Термоглиссер

[vsevolodson]

Переношу обсуждение термоглиссера в отдельную тему.
Исходная идея:

Ну что ж, тезисы «царапающих Солнца». Понимаю, что концепция более чем сырая, я и не ставил целью ее детальное проработки. Но пока не вижу, из-за чего она принципиально невозможна.

Наверное, всем известен эффект импульса на дне гравитационной ямы. Рассматривался ее Штернфельдом в «Парадоксах космонавтики».

На всякий случай кратко: при приближении аппарата к космическому телу по параболе со скоростью v1, после дополнительного импульса в ближайшей точке у гравитационного колодца v2, конечная скорость v_к при выходе из этого колодца будет равна
v_к² = (v1 + v2)² - v1²

Вторая космическая Солнца у поверхности равна 617,7 км/с. Если бы мы могли там в апогелии дать дополнительный импульс в 31,5 км/с, то наш корабль покинул бы Солнечную систему со скорость при выходе из гравитационного колодца 200 км/с.

Проблемы, которые испытывает КК при этом, всем очевидны – необходимо как-то пережить высокие температуру, магнитные поля и радиацию Солнца. Насчет первого у меня есть ответ – от солнечного тепла нужно не защищаться, а его использовать.

Наш космический корабль будет запрятан внутри системы баков, заполненных жидким водородом. Который, испаряясь, и поддерживает температуру всех твердых частей корабля в приемлемых интервалах. После чего попадает в пространство между кораблем и Солнцем, своего рода газовым соплом, где быстро нагревается излучением Солнца до, ну скажем, 5000 К.
Я так прикинул, удельный импульс водорода при этой температуре ~12 км/с. Для требуемого импульса 31,5 км/с соотношение m/m₀ должно быть на уровне ~14. Многовато конечно, но для баков размеров в сотни метров чего бы и нет.

Длина активного участка ~ 2,2 млн км, пролетаем его за 3450 с. Значит, на каждую кт запускаемой массы, нужно обеспечить испарение и прогрев до требуемой температуры 4 т/с водорода. При молярной теплоёмкости 14,235 Дж/(K•моль) (знаю, при тысячах градусах теплоемкость будет другая, но сейчас просто приблизительные прикидки) требуемая мощность 140 ГВт. Солнце излучает такую мощность с площади 7100 м². Это круг радиусом 47,6 м. Соответственно, и газовое сопло должно быть соразмерным.
Повторяю, это на 1 кт запускаемой массы.

Термоглиссер не даёт мне покоя. Как насчёт выделить в отдельную тему? Аргументы в пользу того следующие:
- На данный момент термоглиссер не годится для межзвёздных перелётов.
- Нет подробной матмодели.
- Есть идея.
Идея собственно заключается в следующем. В оригинале термоглиссер должен произвести лишь короткий импульс в периастре, сменив траекторию с параболической на гиперболическую. Но что если после прохождения периастра не выключать двигатель, ведь в качестве рабочего тела используется дешёвый водород, а в качестве источника энергии - и вовсе "бесплатное" Солнце. Может быть это позволит достигнуть транспорту вожделенной скорости в 1000 км/с и более?

Создал пошаговую (дискретную) модель. Проверил на ней некоторые вещи - эффект Оберта действительно существует. Также, ранее я утверждал, что этот эффект нельзя использовать для торможения у звезды. Но это не так. Непрерывную модель я не осилил. Если кто-то с этим сможет помочь, то буду благодарен. Позже выложу результаты своих рассчётов, когда будут полностью готовы.

[pkl]

Видимо, начинать надо с буксиров, греющих водород солнечными концентраторами. Но кто этим займётся?

[vsevolodson]

Видимо, начинать надо с буксиров, греющих водород солнечными концентраторами. Но кто этим займётся?

Определённо это так.

Пояснения к схеме:

А. Разрез модуля, запускаемого по параболической траектории в перигелий. Состояние до достижения перигелия. Разгонные блоки-ступени закрыты защитным чехлом высокой отражательной способности (0,9), возможно, с пористой поверхностью, испарающей аммиак или другой охладитель. Рабочее тело - твёрдый или жидкий  водород - показано в разрезе светло-красным цветом. Светло-зелёным цветом обозначена ПН. Справа - схема в профиль.

B. Корабль достигает перигелия. Он раскручивается и сбрасывает внешний чехол (на рисунке это 2 перечёркнутые половинки справа). Обнажаются разгонные блоки-ступени низкой отражательной способности (0,1). 6 наружных блоков подвергаются облучению и разогреваются выбрасывая водород при Т~4000К. Равномерность прогрева рабочего тела в баках достигается вращением всей конструкции вокруг оси.

C. 6 разгонных ступеней-баков отработали и сбрасываются (опять же, за счёт вращения). Обнажается основная ступень, нагревается и начинает работать на полную мощность её двигатель.

D. Все разгонные ступени полностью отработали весь водород. Остаётся уменьшенная (в 3 раза по размерам) копия всей разгонной конструкции с полезной нагрузкой и цилиндрический бак 7-й, последней ступени. Этот бак используется для сборки тороидальной конструкции (обитаемые отсеки) на время перелёта и является бОльшей частью ПН. Уменьшенная копия разгонного модуля используется для торможения у другой звезды. При этом цилиндр 7-й разгонной ступени выбрасывается до начала торможения.

[vsevolodson]

Ещё одна схема прикладывается. На этот раз схематическое устройство водородного бака. Рассчёты уже совсем скоро будут.

[vsevolodson]

Вот некоторый предварительный рассчёт. Пока что он мне показывает, что прироста скорости больше 32 км/с при разгоне добиться не получается. И это ещё при условии что эффективная площадь конструкции позволит прогреть до 4000 градусов весь водород в перигелии за короткое время.

[vsevolodson]

Есть ещё идея. Выглядеть будет как "ковёр-самолёт". Берётся энное кол-во длинных разгонных блоков и соединяется параллельно в некоторую прямоугольную конструкцию. Полезная нагрузка находится в тени... Тут придётся уже писать целую программу, моделирующую поведение корабля. Ну что ж, займусь этим.

[alex_semenov]

А мою схему не привели...
 
А ведь она куда умней вашей!
 

[pkl]

На форуме НК обсуждали и считали солнечный буксир с концентраторами. Когда форум оклемается, попробую найти.
А пока вот:






http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#solarmoth

и вот ещё оттуда же:

[vsevolodson]

А мою схему не привели...
 
А ведь она куда умней вашей!

Я думал, что я её раскритиковал... Но даже если и нет, то она плохо поддаётся рассчёту. Ну если вы сможете привести рассчёты вашей схемы - то "двери же открыты".

На форуме НК обсуждали и считали солнечный буксир с концентраторами. Когда форум оклемается, попробую найти.

Вблизи Солнца концентраторы не понадобятся. А вот по мере удаления можно выжать ещё немного скорости с помощью них. Но это означает необходимость нести дополнительную нагрузку, что вряд ли будет оправдано.

[Проходящий Кот]

Вот некоторый предварительный рассчёт. Пока что он мне показывает, что прироста скорости больше 32 км/с при разгоне добиться не получается. И это ещё при условии что эффективная площадь конструкции позволит прогреть до 4000 градусов весь водород в перигелии за короткое время.

А чего Эксель не подключили?

[vsevolodson]

А чего Эксель не подключили?

1) нихт эксель. libreoffice.
2) ещё не готово пока.

[pkl]

На форуме НК обсуждали и считали солнечный буксир с концентраторами. Когда форум оклемается, попробую найти.

Вблизи Солнца концентраторы не понадобятся. А вот по мере удаления можно выжать ещё немного скорости с помощью них. Но это означает необходимость нести дополнительную нагрузку, что вряд ли будет оправдано.

А это зависит от того, сколько они будут весить. Если мало /майлар на углепластиковом каркасе/ - то это может иметь смысл. Можно растянуть участок разгона и снизить перегрузки. Ну или добавить скорость.

[vsevolodson]

Попыхтел немножно над школьными уравнениями. Получил кое-какое решение задачи поиска требуемого приращения скорости в определённом перигелии для достижения определённой итоговой скорости:










Здесь:
dv - требуемое приращение скорости в периастре (перигелии);
v_esc - третья космическая скорость на данном расстоянии от звезды (Солнце);
v_inf - итоговая приобретаемая скорость.

Также приложил график. На нём зависимость требуемого приращения скорости от скорости в перигелии для разных случаев итоговой скорости. Выглядит всё это печально с точки зрения межзвёздных перелётов. То есть, на графике наглядно видно, что коэффициент умножения скорости падает при увеличении приращения скорости в перигелии.

[pkl]

Мне кажется, это должно быть что-то вроде Х-33:


Треугольный аппарат, корпус которого будет и защитным экраном и топливным баком. И широкая корма, чтобы разместить как можно больше сопел.

[vsevolodson]

Треугольный аппарат

Почему треугольный? Аэродинамика ведь не нужна вовсе. К тому же, почему бы не разделить бак на несколько цилиндрических (как плот из параллельных брёвен). Баки меньшей площади сечения будут расходоваться быстрее, так как соотношение поверхность/объем у них будет выше. Их следует размещать по краям и отбрасывать раньше. Центральный бак большего радиуса сечения, он будет работать дольше всех. Кстати это очень напоминает конструкцию "Space Shuttle".

Допустим Солнце освещает баки-ступени снизу. Только я бы сделал по 5 баков - 1 самый большей, 2 поменьше и ещё 2 наименьшего сечения. А длину сделал бы одинаковой.

[alex_semenov]

Мне кажется, это должно быть что-то вроде Х-33:
Треугольный аппарат, корпус которого будет и защитным экраном и топливным баком. И широкая корма, чтобы разместить как можно больше сопел.

Я и предлагал именно такой подход.
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,82348.msg1866209.html#msg1866209



S - это и есть площадь поверсности принимающей энергию солца. Все нижнее дно- сопло.
При этом нижняя часть сопла НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО должна быть физической. То есть нам нужно физически только пол сопла.
Я кстати считал и массу (при приемлимом массовом числе) - все сходится.

[vsevolodson]

Я и предлагал именно такой подход.

Александр, если удастся нагреть водород до 5000^oK, то это будет просто замечательно. Это означает, что скорость истечения приблизится вплотную уже к 20 км/с! В теме про межзвёздные перелёты на странице №96 в сообщении №1908 есть пара графиков. Так вот, согласно первому из них, при 5000^oK водород уже практически полностью атомарный. Смотрим на второй график для случая мю=1 и видим соответствующий этому УИ. Конечно, сопло не идеально и всё такое, но нагрев водород чуть побольше u=20 км/с таки получается.

Но я в упор не могу понять по вашей схеме куда движется водород, почему он движется именно туда, почему направление тяги обязательно проходит через центр масс и т.п.

PS
Кстати, как у атомарного водорода обстоят дела с прозрачностью для излучения?

[alex_semenov]

Но я в упор не могу понять по вашей схеме куда движется водород, почему он движется именно туда,

Водород движется из места с большим давлением в место с меньшим. То есть из узкого места к широкому срезу приплюснутого сопла. Проблема этой конструклии лишь в том, что в нормальном двигателе процесс нагрева и расширения разделены. Газ сначала нагревается в камере сгорания а в споле расширяется (и упорядочивается). Но в гиперзвуковых прямоточках, насколько я понимаю, процесс уже совмещают, дожигая топливо даже в сопле? Там проблема номер один - рабочее тело так быстро движется через двигатель что не успевает сгореть.
Еще. Сопло двигателя может быть ПОЛОВИНЧАТЫМ. Так называемыс Plug Nozzle.



То есть нарисованная мною нижняя стенка сопла тут не обязательна.

почему направление тяги обязательно проходит через центр масс и т.п

.
А вот это действительно сложный вопрос. Как при данной конфигурации (когда сопло прикрывает топлевный бак от солнца) сделать так, чтобы вектор тяги такого сопла проходил через центр тяжести. Если все оставить так как нарисовано, нос задерет и нас ждет катастрофа.
Я ломал голову и пришел к достаточно идиотскому (а возможно и красивому) компенсирующему момент дополнительному соплу, опускающему нос аппарата вниз.
Кстати его можно было бы вынести на штанге вперед что бы момент было получше…
Но может можно что-то придумать получше?

PSКстати, как у атомарного водорода обстоят дела с прозрачностью для излучения?

Там же шел разговор. Все хорошо там с прозрачностью. То есть непрозрачен он для инфракрасных волн. Кажется. Надо поднять работы по газофазным ЯРД типа "ядерная лампа". Ведь этот двигатель по-сути тот же самый только вместо раскаленного ядерного шнура светит поверхность солнца.

Кроме того. Я предлагал что если не хватит свойств водорода, то можно впрыскивать в струю какой-нибудь специальный поглатитель тепла. Какую-нибудь сажу. Она моментально раскалиться до свечения солнца. Эта идея обсуждалась опять же для ЯРД. В общем, тут есть пространство для развития идей. Для углубления.

Главное - не пытаться добиться от глиссера невозможного. Вот как L_pt предложил разумное массовое число - нечего его возводить в квадрат! Глисер годиться ТОЛЬКО ДЛЯ ОДНОГО РАЗГОНА.

[vsevolodson]

Plug Nozzle

- Эта картинка верна лишь для плотной атмосферы. Никак не для вакуума. В вакууме вектор тяги будет направлен снизу-слева вверх-направо. Правую половину двигателя мысленно закройте - её не будет, так как она заслонена от Солнца.
Но с этой картинкой понятнее ваша идея...

Главное - не пытаться добиться от глиссера невозможного. Вот как L_pt предложил разумное массовое число - нечего его возводить в квадрат! Глисер годиться ТОЛЬКО ДЛЯ ОДНОГО РАЗГОНА.

Надо либо выжать из термоглиссера межзвёздный привод, либо доказать, что это невозможно.

На скорости 0,001с+ уже можно со скрипом долетать до самых ближайших звёзд за допустимое время. Не ко всем ближайшим звёздам, но уже ко многим. Вот я и смотрю, можно ли выжать хотя бы 500 км/с из этого. Собственно текущие идеи - пытаться как-то "догревать" водород с 1-4 тыс. градусов (на выходе из баков) до 5-6 тыс. градусов в хитром двигателе с помощью излучения, а не теплопередачей. Добавить ли зачернитель в струю? Или может как-нибудь иначе?

[alex_semenov]

- Эта картинка верна лишь для плотной атмосферы. Никак не для вакуума.

Я сам так думал.
Но вот материлы  на atomic rocet  меня как-то смутили.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns.php

Какие метеориты (к чертовой матери?!) в атмосфере? А там показано что такое сопло лучше от метеоритов чем обыкновенный колокол.
Поэтому я и говорил что тут нужны именно спецы по всякого рода соплам. Гуру от нашей военки. На новостях космонавтики такой проект обсуждать надо! Или на авиабазе.
Даже если вы и правы, то я предлагаю поискать способ сделать нижнюю стенку из чего-то виртуального. Скажем выпускать по нижнему краю более тяжелый газ. В общем надо искать способ ИСХИТРИТЬСЯ и обойтись без материальной нижней стенки. Если это получится концепция срослась. У нас в руках уникальная идея на зависть тем кто не додумался.

На скорости 0,001с+ уже можно со скрипом долетать до самых ближайших звёзд за допустимое время. Не ко всем ближайшим звёздам, но уже ко многим. Вот я и смотрю, можно ли выжать хотя бы 500 км/с из этого. Собственно текущие идеи - пытаться как-то "догревать" водород с 1-4 тыс. градусов (на выходе из баков) до 5-6 тыс. градусов в хитром двигателе с помощью излучения, а не теплопередачей. Добавить ли зачернитель в струю? Или может как-нибудь иначе?

Ой, куме! Ну не мучте вы животное! Ну не заставляйте вы корову летать! У концепции есть некие пределы ее возможностей. Не тяните ее за эти пределы! И то что она дает - уже здорово. Скажем, запустить в Оорт  тяжеленную исследовательскую станцию…