Свежие комментарии

  • Виктор Борисов
    Вот так вот......где то так.........Артефакты истории...
  • Zhivko Dimitrov
    Много хора могат да станат на маймуни ,но нито една маймуна няма да стане човек.Многие люди могут стать обезьянами, н...Можно ли преврати...
  • Виктор Борисов
    А делается все это для насаждения в нашем народе комплекса неполноценности и психологии рабов. . Именно поэтому ...На территории нын...

Технологии освоения космоса (на грани фантастики)

Тут речь пойдет про возможную реализацию быстрых полетов по солнечной системе.

Технологии освоения космоса (на грани фантастики) Космос, Реактор, Космический корабль, Межпланетные перелеты, Длиннопост

Тут надо сделать отсылку к сериалу «The Expance» - достаточно реалистичный в части физики космических перелетов, любителям космоса советую, чтобы визуализировать эти полёты.


Надежное освоение солнечной системы, подразумевает сокращение времени полёта между планетами до приемлемого, и сравнимого например с морскими рейсами.
Например, полёт на Марс, должен быть сравним с рейсом через Атлантику (5800 км, которые сухогруз преодолевает примерно за неделю).
Учитывая требуемые скорости полёта на Марс за 7 дней - это явно будет гиперболическая траектория, которую можно упростить до прямой.
Среднее расстояние от земли до Марса составляет 225 млн км.
Соответсвенно, чтобы пролететь это расстояние за 7 дней (около 600 000 с), половину пути разгоняясь, половину пути замедляясь, необходимо ускорение 2.5 м/с2. Тут сразу решается проблема с гравитацией - такое ускорение обеспечивает «искусственную» гравитацию среднюю между Марсом и Луной.
При таком ускорении будет достигнута скорость в 750 км/с.

Тут возникают ряд проблем для осуществления таких полетов, основные это:
- параметры двигателя;
- обеспечение энергии.

Начнём с удельного импульса двигателя.


Энергетически оправдан разгон частиц до споростей около 0.5 с (с - скорость света).
Далее начинают сильно сказываться релятивистские эффекты и КПД разгона очень резко падает, например, относительные затраты в энергии при разгоне частиц в большом адронном коллайдере:
- 0.314с - 1;
- 0.916с - 28;
- 0.993с - 500.
Как видно чтобы повысить удельный импульс на скоростях, близких к с, на 8.4%, требуется энергетическая мощность почти в 18 раз больше.

Собственно, разумный предел по удельному импульсу - 0.5 с или 150 000 км/с. (Это в 3000 раз больше чем у существующих ионных двигателей)

Кажется фантастическим? Но, например можно взять существующий ускоритель LINAC 4 большого адронного коллайдера (почти готовый ионный двигатель). Это труба 80 метров в длину, потребляющая 25 мВт, ускоряющая протоны как раз до 0.5 с.

Вот собственно LINAC 4

Технологии освоения космоса (на грани фантастики) Космос, Реактор, Космический корабль, Межпланетные перелеты, Длиннопост

Возвращаясь к полётам к Каллисто, для создания запаса по характеристической скорости 12.41 км/с надо теперь топлива всего лишь 0.01% от массы пустого аппарата.
Для полёта на Марс за 7 дней с запасом скорости на 1500 км/с нужно соответственно 1% от массы аппарата.

Таким образом массой топлива (расходуемого газа) относительно массы корабля с таким двигателем можно принебречь.

Но тут встаёт вопрос в величине тяги.
Например, чтобы обеспечить разгон в 2,5 м/с2 корабля массой в 100 тонн (представим, что в 100 тонн все влезло) необходима тяга в 25 тонн.

Для создания такой тяги потребуется, при удельном импульсе 150 000 км/с, секундный расход рабочего тела - 1.7 грамма.

1.7 грамма кажется немного, но чтобы разогнать из до 150 000 км/с надо обеспечить мощность 20 ТВт (Терра, это на 10^12).

И тут надо вспомнить, что годовое мировое потребление электроэнергии примерно 30000 ТВтч, то есть всех электростанций мира при накоплении энергии целый год, хватит только на 4-ре 7-ми дневных полётов на Марс и обратно.

Если посчитать в привычном уране - за один полёт от Земли до Марса требуется разделить 800 тонн уранового топлива (обогащение до 20%, КПД преобразования 50%).
При наличии термоядерное реактора потребуется синтезировать гелий из 40 тонн водорода (при 50 % КПД преобразования энергии).

