Инженерные вопросы межзвездных перелетов

[Иван Моисеев]

на своем сайте:

Через год, в 1958-м, в СССР издана книга Е. Зенгера "К механике фотонных ракет". В сети я ее не нашел.

Сейчас много где есть, например:
http://www.mirknig.com/2011/07/11/k-mehanike-fotonnyh-raket.html
Кто-то постарался отсканировал и книга быстро в сети размножилась.

[pkl]

Я вот читал всякие разные форумы по другой тематике /право, бухгалтерия, кадры, экономика, инвестиции, история, компьютеры и т.д./. Но столько неадекватов, сколько на околокосмических, не встречал, честно. :roll: Больше только в комментариях на Ютубе.

А это неудивительно -  в российской космической отрасли до сих пор заповедник.

Хотите сказать, все эти кадры работают в отрасли? :roll:

[Иван57]

Электрическим полем.

Пленка купола тонкая. Считанные микрометры.

А получится? И какой заряд нужен, чтобы удерживать форму концентратора ТАКИХ размеров.

Предположим нам надо удержать кусок пленки из алюминия толщиной 1 мкм площадью 1 м2  на расстоянии 300 м при ускорении в 1g.

(1e-6*2500*1*9,81/9,988e9*300^2)^0,5=0,00047 Кл
Это на 1 м2 концентратора

На весь концентратор 0,00047*300^2*3,14=132 Кл

Примерно такие цифры получаются.

[Иван57]

pkl пишет:
 

А что предлагаете Вы? Какой-то невообразимый концентратор размером со стадион Лужники. А ведь собранную энергию ёще надо будет преобразовать несколько раз: сначала в тепловую, затем теплоносителем передать её на турбину, турбогенератор преобразует её в механическую, а механическую - в электрическую. И уже электрическую - в энергию струи ионов. Вы и вправду думаете, что так будет легче, проще и дешевле? И Вы действительно считаете, что это можно реализовать в какие-то обозримые сроки?

Предположим, про стадион Лужники интересно было бы спросить и у конструкторов солнечных парусов. Мне сильно сдается, что их площадь будет даже больше.

Теперь насчет преобразования энергии.
Удельная мощность газотурбинного двигателя 6 кВт/кг. В нашем случае из-за использования инертного газа в качестве рабочего тела она может быть выше, но появляется масса коллекторов и радиаторов.

Так что будем считать, что удельная масса двигательной установки 3 кВт/кг.
При скорости истечения 100 000 м/с имеем 3000/100000*2=0,06 м/с2 ускорение.
Разумеется, двигательная установка - это не весь аппарат. Еще рабочее тело и полезный груз.
Допустим, в 10 раз больше массы двигателя. т.е. 0,06 м/с2 /10=0,006 м/с2 = 6 мм/с2


По ссылке Alex_Semenov:
http://go2starss.narod.ru/pub/E32_UTSS.html
"Как правило, солнечные паруса разрабатывались, а некоторые были изготовлены, из тонкой алюминиевой пленки примерно 100 нм толщиной, напыленной на пластмассовую основу обычно 5 - 25 микрон толщиной. Алюминизированный мейлар (Mylar) или каптон (Kapton) является доступным коммерческим материалом от фирмы Sheldahl и вполне может быть использован для этой цели: их толщена 5 микрон, отражательная способность 90% и удельная поверхностная плотность ~ 7 г/м2. Ускорение такого паруса на дистанции 1 а.е. от Солнца даже без дополнительных элементов и полезной нагрузки будет составлять всего лишь ~1,2 мм/с2 "

Так что на малых скоростях при существующих технологиях паровоз может быть конкурентоспособным по сравнению с солнечными парусами.

[zyxman]

Хотите сказать, все эти кадры работают в отрасли? :roll:

Работают не все. Есть еще их родственники, друзья, сочуствующие.

[pkl]

А что предлагаете Вы? Какой-то невообразимый концентратор размером со стадион Лужники. А ведь собранную энергию ёще надо будет преобразовать несколько раз: сначала в тепловую, затем теплоносителем передать её на турбину, турбогенератор преобразует её в механическую, а механическую - в электрическую. И уже электрическую - в энергию струи ионов. Вы и вправду думаете, что так будет легче, проще и дешевле? И Вы действительно считаете, что это можно реализовать в какие-то обозримые сроки?

Предположим, про стадион Лужники интересно было бы спросить и у конструкторов солнечных парусов. Мне сильно сдается, что их площадь будет даже больше.

И что с того! Пусть больше! Парус - это просто плоская отражающая поверхность. Её можно разворачивать и стабилизировать одной лишь центробежной силой. Концентратор - это поверхность сложной формы. Он должен не просто отражать свет, а отражать его в строго определённую точку. И его форму надо поддерживать с очень высокой точностью в течении нескольких лет. Ох! Лучше уж реактор.

Причём я не спроста завёл речь про преобразование. Вам, чтобы получить тягу, нужно несколько раз преобразовать сфокусированную энергию из одной формы в другую. На каждой этой стадии будут потери. Так что ещё неизвестно, у кого площадь будет больше. Есть ещё проблема сложности и массы - у Вас один турбогенератор будет весить больше, чем у меня весь зонд вместе с парусом.

Теперь насчет преобразования энергии.
Удельная мощность газотурбинного двигателя 6 кВт/кг. В нашем случае из-за использования инертного газа в качестве рабочего тела она может быть выше, но появляется масса коллекторов и радиаторов.

Так что будем считать, что удельная масса двигательной установки 3 кВт/кг.

Ого! Не слишком ли оптимистично? В той ссылке, про TAU, называлась цифра 40 кВт/кг с возможностью снижения, в перспективе, до 25.

При скорости истечения 100 000 м/с имеем 3000/100000*2=0,06 м/с2 ускорение.
Разумеется, двигательная установка - это не весь аппарат. Еще рабочее тело и полезный груз.
Допустим, в 10 раз больше массы двигателя. т.е. 0,06 м/с2 /10=0,006 м/с2 = 6 мм/с2

По ссылке Alex_Semenov:
http://go2starss.narod.ru/pub/E32_UTSS.html
"Как правило, солнечные паруса разрабатывались, а некоторые были изготовлены, из тонкой алюминиевой пленки примерно 100 нм толщиной, напыленной на пластмассовую основу обычно 5 - 25 микрон толщиной. Алюминизированный мейлар (Mylar) или каптон (Kapton) является доступным коммерческим материалом от фирмы Sheldahl и вполне может быть использован для этой цели: их толщена 5 микрон, отражательная способность 90% и удельная поверхностная плотность ~ 7 г/м2. Ускорение такого паруса на дистанции 1 а.е. от Солнца даже без дополнительных элементов и полезной нагрузки будет составлять всего лишь ~1,2 мм/с2 "

6 / 1,2 = 5 раз разница. Стоит ли овчинка выделки?

Так что на малых скоростях при существующих технологиях паровоз может быть конкурентоспособным по сравнению с солнечными парусами.

Для полётов в пределах Солнечной системы? Да, вполне. Ну у нас задача разогнать аппарат до максимально возможной скорости. То, что предлагаете Вы - это идти напролом, тупо увеличивая мощность энергоустановки и у.и. двигателя. Да, можно и так. В конце-концов приходим к TAU. При таком раскладе какой смысл нам ставить концентратор? Проще уж тогда реактор с ресурсом 10 лет. И вот ещё вопрос: чем его запускать? Lev, в своё время, писал, что не факт, что ядерный буксир в одну "Ангару" поместится. Возможно, придётся ещё организовывать стыковку. У американцев JIMO точно не получился.

[pkl]

Предположим нам надо удержать кусок пленки из алюминия толщиной 1 мкм площадью 1 м2  на расстоянии 300 м при ускорении в 1g.

(1e-6*2500*1*9,81/9,988e9*300^2)^0,5=0,00047 Кл
Это на 1 м2 концентратора

На весь концентратор 0,00047*300^2*3,14=132 Кл

Примерно такие цифры получаются.

132 Кл - не многовато ли? И как на заряд будет действовать работа ЭРД?

[Иван57]

Предположим нам надо удержать кусок пленки из алюминия толщиной 1 мкм площадью 1 м2  на расстоянии 300 м при ускорении в 1g.

(1e-6*2500*1*9,81/9,988e9*300^2)^0,5=0,00047 Кл
Это на 1 м2 концентратора

На весь концентратор 0,00047*300^2*3,14=132 Кл

Примерно такие цифры получаются.

132 Кл - не многовато ли? И как на заряд будет действовать работа ЭРД?

Ускорение в 1 g - само по себе многовато. Так что меньше будет.

Ну, вообще-то заряд придется создавать именно работой ЭРД.
В смысле некоторое время выкидывать больше электронов, чем ионов.

И, вообще-то, ЭРД выкидывает в целом нейтральный поток струй.

Правда электроны придется разгонять до больших энергий, чем ионы (чтобы они могли выйти из поля).

[pkl]

Ёлкин дрын! Может, всё же просто плёнку раскрутим? Там ещё момент - как обеспечить именно заданную форму отражателя, а не абы какую.

[Иван57]

Теперь насчет преобразования энергии.
Удельная мощность газотурбинного двигателя 6 кВт/кг. В нашем случае из-за использования инертного газа в качестве рабочего тела она может быть выше, но появляется масса коллекторов и радиаторов.

Так что будем считать, что удельная масса двигательной установки 3 кВт/кг.

Ого! Не слишком ли оптимистично? В той ссылке, про TAU, называлась цифра 40 кВт/кг с возможностью снижения, в перспективе, до 25.

Вы, наверно, имели в виду кг/кВт?


http://ru.wikipedia.org/wiki/Airspeed_2000
"
Airspeed 2000 — первый паровой самолёт, который смог осуществить самостоятельный полноценный полёт
Экспериментальный самолёт был построен в единственном экземпляре, продемонстрирован публике и широко разрекламирован, но дальнейшего развития не получил, и в серию запущен не был. Использовался в Почтовом ведомстве в США до 1936 года, дальнейшая судьба самолета неизвестна.
...
Паролёт был оснащён двухцилиндровым V-образным паровым двигателем, мощностью 150 л.с.. ... Паровая машина имела вес 80 кг (что было меньше массы бензинового мотора для прототипа), но бак для воды с топкой весил 220 кг[2].
...
"
(80+200)/(150*0,735)=2,54 кг/кВт

[pkl]

Иван57 пишет:
 

Теперь насчет преобразования энергии.
Удельная мощность газотурбинного двигателя 6 кВт/кг. В нашем случае из-за использования инертного газа в качестве рабочего тела она может быть выше, но появляется масса коллекторов и радиаторов.

Так что будем считать, что удельная масса двигательной установки 3 кВт/кг.

Ого! Не слишком ли оптимистично? В той ссылке, про TAU, называлась цифра 40 кВт/кг с возможностью снижения, в перспективе, до 25.

Вы, наверно, имели в виду кг/кВт?

Задачей является снизить массовые затраты с 40 кг/кВт (существующая оценка) до 25 кг/кВт.

Пардон.  :oops: У Вас там, кстати, тоже опечатка.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Airspeed_2000
"
Airspeed 2000 — первый паровой самолёт, который смог осуществить самостоятельный полноценный полёт
Экспериментальный самолёт был построен в единственном экземпляре, продемонстрирован публике и широко разрекламирован, но дальнейшего развития не получил, и в серию запущен не был. Использовался в Почтовом ведомстве в США до 1936 года, дальнейшая судьба самолета неизвестна.
...
Паролёт был оснащён двухцилиндровым V-образным паровым двигателем, мощностью 150 л.с.. ... Паровая машина имела вес 80 кг (что было меньше массы бензинового мотора для прототипа), но бак для воды с топкой весил 220 кг[2].
...
"
(80+200)/(150*0,735)=2,54 кг/кВт

А это здесь при чём??? :roll:

[Иван57]

pkl пишет:
 

Теперь насчет преобразования энергии.
Удельная мощность газотурбинного двигателя 6 кВт/кг. В нашем случае из-за использования инертного газа в качестве рабочего тела она может быть выше, но появляется масса коллекторов и радиаторов.

Так что будем считать, что удельная масса двигательной установки 3 кВт/кг.

Ого! Не слишком ли оптимистично? В той ссылке, про TAU, называлась цифра 40 кВт/кг с возможностью снижения, в перспективе, до 25.

Вы, наверно, имели в виду кг/кВт?

Задачей является снизить массовые затраты с 40 кг/кВт (существующая оценка) до 25 кг/кВт.

Пардон.  :oops: У Вас там, кстати, тоже опечатка.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Airspeed_2000
"
Airspeed 2000 — первый паровой самолёт, который смог осуществить самостоятельный полноценный полёт
Экспериментальный самолёт был построен в единственном экземпляре, продемонстрирован публике и широко разрекламирован, но дальнейшего развития не получил, и в серию запущен не был. Использовался в Почтовом ведомстве в США до 1936 года, дальнейшая судьба самолета неизвестна.
...
Паролёт был оснащён двухцилиндровым V-образным паровым двигателем, мощностью 150 л.с.. ... Паровая машина имела вес 80 кг (что было меньше массы бензинового мотора для прототипа), но бак для воды с топкой весил 220 кг[2].
...
"
(80+200)/(150*0,735)=2,54 кг/кВт

А это здесь при чём??? :roll:

При том, что в лохматом 1933 году создали паровую установку удельной массой 2,5 кг/кВт в отличие от проектируемой тепловой силовой (паровой? ) установки для TAU с 45 кг/кВт.
Радиационная защита массу ест?

[zyxman]

При том, что в лохматом 1933 году создали паровую установку удельной массой 2,5 кг/кВт в отличие от проектируемой тепловой силовой (паровой? ) установки для TAU с 45 кг/кВт.
Радиационная защита массу ест?

То ли вы не дочитали, то ли там не написано, но разработчик этой паровой установки потом ушел разрабатывать ТРД, и там ему очень пригодился опыт изготовления этих топки и котла, которые были ну очень непростыми, и не факт что пригодными для необслуживаемого полета.

