. Но насколько я понимаю, их не интересуют БОЛЬШИЕ скорости истечения.
~100 Км/с. В "Орионе" это всех устриавает. Но не нас.
То есть они могут иметь маленькой мощности бомбу в очень тяжелом футляре.
Улавливает?
Я тоже не гонюсь за предельными скоростями истечения (как вы и Федор на Астрофоруме, кстати). Я согласен на диапазон скоростей истечения которые обеспечивают заряды с удельной плотностью от 1 Мт/т до 6 Мт/т.
Это "средняя" скорость полета корабля-города ~ 0.01-0.05c
Но и это по сравнению с межпланетными "Орионами" тоже очень круто.

Интересный вопрос. Набросал здесь простенькую модель разлёта чёрнотельного сгустка (при этом предполагал профиль плотности гауссовым, газ идеально теплопроводным (в каждый момент времени температура всех точек в  среде одинакова), эффективный радиус излучающей сферы 2s, где s-дисперсия профиля плотности). В такой модели конечная скорость разлёта и доля энергии, уходящая в излёчение, будет зависеть только от начальной плотности и удельной плотности энергии мишени.
Вот что получилось для облака урана с нормальной начальной плотностью.




По оси абсцисс начальная плотность энергии в килотоннах т.э. на кг. По оси ординат на первом графике средняя конечная скорость разлёта в км/c. На втором – доля энергии, которая уйдёт в излучение.

Какие можно сделать выводы.

1)   Получить скорости разлёта большие 160 км/c невозможно для такой системы ни при каком энерговкладе.

2)   Оптимальный энерговклад находится где-то в области2.5 тонн т.э. на кг, при этом скорость разлёта составит около 130 км/c, а потери на излучении – 20%.

3)   Поскольку любое термоядерное устройство по схеме Теллера-Улама имеет непрозрачную оболочку, то, по всей видимости, для системы типа "Орион" величина удельного импульса более 100-200 км/c принципиально недостижима.

4)             Практически вне зависимости от материала греть сгусток выше температуры 1-4 кэВ бессмысленно, т.к. практически вся энергия сверх этой уйдёт в излёчение.

5)   Поскольку разлёт чёрнотельного облака в первом приближении не слишком сильно зависит от материала, то материалы для которых критерий Лоуренца в системах прозрачных для излучения не может быть достигнут (например B-11 + p  или Li-7 + p) для создания высокоимпульсного ТЯРД с инерционным удержанием непригодны. Т.е. выбор топлива для таких систем ограничен T+D, He-3 + D, D+D, и, быть может трёхкомпонентной системой Li-6+D+T. Если отбросить варианты со скоропортящимся тритием, то вообще остается только два.

[AlexV]

получается, что у самого чистого ядерного взрыва 80% энергии уходит с бесполезным тепловым рентгеном.

Для малых мишений чуть лучше.

Для D-T мишени с параметром 3 г/см2 в литературе приводятся следующие оценки по распределению энергии:
Степень выгорания 30%
Нейтроны 80%
Рентгеновское излучение: 10-15%
Кинетическая энергия разлетающейся плазмы: 5-10%

Т.е. отношения кинетической энергии к рентгеновскому излучению:  0.3:1 – 1:1.

В случае He-3 – D при параметрах мишени более 6 г/см2 начнётся комптонизация излучения, которая может его увеличить на 1-2 порядка и сильно ухудшить это соотношение.

Считал я в принципе так же, как и вы - разбивая время взрыва на части и смотря на излучение.
Но в момент начала реакции ее продукты - быстрые ионы покидают сферу горения унося с собой энергию (увы), но зато и не увеличивая вклад в равновесную температуру и излучение.
Собственно, я и бросил эти расчеты, т.к. мощностей не хватило учесть все параметры...
Надо бы еще попробовать. Задача сложная, но не безнадежная.

Данный механизм может быть важен для системы Т-D. Для других топлив при тех значениях параметра мишени, когда уход частиц ещё возможен оказывается сложно добиться достаточно высокой степени выгорания.

Степень выгорания можно оценить как a = H/(H+H0), где H[г/см2] = - параметр мишени (ro – плотность, r - радиус), H0 – параметр выгорания, зависящий от природы используемого термоядерного топлива. Для DT – H0 = 7 г/см2. Для He-3 – D H0 = 50 г/см2. Для D-D H0 = 80 г/см2.