Напомню, что корабль планировался в 100 тонн.

Тут надо прийти к следующим выводам:
- большой удельный импульс (0.5с) требует слишком больших затрат энергии, стремится к минимальному потреблению топлива бесполезно, так при этом потребуется в десятки раз больше термоядерного топлива для обеспечения энергией (для обеспечения мощности водород в реакторе выгорает быстрее, чем расходуется рабочего тело в двигателе);
- схема, подразумевающая преобразование тепла в электричество для питания обречена, 10 ТВт мощности потребуют плановой площади панелей излучателей в 125 км2 (километров) - это площадь Твери;
- термоядерный реактор для обеспечения потребной мощности при работе образует приемлемое количество рабочего тела (гелия, трития), которое можно пустить в расход.

Выходим на очевидную схему с термоядерным ракетным двигателем, предложенную ещё в 1958 году, если верить Википедии.

В теории надо взять токамак и развернуть его в трубу по типу линейного ускорителя.

Технологии освоения космоса (на грани фантастики) Космос, Реактор, Космический корабль, Межпланетные перелеты, Длиннопост

Тут немного термоядерной физики.

Наличие выделения нейтронов при синтезе крайне не желательно. Например при реакции дейтерия с тритием образуется гелий и нейтрон, при этом нейтрон обладает 80% энергии и его нельзя направить электромагнитной ловушкой, соотвественно нейтроны будут нагревать стенки реактора, а значит это квадратные километры панелей излучателей для сброса тепла.

Соответсвенно оптимальная реакция это
1. полный цикл синтеза дейтерия, в результате чего, за исключением нейтронов, на частицы с суммарной атомной массой 10 г/моль получается 26,7 МэВ, что теоретически может дать скорость истечения (удельный импульс) в 16000 км/с (это 0.05 с). При этом на 10 г реактивной струи будет тратится 12 г дейтерия. Что делать с 2 граммами нейтронов и их энергией в 16,5 МэВ не очень понятно, может когда нибудь научаться добавлять в реакцию литий-6 чтобы нейтроны из пучка плазмы не вылетали (в принципе законам физики это не противоречит).

2. Управляемая реакция дейтерия с литием-6 (без лития никуда - надо обойтись без нейтронов) более перспективна, но тяжело реализуема (но тут рассматриваем будущее, так что это допустимо). В этой реакции, если она пройдёт в один цикл (хотя вероятность мала) получаются частицы с суммарной массой 8 г/моль и энергией 22.4 МэВ, что даёт теоретическую скорость в те же 16000 км/с.

Для создания тяги в 25 тонн, надо таким образом обеспечить расход 16 г/с. Это будет эквивалентно 2 ТВт мощности. Блок Чернобыльской АЭС давал 0.003 ТВт тепловой мощности.

Осталось самое главное, чтобы эти 2ТВт полностью ушли в космос вместе с гелием. Тут вся надежда на сверхпроводники и прочие технические изыски отдаленного будущего.

В случае если КПД будет 0.999 понадобится холодильник мощностью 2 ГВт, а это панели площадью (см. пост про ядерный буксир) 75 000 м2.

Для 100 тонного аппарата с площадью панелей излучателей в 1000 м2 при КПД в 99% проблема сброса тепла ограничивает мощность до 4 ГВт. 4 ГВт это 0.032 г/с и соответсвенно тяга в 51.2 кгс. Для повышения тяги можно в данной схеме добавить в активную зону в 100 раз больше гелия по массе (получим 3.2 г/с), удельная энергия упадёт в 100 раз, но скорость снизится всего в 10 до 1600 км/с (как у ионных двигателей), а тяга возрастёт в 10 раз до 512 кгс из за увеличения расхода.

Возвращаясь к перелету на Марс за 7 дней с требуемым запасом характеристической скорости в 1500 км/с. С теоретическим пределом удельного импульса в 16000 км/с получаем массу топлива в 10% от массы пустого аппарата.

