ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ!

Автор Василий., 04.07.2009 15:40:09

« назад - далее »

0 Пользователи и 1 гость просматривают эту тему.

Птыц

для Василий.

В качестве маршевого двигателя берем аналог СПД 290.
Предполагаем, что характеристики этого двигателя могут быть улучшены. Таким образом:
Тяга = 2 H
Удельный импульс = 3.4*10^4 м/с
Тяговый КПД = 70%
Ресурс = 10^8 c
Масса = 20 кг

Также используем данные об общей массе корабля -- 9.3*10^4 кг.

Энергопотребление двигателя в этом случае равно 4.86*10^4 Вт. Это также, согласно AlexB14, означает 1.7*10^3 кг солнечных батарей на каждый двигатель (с учетом расстояния Марс - Солнце).
Предположим, что мы хотим лететь к Марсу по гомановской траектории (это, конечно, только приближение, т.к. тяга наших двигателей безумно мала). Перелет длится 259 суток. Предположим, что время разгона/торможения не превосходит 40 суток или 3.5*10^6 с (что меньше, чем 1/2 времени перелета, чтобы "соблюсти" траекторию).
Далее, возьмем Левантовского и прочтем, что геоцентрическая скорость выхода из сферы действия Земли для полета по гомановской траектории на Марс составит 2.945*10^3 м/с. Т.е нам нужно 40 двигателей. Масса самих двигателей составит 8*10^2 кг, а вот масса солнечных батарей к ним -- 6.8*10^4 кг или 73% от массы корабля.
При этом выбрасываемая масса для выхода на траекторию перелета составит 8.4*10^3 кг (плюс неионизированный Xe).

Возможно, что траектория, половину которой аппарат разгоняется, а половину тормозится, позволит уменьшить массу СБ до 30-35% от массы корабля. Т.к. считать мне лень, то это предлагается сделать автору проекта.

Также следует отметить, что мы не учли:
1). подъем аппарата с низкой орбиты Земли
2). ускорение у Марса, чтобы сравнять скорости
3). опускание в гравитационный колодец Марса
4). подъем аппарата с низкой орбиты Марса
5). переход на траекторию к Земле
6). торможение у Земли, чтобы сравнять скорости
7). опускание в гравитационный колодец Земли

Таким образом, для пилотируемого полета на Марс:
a). либо нужно заменить ЭРД на что-то более эффективное
b). либо заменить источник питания
c). либо существенно снизить вес СБ (до 1-5 кг/кВт на орбите Земли)

Реакция водорода с кислородом с образованием воды дает 2.4*10^5 кДж/моль или 1.33*10^10 Дж/кг. Типичное КПД топливных элементов составляет 50% или ниже (теоретическое КПД выше, чем у цикла Отто, но КПД сильно падает, если мы хотим получить приемлемую мощность -- вспомните автомобильный аккумулятор).
Для питания ЭРД нужно суммарно 1.94*10^6 Вт. Тогда мощность топливного элемента 3.9*10^6 Вт и расход компонентов -- 3*10^-4 кг/c. Суммарный расход водорода и кислорода за время разгона составит 1*10^3 кг, что существенно меньше массы СБ.
К сожалению, в отличие от СБ, которые не тратятся во время полета, водород и кислород дополнительно потратятся на вышеупомянутые этапы 1-7. Т.е суммарная масса реагентов составит около 1.5*10^4 кг, что лишь в 4 раза лучше СБ (следует учесть, что спуск в гравитационный колодец планеты и поъем из него с маленьким ускорением приведет к существенным гравитационным потерям).
Далее, нужно учесть
i). массу топливного элемента (ее я не знаю, но предполагаю что она не мала)
ii). массу системы охлаждения H2 и O2

С удовольствием выслушаю критику от автора и не только. В конце-концов я мог ошибиться в расчетах :)

ratte07

Кстати, преобразователи для повышения напряжения до необходимого СПД уровня имеют массу 5 кг/кВт. Набирать такой вольтаж ФЭПами - сильно снижать надежность батарей.
Потому что другие солдаты - совершенно другие ребята...

AlexB14

ЦитироватьКвадратный метр солнечной батареи у Земли дает порядка 100 Вт. Для создания тяги 1 грамм надо около 200-250 Вт. Для 1Н, соответственно, 25 кВт. Солнечные батареи МКС, ЕМНИП, имеют мощность 75 кВт - немаленькие такие батареи. То есть, СБ не самый хороший источник энергии для ЭРД, тут нужен ядерный реактор.
Это был первый нюанс.
По большому счёту Вы правы. Для того, чтобы наши грузы рассекали по Солнечной системе вообще и в окресностях Земли в частности как мы по своей собственной квартире необходимо скрещивание ЭРД и ЯЭУ. Но это по большому счёту.
А вот по-малому ( :P ), может оказаться, что СБ ещё рано сбрасывать со счетов. В конкретных общественно-политических и технических ситуациях они вполне могут ещё сгодиться. Ну, к примеру, Роскосмос встрепенётся и решится таки на небольшую национальную ОС. А чтобы показать всем кузькину мать, закажет её строительство гденибудь на L-точках или даже на орбите Луны. Ну, и чтобы сильно не тратиться, финансирование даст как всегда в обрез. Т.к. царь-ракет на текущий момент у нас нет, то остаётся только ЭРД. А поднимать в космос ЯЭУ из-за трансортировки 2-3 блоков ОС тоже не резон. Да и нельзя ЯЭУ использовать ниже 600км. Так, что при таких конкретных обстоятельствах крылья СБ ещё вполне могут быть востребованы. :wink:
Errare humanum est