При параметре мишени 100-200 г/см2, что необходимо для достижения достаточно высокой степени выгорания в смеси гелия-3 и дейтерия, мишень будет малопроницаема даже для 14 МэВ протонов. Правда даже такая мишень будет всё ещё прозрачной для излучения, что уменьшает потери порядков на 6 – 8 по сравнению с чёрнотельной.

Нет. Скорее всего 1 грамм для мишени - это предел мыслимого (если не забираться в ступенчатые микровзрывы).

Отсюда проистекает еще одна хитрая техническая задача - подача мишеней в камеру сгорания со скоростями порядка километров в секунду.

Если не D-T, то меньше чем в 1 грамм не впишитесь. Если начальную плотность принять за 1000 г/cм3, то параметр мишени в 1 г окажется 62 г/см2, что для He-3 – D даст степень выгорания ~55%, что находится на гране приемлемого.

[Alex_Semenov]

1)   Получить скорости разлёта большие 160 км/c невозможно для такой системы ни при каком энерговкладе.

Интересно...
А как это согласуется с реальными экспериментами? То есть ядерными взрывами в космосе.
Вот тут
http://www.tarusa.ru/~alik1/sgs/VOLUME10/NUMBER3/v10n3p5.pdf

Утверждается  следующее:

С другой стороны, рассмотрим взрыв, где вся выделившаяся энергия определяется исключительно процессом деления. На долю нейтронов при этом приходится около 7 МэВ, что составляет 4 % от используемой во взрыве энергии деления (170 МэВ). На долю теплового рентгена уходит 80% энергии взрыва и остаток (16%) падает на кинетическую энергию потока атомов (скорее, ионов) материала боеголовки.

Речь идет о заряде мощностью в 1 Мт. Если даже предположить что масса заряда 1 т (реально это может быть 250-500 кг) то плотность энергии на массу получается 1000 кг_TNT/кг.
И при этом в энергию плазмы все же попадает 16% (скорость разлета плазмы получается куда выше 160 км/с ~ 1000 км/с).   А судя по вашему графику должен быть ~0
Я строил более грубую пошаговую модель

http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,82348.msg1524885.html#msg1524885

и получил для черного тела  в обще то же самое что и у вас.
Энергия очень быстро сливается через рентген.
Но подгоняя ее под вышеприведенные данные (как я понял эксперементальные данные) я получил из своей модели, что температура поверхности разлетающейся сферы  должна быть в 3.75 раз холоднее от рассчитанной для абсолютно черного тела.
Чуть позже

http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,82348.msg1525487.html#msg1525487

я предположил что сфера плазмы реального ядерного взрыва не абсолютно черное тело (с коэффициентом черноты =1) а серое тело.
И высчитал необходимый коэффициент черноты для согласования своей модели с наблюдением. У меня получился 0.005
Это очень хорошее зеркало (считай идеальное).
То есть плазма внутри очень непрозрачная.
То есть получается, что  поверхность разлетающейся плазменной сферы очень быстро остывает в отличие от сердцевины, а лучевая теплопередача внутри сферы просто не успевает подавать новые порции энергии к поверхности и в итоге поверхность (вернее внешние слои) оказывается в 3-4 раза холоднее, сливая куда меньше энергии чем в расчетной схеме у меня и (насколько я понял) у вас.
Так может быть?

[AlexV]

Интересно...
А как это согласуется с реальными экспериментами? То есть ядерными взрывами в космосе.

Кажется, разобрался. Температура излучающей поверхности будет ниже, чем средняя температура среды из-за ограниченной теплопроводности. Очевидно, что для достаточно мощного устройства отношение температур внутри объёма и поверхности T/T0~1/R~1/E^(1/3), E – мощность устройства.

Но интереснее другое. Даже если мы устремим мощность устройства к бесконечности, а значит сделаем излучение через поверхность относительно малым, это всё равно нам поможет весьма ограниченно. Дело в том, что среда будет находится в равновесии с фотонным газом, причём энергия последнего существенно превышает энергию массивных частиц. При расширении такой системы охлаждении происходит не столько за счёт ускорения вещества, сколько в результате расширения фотонного газа. В итоге перекачка энергии среды в кинетическую энергию расширяющегося газа происходит медленно и на начальных стадиях расширения перекачивается менее 20% (при плотности энергии более 1 килотонны т.э. /кг). На поздних стадиях ускорение массы вещества становится совсем неэффективным, завися от приращения объёма системы по закону медленнее логарифмического, и даже незначительного излучения через внешнею поверхность оказывает достаточно, чтобы полностью остановить его.

В итоге получаем следующую зависимость конечной скорости вещества и доли энергии перешедшей в излучение от энерговклада (обозначения такие же, как и на предыдущем графике):



Какие можно сделать выводы.
1)   Как видно, даже если предположить, что температура излучающей поверхности много ниже, чем средняя, то не смотря на это для зарядов с высокой плотностью энергии (более 1 кт.т.э) потери энергии через излучения оказываются очень значительны и превышают величину 80% всей энергии взрыва.
2)   Величина конечной кинетической энергии вещества оказываются намного больше, чем в предыдущем случае, и оно может достигать скорости до 1600 км/c (что согласуется с приведенными вами данными).
3)   По всей видимости, для схем типа Орион поднимать энергетику устройства выше 0.1 кт т.э./кг не имеет особого смысла. При этом достигается удельный импульс до около 850 км/c, что вполне соизмеримо с величиной 1600 км/c для устройства с энергетикой 6 кт т.э./кг, зато мощность рентгеновского излучения окажется почти в 500 раз ниже, чем в последнем случае.
4)   По мере снижения мощности устройства (при заданной удельной энергетике), по всей видимости, относительные потери на излучение будут увеличиваться, что делает оправданным использование устройств мегатонного класса.

Картина уже не такая печальная, как в предыдущем случае, однако всё равно максимальный УИ 800 - 1500 км/c (реально меньше, ведь импульс разлетающейся плазмы ещё надо преобразовать в импульс направленной струи) для МП кажется несколько маловатым, позволяющим в лучшим случае развивать скорости 0.005с – 0.01с.
Да и даже 14% (для удельной энергии 0.1 кт т.э./кг), не говоря уже о 80%-95% (для 1-6 кт т.э./кг) мощности взрыва мегатонного класса в виде рентгеновского излучения – серьёзная проблема.

[Иван Моисеев]

AlexV и Alex_Semenov!
Вы меня убиваете.
Вы явно проделали большую работу, построили модели, провели расчеты, сделали выводы.
И выбрасываете это кусками на форумы. В топку.
А вопрос серьезный и не тривиальный. Американцы с англичанами пока проблему с излучением не замечают или не хотят замечать.
Вот их недавнее видео камеры сгорания:
http://www.youtube.com/watch?v=LTL9nZmPT3s&feature=player_embedded
Почему сплошные стенки? Где радиаторы?

Потратьте какое-то явно меньшее время на оформление результатов.
Чисто формально - предпосылки, допущения, модель, расчет, выводы.
И, соответственно, разместите в Инете.
Можно у меня в этом разделе:
http://path-2.narod.ru/design/index.htm
Смею уверить, что сама работа по оформлению результатов весьма полезна для оформляющего.

[Матрос]

Да...работа проделана немалая..Сам Келдыш ужаснулся б.Хотя хочется пожать руки-люди нужное,большое дело делают.Но я сколько ни читал посты не могу взять в толк-есть ли какая-никакая точная,просчитанная модель торможения с околосветовых скоростей??Ну или хотя бы с 0.1С

[Иван Моисеев]

Да...работа проделана немалая..Сам Келдыш ужаснулся б.Хотя хочется пожать руки-люди нужное,большое дело делают.Но я сколько ни читал посты не могу взять в толк-есть ли какая-никакая точная,просчитанная модель торможения с околосветовых скоростей??Ну или хотя бы с 0.1С

Вообще-то не так давно я давал здесь свой перевод с обзором методов торможения Икара.
Можно взять любой вариант и просчитать его.  Это много проще, чем просчитать излучение.

[Матрос]

Иван,наконец я нашел ссылку на вашу страничку.Это весьма и весьма ого-го..Надо ознакомится.Особенно нравится курьезная идея с  разными плечами и достижением сверхсветовой скорости.Нам эту мысль высказывала "физичка"-тоже ничего-себе грамотный человек.Если вы додумались до этого сами в 1967 г. ,то думается наша цивилизация к звездам все-таки отправится.Если конечно придумают способ с вменяемыми затратами,вытащить на околосолнечную орбиту несколько тысяч тонн железок.

[Хомяк]

AlexV и Alex_Semenov!
Вы меня убиваете.
Вы явно проделали большую работу, построили модели, провели расчеты, сделали выводы.
И выбрасываете это кусками на форумы. В топку.
А вопрос серьезный и не тривиальный. Американцы с англичанами пока проблему с излучением не замечают или не хотят замечать.
Вот их недавнее видео камеры сгорания:
http://www.youtube.com/watch?v=LTL9nZmPT3s&feature=player_embedded
Почему сплошные стенки? Где радиаторы?

Потратьте какое-то явно меньшее время на оформление результатов.
Чисто формально - предпосылки, допущения, модель, расчет, выводы.
И, соответственно, разместите в Инете.
Можно у меня в этом разделе:
http://path-2.narod.ru/design/index.htm
Смею уверить, что сама работа по оформлению результатов весьма полезна для оформляющего.

У вас на сайте нашёл ссылку на оченнь информативную статью о прямоточных двигателях
http://go2starss.narod.ru/sem/S012_buassard.html Парадокс межзвёздной прямоточки.

Беталёт как раз тоже прямоточный реактивный двигатель, но с одной очень положительной особенностью - он не тормозит встречный поток, точнее он тормозит только электроны, которые в 1842 раза легче протонов.
И ещё, если использовать на корабле термоядерный реактор, продукты сгорания которого используются как реактивная струя с энергией истечения частиц 30000 кэв. то отведённую энергию охлаждения, в общем то паразитическую и вредную, мы, преобразовав в элетрическую, можем использовать на доускорение реактивной струи.

[gans3]

Два экселемага нашли друг друга, ага.

Основные механизмы И. п. определяются как индивидуальными свойствами заряж. и нейтральных частиц, образующих плазм, систему, так и её коллективными свойствами - колебательно-волновыми характеристиками (см. Волны в плазме). И. п., основанное на индивидуальных свойствах частиц, подразделяется на след, типы: линейчатое излучение (ЛИ), возникающее при переходе электрона в атоме или ионе между двумя дискретными уровнями (связанно-связанный переход); фоторекомбинац. излучение (ФИ), возникающее при захвате свободного электрона на один из дискретных уровней атома или иона (свободно-связанный переход); тормозное излучение (ТИ) свободного электрона в поле иона (свободно-свободный переход); м агнитотормозное, или циклотронное, излучение (ЦИ) электрона при его вращении в магн. поле напряжённостью H.
http://femto.com.ua/articles/part_1/1276.html

 У водородной плазмы уже при 1 кЭв линейчатое излучение (которое и описывается С-Б) будет полностью отсутствовать.

Для систем с магн. удержанием плазмы (напр., при Ni-Nе~1014 см-3) T*~2.10-3эВ, а т. к. типичная термоядерная темп-pa TT/Я~104 эВ, то тормозное излучение разреженной термоядерной плазмы является чисто объёмным; оно в (TT/Я/T*)7/2~а*/а раз, т. е. на много порядков меньше излучения чёрного тела.

Вот зачем опять хвататься за эксель и строить всякие гарфики не разобравшись в модели? Станете похожи на Хомяка с его сверхценной идеей и воображаемой физикой.
 :wink:

[Хомяк]

Два экселемага нашли друг друга, ага.

Основные механизмы И. п. определяются как индивидуальными свойствами заряж. и нейтральных частиц, образующих плазм, систему, так и её коллективными свойствами - колебательно-волновыми характеристиками (см. Волны в плазме). И. п., основанное на индивидуальных свойствах частиц, подразделяется на след, типы: линейчатое излучение (ЛИ), возникающее при переходе электрона в атоме или ионе между двумя дискретными уровнями (связанно-связанный переход); фоторекомбинац. излучение (ФИ), возникающее при захвате свободного электрона на один из дискретных уровней атома или иона (свободно-связанный переход); тормозное излучение (ТИ) свободного электрона в поле иона (свободно-свободный переход); м агнитотормозное, или циклотронное, излучение (ЦИ) электрона при его вращении в магн. поле напряжённостью H.
http://femto.com.ua/articles/part_1/1276.html

 

Вот зачем опять хвататься за эксель и строить всякие гарфики не разобравшись в модели? Станете похожи на Хомяка с его сверхценной идеей и воображаемой физикой.
 :wink:

Я знаю точно, что если я обнародую свою конструкцию денег на её изготовление и испытание мне не дадут, идею заболтают и присвоят!
Так вот пусть Кругляковы сами напрягают свои извилины, тем более, что за это они получают хорошие деньги.
А условия для меня приемлемые такие - Мне дают деньги на беталёт, я провожу НИОКР по беталёту и на общественных началах  на имеющейся в моём распоряжении технической базе провожу НИОКР по термоядерному реактивному двигателю. В результате может получиться не только межпланетник, но и межзвёздный корабль! :shock:

[gans3]

Прелесть какая.....
Мимими...
День сделан! :lol: