Двигатель для межзвёздных перелётов

[Андрей Курилов]

Их там сотни мегаватт, так что экран будет греться сильно, и ему потребуется активное охлаждение с помощью теплоносителя и радиаторов. Вот отсюда и берётся энергия для питания магнитной системы.

"Активное охлаждение" скорее съест полезную энергию, чем её даст

[sharp]

Вы PDF читали? Осколки деления - это заряженные частицы (ядра), нейтроны и гамма-кванты. Заряженные частицы направляются магнитным соплом, создавая тягу. Нейтроны и гамма - паразиты

Нейтроны не паразиты, а средство поддержания цепной реакции. Еще раз спрашиваю, как вы собрались выгонять осколки деления из активной зоны? Они же там находятся вперемешку с делящимся веществом, а снаружи окружены отражателем нейтронов.

Их там сотни мегаватт, так что экран будет греться сильно, и ему потребуется активное охлаждение с помощью теплоносителя и радиаторов. Вот отсюда и берётся энергия для питания магнитной системы.

Учитывая что осколки разлетаются в случайном направлении, мощность магнитного поля потребуется того же порядка, что мощность разлетающихся осколков. Описанным способом этого добиться не получится, поскольку бОльшая часть энергии реактора приходится именно на осколки деления.

А за 640 лет - 0,01с.

За 640 лет оно может уже и из строя выйти.
Если бы вы читали тему, то знали бы, что для наибольшей энергоэффективности удельный импульс должен быть того же порядка, что текущая скорость корабля. То есть начинать разгон нужно с небольших УИ, а затем постепенно его повышать.
То есть если вместо описанных извращений просто подключить реактор к ЭРД, получим более быстрый и эффективный разгон.

[SpaceEngineer]

Еще раз спрашиваю, как вы собрались выгонять осколки деления из активной зоны? Они же там находятся вперемешку с делящимся веществом, а снаружи окружены отражателем нейтронов.

Сами улетят. Делящееся вещество - в виде пыли, осколки улетают из пылинок, т.к. их размер меньше длины свободного пробега. Магнитное поле направит их в сторону сопла.

FFRE:


AFFRE:


В AFFRE можно разменивать УИ на тягу, подмешивая холодный водород в "afterburner".

Учитывая что осколки разлетаются в случайном направлении, мощность магнитного поля потребуется того же порядка, что мощность разлетающихся осколков.

Откуда это следует?

То есть если вместо описанных извращений просто подключить реактор к ЭРД, получим более быстрый и эффективный разгон.

Или подавать водород в afterburner AFFRE. Ничего дополнительно городить не надо, просто магнитное сопло чуть более сложное.

[sharp]

Делящееся вещество - в виде пыли

Критичность как поддерживать будем в таком пылевом реакторе?

Откуда это следует?

Из законов сохранения импульса и энергии. Интегральный импульс разлетающихся осколков равен нулю, вам требуется при помощи магнитного поля направить все осколки в сопло. Дальше считайте.

Или подавать водород в afterburner AFFRE. Ничего дополнительно городить не надо, просто магнитное сопло чуть более сложное.

Так магнитное сопло - это и есть по сути разновидность ЭРД. Так что совершенно непонятно, что вы хотите выиграть с этой существующей только на бумаге концепцией.
Может быть вы думаете, что КПД будет выше? Но даже в брошюрке про AFFRE, КПД только 29%. Связка реактор + ЭРД на такой КПД выйдет без особенных проблем.

[SpaceEngineer]

У ЭРД  УИ на 2-3 порядка ниже.
Критичность, мощность и т.п. наверняка посчитаны - не из пальца же это все высосано.

[sharp]

У ЭРД  УИ на 2-3 порядка ниже.

Вы бы хоть с материалами по собственной ссылке ознакомились...
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#ion - здесь УИ 210 км/с. Но даже это не предел - можно довести и до 1000.

Критичность, мощность и т.п. наверняка посчитаны

Было бы интересно ссылку на работу где детально посчитан реактор подобного типа.

[neolopus]

А если урановый реактор - параболическое зеркало с активной зоной в фокусе?
Впрыскивается какой-нибудь "урановый газ", понятное дело очень разрежённый (чтобы свести к минимуму столкновения с осколками) и очень холодный. Грубо говоря впрыснутые атомы/молекулы практически не двигаются относительно двигателя и "висят" в активной зоне. Между боковыми стенками зеркала-параболоида создаётся зона с отражением нейтронов обратно в активную зону.  Если нейтрон попадает в какую-нибудь молекулу/атом топлива - происходит деление, "осколки" деления урана разлетаются с огромной скоростью (ещё бы! Кулон же!)  и отражаясь от стенок зеркала летят более-менее параллельно назад, сообщая ускорение двигателю.

Плюсы - уран и есть рабочее тело.
Минусы - осколки, соударясь со стенками, приводят к нагреву стенок двигателя. Поэтому мощность можно развивать не выше определённой - двигатель попросту перегреется. Стенки двигателя тоже нахватают нейтронов и станут радиоактивными, да и от самого двигателя будет идти потоки нейтронов - но если его вынести на какой-нибудь длинной ферме, длинном шесте назад, подальше от жилой зоны - то почему бы и нет?

[sharp]

почему бы и нет?

Может быть и можно - но зачем?

(кликните для показа/скрытия)

Любое извращение имеет смысл только если позволяет извлекать профит. В данном случае какого-то явного профита не наблюдается, а вот надежность реакторов нестандартной конфигурации под большим вопросом. Выигрыша в КПД тоже нет. Так что не видно по какой причине следует отказаться от надежной как топор схемы, в которой реактор генерит электрический ток, а двигатель работает на электроэнергии.

[neolopus]

Может быть и можно - но зачем?

Так что не видно по какой причине следует отказаться от надежной как топор схемы, в которой реактор генерит электрический ток, а двигатель работает на электроэнергии.

Ну какбэ меньше преобразований, меньше технических устройств, не надо сначала извлекать электричество из тепла, вращая турбины, а затем теми же электромоторами (или чем-то ещё) разгонять рабочее тело...

Выигрыша в КПД тоже нет.

Если меньше преобразований - то выигрыш в КПД запросто может и быть.
Да и нет истирания механизмов, не нужна профилактика насосам, моторам, теплонасосам, генераторам...

А ведь любой насос, генератор, теплообменник, первый контур, второй контур - это всё как-никак ещё и масса. Причём полезная ли? В смысле полезный ли это груз в полёте?

ПС: А троллейбус классный. Спасибо!

[neolopus]

Совсем ППС : Кстати, ионы урана можно удерживать в электрическом поле. Ну наподобие как в триоде сетка может удерживать все электроны возле катода и "никуда их не пускать".

Делаем зеркало-параболоид, он же реактор и реактивный двигатель из трёх частей. "Макушка", "средний поясок" и "юбка" на конце. Между ними небольшие зазоры. Подаём на "макушку" и "юбку" небольшой "плюс". Когда медленно дрейфующий ион переходит из одной зоны в другую - от "чувствует" на границах электрическое поле, которое пытается вернуть его обратно, в активную область.

А осколки разлетаются уже с такими скоростями - что им небольшой потенциал - как слону дробинка.

В принципе можно и очень редкими сетками, натянутыми через двигатель, удерживать. Только надо будет правильные потенциалы рассчитать.

Вообще было бы интересно - смог бы работать реактор на "разрежённом уране". Не на твёрдом, не на жидком (расплаве), и даже не на газе, а на очень разрежённом газе?

Если да - то такой двигатель вполне бы смог заработать. Ядерно-ионный двигатель. Правда пользоваться им можно будет лишь там, где плотность окружающей среды сама по себе меньше "уранового газа" в активной зоне. Но, думается, это не беда. Межпланетное и тем более межзвёздное пространство в основном практически пустое...

[neolopus]

Кстати, думается мне, это большая общая беда ядерных космических двигателей - прореагировавшей массы мало, а тепла много.

Парадоксально, правда? Всю жизнь мы ищем наиболее энергоёмкое топливо, и, казалось бы, оно нйдено - ядерные реакции. Но не всё так просто.

Я проводил когда-то своего рода подсчёты. Позвольте ознакомить вас, дорогие собеседники, с этими подсчётами и мыслями:

Возьмём таблицу удельных теплот сгорания топлива. Насколько я помню - у водорода там что-то около 120 МДж/кг, у хороших сортов бензина - что-то вроде 40 Мдж/кг.

При химическом синтезе одной одной молекулы воды выделяется несколько эВ. Ну пусть будет 5 эВ. На одну штуку H₂O. Участвуют 2 протона.

При ядерном синтезе He из четырёх протонов (пусть он будет возможен в реакторе) высвобождается что-то около 20 МэВ. Участвуют 4 протона. Считаем что пусть 10 МэВ на те же 2 протона.

Итак, термоядерная реакция освободит в 2 млн. раз бОльшую энергию, нежели реакция химическая.
10 МэВ : 5 эВ = 2 млн. раз.

Сколько может сожрать современный мощный двигатель? Самолётный, ракетный? 1 кг/с? 10 кг/с? Ну хорошо, пусть 1 т топлива за 1 с. Больше нельзя - перегреется и расплавится.

Делим тонну на 2 миллиона. Получается половина грамма.
Тот же двигатель, будучи переведён на термоядерную тягу, сможет "жечь" в секунду полграмма водорода.
Это действительно меньше, чем капля в море. Даже просто меньше чем капля. Из такого двигателя будет в секунду вырываться полграмма рабочего тела - а греться он будет по полной программе.

Пусть даже плазма будет вылетать со скорость, близкой к световой.
Мы получим изменение импульса 3*10⁸ м/с * 5*10^-4 кг = 15*10⁴ кг*м/с.
Такой двигатель сможет разгонять космический корабль 15 тонн с ускорением 10 м/с². Хвалёный термоядерный двигатель! И максимум - это 1 g!

А если корабль будет иметь массу 150 тонн? А если 300 тонн? А если всё-таки двигателю нагрева и от полграмма водорода в секунду будет много, и подачу "топлива" надо будет уменьшить? Что тогда?

Тогда ускорения, достигнутые таким кораблём, станут порядка см/с². Хорошо если не мм.

Парадоксально, но тем не менее - реактивные двигатели на ядерном топливе (по крайней мере те, в которых отработавшее топливо является ещё и рабочим телом) не в состоянии обеспечивать те ускорения, которые могут обеспечивать двигатели химические. Казалось бы энергии завались - а толку мало. Всё равно двигатель должен выбрасывать что-то ещё. Ядерным и термоядерным двигателям необходимо будет рабочее тело - иначе они превращаются в весьма медленные штуки...

[Андрей Курилов]

Вы бы попробовали тему для начала почитать. В первом сообщении даже оглавление есть для ознакомления с азами физики

[neolopus]

Да, согласен, Вы правы. Тема реально очень большая, разумеется всё и не просмотришь. Шутка ли - свыше 3 сотен страниц! Просто немного поделился мыслями. Извините если в тему попал не в тему.

[crazy_terraformer]

Определённо лучший двигатель у Орионов  - бомбы и плита-толкатель с амортизаторами.

[Андрей Курилов]

Да, согласен, Вы правы. Тема реально очень большая, разумеется всё и не просмотришь. Шутка ли - свыше 3 сотен страниц! Просто немного поделился мыслями. Извините если в тему попал не в тему.

Да я не против, просто неплохо было бы говорить в рамках физики. Удельная мощность, термодинамика, и т.п.

[sharp]

Парадоксально, но тем не менее - реактивные двигатели на ядерном топливе (по крайней мере те, в которых отработавшее топливо является ещё и рабочим телом) не в состоянии обеспечивать те ускорения, которые могут обеспечивать двигатели химические. Казалось бы энергии завались - а толку мало. Всё равно двигатель должен выбрасывать что-то ещё. Ядерным и термоядерным двигателям необходимо будет рабочее тело - иначе они превращаются в весьма медленные штуки...

Вы в общем-то отчасти идете в верном направлении, но надо сделать еще один шаг, чтобы понять всю глубину проблемы. Шаг этот выражается хорошо известной вам формулой:
E = mv² / 2

Эту формулу нужно применить к истекающей массе рабочего тела. Тогда v - скорость истечения (она же удельный импульс), m - масса выпущенного рабочего тела. Что отсюда следует? Что при той же мощности, для увеличения УИ в N раз, вам придется уменьшить расход р/т в N² раз! И совершенно неважно, используете вы как рабочее тело продукты реакции или, например, ксенон. Обойти ЗСЭ не получится.
Отсюда, применяя ЗСИ и 2-й закон Ньютона легко получить и другую формулу:

F = 2*W/ v

Здесь W - полезная мощность двигателя ( E/t), v - удельный импульс. То есть, тяга падает всего лишь в обратной пропорции, но все-таки падает.
Еще раз повторю, этот вывод совершенно не зависит от типа двигателя: какой бы вундервафельный способ выплевывания рабочего тела вы не придумали, он упрется в эту формулу. И недостатка в способах на данный момент не наблюдается, то есть не они здесь слабое звено.

Задача фактически сводится к чисто энергетической проблеме: как впихнуть в ту же массу как можно бОльшую мощность?
Именно этому и посвящена изрядная доля всех звездолетных дискуссиий...

[Андрей Курилов]

sharp, спасибо. Мне аж полегчало

[MenFrame]

Ядерным и термоядерным двигателям необходимо будет рабочее тело - иначе они превращаются в весьма медленные штуки...

Ну так рабочее тело это вообще не проблема. Вот что действительно проблема так это ограниченный ресурс любого реактора.

[neolopus]

Рискуя вновь навлечь на себя гнев требовательных форумчан, осмелюсь-таки продолжить разговор и некоторые следствия из уже приведённых формул.

Шаг этот выражается хорошо известной вам формулой:
E = mv² / 2

Эту формулу нужно применить к истекающей массе рабочего тела. Тогда v - скорость истечения (она же удельный импульс), m - масса выпущенного рабочего тела. Что отсюда следует? Что при той же мощности, для увеличения УИ в N раз, вам придется уменьшить расход р/т в N2 раз! И совершенно неважно, используете вы как рабочее тело продукты реакции или, например, ксенон. Обойти ЗСЭ не получится.
Отсюда, применяя ЗСИ и 2-й закон Ньютона легко получить и другую формулу:

F = 2*W/ v

Здесь W - полезная мощность двигателя ( E/t), v - удельный импульс. То есть, тяга падает всего лишь в обратной пропорции, но все-таки падает.

Из формулы E = mv² / 2, если домножить верх и низ на m, можно получить и вот это:

E = (mv)² / (2m)
Ну или 2mE = (mv)²
После деления на квадрат времени:
F² = 2 * W * (m/t)

Откуда однозначно вылезет, что F (тяга двигателя) = корню квадр.(2 * W * m/t)
Т.е. тяга двигателя, при той же самой его энергии,при той же самой мощности, растёт с ростом истекающей массы.

С энергетической точки зрения всё равно - вышвырнуть из корабля 1 грамм со скорость 1 км/ с или 1 тонну со скоростью 1 м/с. Скорость в тысячу раз больше, масса в млн раз меньше - всё соответствует mv²/2. Энергия выброшенной массы та же самая.

Но с точки зрения тяги медленно летящая и большая масса лучше быстро летящей, но маленькой!
Любопытное противоречие!

С точки зрения тягоэффективности мы должны выбросить массу как можно бОльшую.
С точки зрения продолжительности полёта и экономичности мы должны выбросить массу как можно меньшую. Иначе удовольствие быстро закончится.

И вот это парадоксальное противоречие сделает космические полёты, по крайней мере реактивные, на традиционных, ракетных двигателях, весьма затруднительным делом...

Жаль, что всего того, к чему нас приучила фантастика, что пшшшш - и корабль пошёл туда, пшшшш - развернулся и пошёл обратно, за 5 минут он слетал и вернулся - такого не будет. Того, чего вытворяют в атмосфере наши современные реактивные самолёты - в космосе не будет...

Это то, с чем (психологически) трудно примириться, вообще-то...

Ну так рабочее тело это вообще не проблема.

Но оно может стать проблемой. Оно же кончается. особенно если помногу бросать...

[MenFrame]

Оно же кончается. особенно если помногу бросать...

А его по многу бросать не нужно. В идеале скорость истечения должна равна быть скорости звездолета( с точки зрения максимального кпд) потому по мере роста скорости корабля расход рабочего тела будет падать.