[pkl]

При том, что в лохматом 1933 году создали паровую установку удельной массой 2,5 кг/кВт в отличие от проектируемой тепловой силовой (паровой? ) установки для TAU с 45 кг/кВт.
Радиационная защита массу ест?

Так то паровая установка для самолёта! :roll: Которая по каким-то причинам в серию не пошла. Что уже повод задуматься. Имхо, в космосе, несколько лет, непрерывно, в необслуживаемом режиме, эта штука работать не будет. А вот у наших специалистов, что ядерный буксир делают, турбогенератор легче, чем 200-300 кг не получается. Пишут, что проблем там море и не факт, что получится.

[zyxman]

Я могу прямо сразу сейчас сказать, в чем была крутость паровой установки для самолета: там главная проблема именно котел, который-бы имел высокие массово-мощностные характеристики, даже в ущерб другим характеристикам - обслуживаемости, ремонтопригодности, цене.
Чтобы представить что это было - посмотрите на теплообменник двигателя Скайлона - в 30-х годах было чуть попроще, но скорее это был недоСкайлон, чем батарея парового отопления.

[Иван Моисеев]

Исследователи начинают создание импульсного космического двигателя, работающего на ядерном синтезе
http://www.dailytechinfo.org/space/4080-issledovateli-nachinayut-sozdanie-impulsnogo-kosmicheskogo-dvigatelya-rabotayuschego-na-yadernom-sinteze.html
 

Благодаря бурному развитию современной науки и техники фантастические технологии, фигурировавшие в свое время в научно-фантастическом сериале "Звездный путь /Star Trek" постепенно начинают воплощаться в действительности. Мы уже рассказывали о разработках в области создания универсального диагностического прибора, аналога стартрековского трикодера. Но на этот раз дело обстоит гораздо серьезней. Ученые из Исследовательского центра аэрофизики университета Алабамы, НАСА, компании Boeing и Национальной лаборатории Ок-Ридж объединили свои усилия для создания космического импульсного двигателя, работающего на ядерном синтезе и использующим в качестве топлива "кристаллы дилития", которые хорошо известны любителям вышеупомянутого сериала.

[zyxman]

Исследователи начинают создание импульсного космического двигателя, работающего на ядерном синтезе

Если я правильно понимаю, это инерциальный синтез, причем не обязательно с положительным энергетическим балансом - как уже предсказывалось в этой ветке, ТЯРД вероятно сделают раньше чем энергетический реактор.

[Иван Моисеев]

Исследователи начинают создание импульсного космического двигателя, работающего на ядерном синтезе

Если я правильно понимаю, это инерциальный синтез, причем не обязательно с положительным энергетическим балансом - как уже предсказывалось в этой ветке, ТЯРД вероятно сделают раньше чем энергетический реактор.

Я почти не знаком с Z-пинчем, надо присмотреться внимательнее. Вот я сам себе и напоминаю...
А насчет того, что ТЯРД легче сделать, это я согласен.

[Иван57]

При том, что в лохматом 1933 году создали паровую установку удельной массой 2,5 кг/кВт в отличие от проектируемой тепловой силовой (паровой? ) установки для TAU с 45 кг/кВт.
Радиационная защита массу ест?

Так то паровая установка для самолёта! :roll: Которая по каким-то причинам в серию не пошла. Что уже повод задуматься. Имхо, в космосе, несколько лет, непрерывно, в необслуживаемом режиме, эта штука работать не будет. А вот у наших специалистов, что ядерный буксир делают, турбогенератор легче, чем 200-300 кг не получается. Пишут, что проблем там море и не факт, что получится.

И какую мощность они с 300 кг турбины хотят снять?
Интересно, центрифуги на уранообогатительных фабриках часто обслуживать приходится?

[Иван57]

Я могу прямо сразу сейчас сказать, в чем была крутость паровой установки для самолета: там главная проблема именно котел, который-бы имел высокие массово-мощностные характеристики, даже в ущерб другим характеристикам - обслуживаемости, ремонтопригодности, цене.
...

Ну, в общем, верно. Основная проблема - теплопередача сквозь стенку теплообменника.

Т.е.  стенку надо сделать как можно меньшей площади (и соответственно массы) при большей передаваемой мощности.

Так что ограничивает в космосе тепловые машины площадь радиатора-охладителя и противоречивые требования к его  температуре: в космос излучать лучше при большой температуре, но для высокого КПД тепловой машины  лучше иметь температуру охладителя пониже. Опять же теплопередача от газа-теплоносителя к стенке тоже ограничивается физическими законами.
Так что получается нечто смахивающее на систему регенеративного охлаждения ракетного двигателя. Или - промежуточный теплообменник и капельный радиатор, более устойчивый к метеорным потокам. Опять же масса...