Василий.

Для АМС сойдёт очень медленный разгон и мало двигателей, чтобы хватило хватит СБ. А для полёта человека на Марс нужно нечто вроде реактора. Или запускать 500 тонн, это теоретически возможно, но требует нескольких пусков сверхтяжёлых ракет.

Старый

ЦитироватьПри использовании ЖРД меньше 500 тонн не получится никак.
Вы продолжаете настаивать что вывести 500 тонн на ЛЕО невозможно?

ЦитироватьВсё упирается в формулу Циолковского и необходимость везти на Марс большой жилой отсек ввиду большой продолжительности полёта и большой груз пищи,
Да, да, да. Так как вы полагаете какой полёт будет продолжительнее - на ЖРД или на ЭРД?

ЦитироватьЕщё не посчитал.
Ну вот... А сразу "можно"... :(

ЦитироватьНаверно, идея тоже бредовая,
Да, ужжж... Но гениальная, чёрт возьми, как и все ваши идеи!

Цитироватьно любая идея может где-нибудь пригодиться.
Это врядли...

ЦитироватьХотя бы на Земле топливные элементы в технике.
Гениально! Чья, говорите, идея? ;)

ЦитироватьАполлон пилил бы до Луны очень долго, но его можно было бы установить уже на вторую ступень РН.
Вы уверены?

ЦитироватьОсновная часть массы приборного отсека "Аполлона" - это не кислород и водород для электричества, а запас ядовитого топлива гептила для торможения у Луны и разгона к Земле. А кислорода там значительно меньше, чем топлива.
Кажется изобретатель действительно слишком гениален... :(  Василий, вы же ещё не посчитали, так с чего вы решили что если вместо ракетного топлива в Аполлон напихать ЭРД и топливных элементов с запасом поплива для них, то так получится легче? С чего вы решили то? А запасы жизнеобеспечения для экипажа на долгий полёт?

ЦитироватьНо на "Аполлоне-13" взорвались именно кислородные баки
А почему вы о нём говорите во множественном числе?
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Старый

ЦитироватьДля того, чтобы наши грузы рассекали по Солнечной системе вообще и в окресностях Земли в частности как мы по своей собственной квартире необходимо скрещивание ЭРД и ЯЭУ.
НННШ!
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Старый

ЦитироватьИли запускать 500 тонн, это теоретически возможно, но требует нескольких пусков сверхтяжёлых ракет.
Ну вот! А только вчера ещё было принципиально невозможно! ;)
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Павел73

Цитировать
ЦитироватьДля того, чтобы наши грузы рассекали по Солнечной системе вообще и в окресностях Земли в частности как мы по своей собственной квартире необходимо скрещивание ЭРД и ЯЭУ.
НННШ!
А как тогда? ЯРД?
Будет не до космонавтики (С) Ронату.

Старый

Цитировать
Цитировать
ЦитироватьДля того, чтобы наши грузы рассекали по Солнечной системе вообще и в окресностях Земли в частности как мы по своей собственной квартире необходимо скрещивание ЭРД и ЯЭУ.
НННШ!
А как тогда? ЯРД?
У всего что связано с ядерными реакторами НННШ.
Если б я знал как, то уже бы Шнобеля получил... :(
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Павел73

ЦитироватьУ всего что связано с ядерными реакторами НННШ.
Если б я знал как, то уже бы Шнобеля получил... :(
Но каких проблем с ЯЭУ для космоса больше: технических или, так сказать, организационных? В чём, на Ваш взгляд, главное препятствие?
Будет не до космонавтики (С) Ронату.

Старый

ЦитироватьНо каких проблем с ЯЭУ для космоса больше: технических или, так сказать, организационных? В чём, на Ваш взгляд, главное препятствие?
Прежде всего низкие удельные характеристики реакторных установок а также проблемы с радиоактивным излучением при их работе.
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Птыц

ЦитироватьДля АМС сойдёт очень медленный разгон и мало двигателей, чтобы хватило хватит СБ. А для полёта человека на Марс нужно нечто вроде реактора.
Т.е. вы не готовы защищать свой проект?  :)

ЦитироватьРеактор надо будет ставить при полёте человека на Марс - там другого не дано.
Т.е. реактор (обычный тепловой, только котел греется от U/Pu), затем преобразователь тепла в механическую энергию (ПТУ или Стирлинг), потом преобразование в электричество, потом уже ЭРД? Да, и еще охладитель рабочего тела...
Попробуйте посчитать. Массу рабочего тела только не забудьте.
Это, конечно лучше, чем СБ на 2 МВт (27 МКС), но...

ЦитироватьВ качестве источника энергии предлагаю такой: мы писали в теме про плутоний, что если сблизить куски плутония-239 с массой немного меньше критической, то ядерного взрыва не произойдёт, но будет постоянно выделяться большая энергия.
Прошу прощения, но энергия будет в точности равна энергии обычного распада Pu-239. А с периодом жизни 24,110 лет это ой как мало. Так что, если у вас нет критики, то нет и энергии ядерного деления.

Птыц

ЦитироватьПрежде всего низкие удельные характеристики реакторных установок а также проблемы с радиоактивным излучением при их работе.
А разве гфЯРД не лучше, чем у комбинации ЭРД + ЯЭУ?
Удельный импульс практически тот же если не выше, но нет цикла преобразования тепло-механика-электричество-кинетическая энергия?
Да, гфЯРД, если я не ошибаюсь, вообще не испытывались, но никаких запретов на их создание нет. А за счет выкидывания ненужных промежуточных процессов удельная масса должна быть сильно (если не на порядки) меньше.

Старый

ЦитироватьВ качестве источника энергии предлагаю такой: мы писали в теме про плутоний, что если сблизить куски плутония-239 с массой немного меньше критической, то ядерного взрыва не произойдёт, но будет постоянно выделяться большая энергия.
Гениально! Как я этого сразу не заметил... :(
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Старый

ЦитироватьУдельный импульс практически тот же если не выше, но нет цикла преобразования тепло-механика-электричество-кинетическая энергия?
И самогО ГФЯРД тоже нет... :)

ЦитироватьДа, гфЯРД, если я не ошибаюсь, вообще не испытывались, но никаких запретов на их создание нет.
На лифт и телепортатор запретов тоже нет...
 ЕСЛИ серъёзно - ГФЯРД будучи создан тоже не прокатит... :(
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Птыц

ЦитироватьНа лифт и телепортатор запретов тоже нет...
Ну, на телепортатор запрет есть :) ... Теоретических запретов на лифт пока нет, но посмотрим что будет дальше. Все-таки ФТТ такими вещами только начала заниматься, и там могут вылезти проблемы похуже, чем  с удержанием плазмы в токамаке.

ЦитироватьЕСЛИ серъёзно - ГФЯРД будучи создан тоже не прокатит... :(
Тогда ЭРД+ЯЭУ тем более не прокатит...
Кстати, а не можете подсказать, почему гфЯРД не подходит? В отличие от всяческого рода фантастических термоядерных двигателей гфЯРД не требует существенного развития нынешних технологий и уж тем более науки. Обычный тепловой котел с гидродинамическим удержанием активной зоны...

Старый

ЦитироватьТогда ЭРД+ЯЭУ тем более не прокатит...
Дык и я об этом. На ядерный реактор в целом можно не надеяться.

ЦитироватьКстати, а не можете подсказать, почему гфЯРД не подходит?
Например потому что требуется жидкий водород. А вобще - как первый действующий образец сделают - так и скажу. ;)

ЦитироватьОбычный тепловой котел с гидродинамическим удержанием активной зоны...
Во-во.
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер

Птыц

ЦитироватьА вобще - как первый действующий образец сделают - так и скажу. ;)
С нетерпением буду ждать :)

Василий.

Цитировать
ЦитироватьДля АМС сойдёт очень медленный разгон и мало двигателей, чтобы хватило хватит СБ. А для полёта человека на Марс нужно нечто вроде реактора.
Т.е. вы не готовы защищать свой проект?  :)

Для пилотируемой космонавтики не готов. А АМС должны использовать ионные двигатели в малых количествах с СБ, это хоть и значительно медленнее (вплоть до года), но значительно дешевле (в разы). А при разработке АМС, насколько видно невооружённым глазом, о стоимости конструкторы задумываются в первую очередь, а уже потом о продолжительности полёта! Вспомним хотя бы гравитационные маневры вместо полёта напрямую с большей начальной скоростью (на них уходит не один год) или аэроторможение у Марса (тоже до года).

Старый

ЦитироватьА АМС должны использовать ионные двигатели
Вы уверены что они вам чтото должны?
1. Ангара - единственная в мире новая РН которая хуже старой (с) Старый Ламер
2. Назначение Роскосмоса - не летать в космос а выкачивать из бюджета деньги
3. У Маска ракета длиннее и толще чем у Роскосмоса
4. Чем мрачнее реальность тем ярче бред (с) Старый Ламер