Более реально выглядит перелёт за 23 дня (как на паруснике через Атлантику в старые добрые времена), тогда необходимое ускорение составит 0.225 м/с2, а потребная тяга для 100 тонного аппарата - 2250 кгс. Запас по характеристической скорости при этом - 450 км/с. Используя ограничение в 4 ГВт и добавление рабочего тела в струю получаем, что для достижения такой тяги надо увеличить расход до 60 г/с, и снижение удельного импульса до 400 км/с.
С учётом этого получаем требуемый запас топлива в 2 массы пустого аппарата. Такие параметры выглядят уже почти реалистично.
По такой схеме, чтобы получить ускорение в 1 единицу (g), надо обеспечить тягу в 100 тонн, а это расход в 120 кг/с (килограмм) и удельный импульс всего в 8 км/с. Что уже сравнимо с химическими движками.

Тут надо привести схему расстояний между планетами

Технологии освоения космоса (на грани фантастики) Космос, Реактор, Космический корабль, Межпланетные перелеты, Длиннопост

До Нептуна в среднем лететь в 20 раз дальше чем до Марса. При разгоне с ускорением 0.225 м/с2 потребуется 100 дней (сравнимо с автономкой на подводной лодке). При этом требуемый запас характеристической скорости составит 2000 км/с. Для полёта на Луну и высадку в миссии Аполлон потребовалось меньше 10 км/с.

Как космические корабли могу выглядеть?
От облика «Россинанты» (первое изображение) приходим к следующему:
- нужна длинная труба термоядерного реактора/ускорителя;
- нужны достаточно большие панели радиаторов расположенные вдоль корабля (вытягивать их далеко в стороны не выгодно, так как корабль движется с большими ускорениями), при этом рядом с панелями ничего не должно быть, чтобы не нагреваться их излучением;
- нужны большие баки с дейтерием/литием.

Получаем облик, похожий на «Discovery» Кларка или на «Venture Star” Кемерова.

Технологии освоения космоса (на грани фантастики) Космос, Реактор, Космический корабль, Межпланетные перелеты, Длиннопост
Технологии освоения космоса (на грани фантастики) Космос, Реактор, Космический корабль, Межпланетные перелеты, Длиннопост

С точки зрения управления и возможности совершать манёвры, «Discovery” (нижнее изображение) лучше подходит - все расположено максимально близко к оси корабля, а это уменьшает моменты инерции (зависят от квадрата расстояния от оси, что существенно облегчает маневрирование и развороты.
Только палубы жилого отсека должны быть вертикальными (как многоэтажный дом), так как корабль все время летит с ускорением вдоль продольной оси и ориентация «низа» все время спереди-назад по направлению полёта.


Можно ли на таких технологиях, близким к фантастике, улететь к другим звёздам?

Чтобы полететь к другим звёздам, надо пролететь минимум 4.36 световых года до Альфа-Центавра.
Если заправить топливом, как химически ракеты (максимум 15 к 1) и допустить, что в реакторе можно сжигать топливо без ограничения, то получим располагаемый запас по скорости - 45000 км/с, а это уже 15% от скорости света. Разгон до такой скорости с ускорением в 10 м/с2 (больше 1 g длительно лететь людям противопоказано) займёт 50 дней.
Весь полёт займёт порядка 30 лет в один конец.

Если допустить полёт по схеме 2-х поколений (ребёнок в 10 лет вылетает с родителями, завершает полёт в 70), то можно вернуться обратно, но путь займёт уже 60 лет.

В один конец можно долететь до Бернарда и Лумана-16.

Технологии освоения космоса (на грани фантастики) Космос, Реактор, Космический корабль, Межпланетные перелеты, Длиннопост

Выводы:
1. Для сверхбыстрых (по времени сравнимых с пересечением океана в эпоху великих открытий) перемещений по солнечной системе уже важен не расход рабочего тела двигателя, а расход топлива в реакторе.
2. Единственный вариант двигателя, который обеспечит недельные полёты между соседними планетами - термоядерный реактивный двигатель, в котором нет преобразования энергии - вся энергия в реакции идёт на тепловой разгон продуктов синтеза, которые и являются расходуем телом для создания реактивной силы.
3. Получение удельного импульса выше 16000 км/с не реально при текущих законах физики (может придумают кварковый реактор, тут была новость, что-то сделали с кварками и получили 138 МэВ (но сами ученые не верят в это) на барион, это теоретически даёт удельный импульс до 80000 км/с). Реально применимый импульс для обеспечения требуемых ускорений будет ниже, за счет увеличения расхода.
4. Без разрыва пространства/времени человеку (отдельному индивиду, человечеству возможно) на термоядерной энергии долететь до соседней звезды и вернуться обратно нельзя. В один конец до одной из 3-х ближайших систем можно.

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх