___lin___ (___lin___) wrote,
___lin___
___lin___

«Боже, он полон … » пустоты!


Внимание – в статье рассматривается вариант зонда с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии ядерного реактора в электрическую.
В случае использования “ядерного буксира” с машинным преобразованием, разработка которого ведется в России и должна завершиться в начале 20-ых, могут быть получены результаты поинтересней.
Кроме того, существуют варианты разгона у Земли на двигателях малой тяги, позволяющие уменьшить гравитационные потери.

До какой скорости можно разогнать космический зонд?
Рекордсмены среди уходящих из Солнечной системы станций – “Вояджеры”.
Гелиоцентрическая скорость “Вояджера-1” - 17,05 км/c, “Вояджера-2” - 15,45 км/c.
Расстояние от Солнца 119,4 а.е. и 97,4 а.е., соответственно.

Гелиоцентрическая скорость “Вояджера-1” - 17,03 км/c, “Вояджера-2” - 15,42 км/c.
Расстояние от Солнца 128,3 а.е. и 105,27 а.е., соответственно (актуальность данных - июль 2014 года).

Много это или мало? На первый взгляд – очень много.
Нептун, самая дальняя планета Солнечной системы, удаляется от Солнца только на 30,4 а.е.
Но если сравнивать с расстоянием до звезд – пройденный “Вояджерами” путь выглядит ничтожным.
Всего 0,045% расстояния до ближайшей звезды (Проксима Центавра - 4,243±0,002 св. лет или 268 332 а.е.).

Свою скорость “Вояджеры” приобрели в основном благодаря гравитационным маневрам.
А рекорд разгона на ракетных двигателях принадлежит New Horizons.
В момент выключения двигателей разгонного блока его скорость составляла 16,21 км/с.
Можно ли разогнаться до больших скоростей? Какие двигатели можно применить для этого?

Напомню, чем выше удельный импульс ракетного двигателя, тем меньше топлива требуется на разгон.
Сегодня наибольший удельный импульс имеют электроракетные двигатели малой тяги.
Возьмем проверенный NSTAR (он был установлен на Deep Space 1 и сейчас работает на Dawn)
Его тяга 0,09 Н, удельный импульс 3100 с (у лучших ЖРД, таких как двигатели шаттла ~ 450 с), потребляемая мощность 2,3 кВт.
Да, этот двигатель любит "кушать" электричество.

Уникальные солнечные батареи Deep Space 1 площадью 14,5 м2 выдавали лишь 2400 Вт – и это ещё очень хороший результат.
(166 Вт с квадратного метра, при массе 58 кг и удельной мощности на единицу массы – около 50 Вт/кг)
Не стоит забывать, что с удалением от Солнца мощность падает как квадрат расстояния.
Нужен другой источник энергии, и единственный вариант - ядерный реактор.

Машинное преобразование (как на настоящей АЭС) на орбите ещё не опробовано, остается термоэмиссионное.
Пожалуй, лучший реактор подобного типа – "Топаз-2". Он имел массу ~ 1100 кг и мощность около 10 кВт.
Примерно 10 Вт/кг - очень хорошее соотношение для космической ядерной энергоустановки.
Реакторы на подводных лодках выдают более 20 Вт/кг, но в их случае можно сбросить тепло в воду, а в космосе тепло отдается только излучением. Один реактор "Топаз-2" может “накормить” четыре ионных двигателя NSTAR – не так уж и плохо.

Есть ли смысл разгоняться на двигателях малой тяги с низкой околоземной орбиты?
С такими параметрами энергоустановки – пожалуй, нет.
Слишком велики гравитационные потери, да и времени это займет очень много.
Значит, для ухода из сферы действия Земли необходимо применить обычный разгонный блок с ЖРД.
Delta IV Heavy, самая мощная ракета человечества, способна отправить на отлетную траекторию 9306 кг, а к Венере около 8800 кг.

Почему к Венере? Потому, что наш план таков:
Cначала зонд уходит к “утреней звезде”, где выполняет гравитационный маневр и отправляется к Юпитеру.
Маневр у планеты гиганта даст прирост где-то ~10 км/c – теперь мы на отлетной траектории из Солнечной системы и можем включить свои NSTAR`ы не опасаясь больших гравитационных потерь.
Маневр у Сатурна даст нам ещё ~8 км/c.
А дальше вся надежда на ионные двигатели. Насколько они разгонят наш зонд?

Масса зонда 8800 кг.
Коэффициент конструкции – 0,08 (обычный такой коэффициент “плюс-минус километр”), значит масса конструкции 705 кг.
Коэффициент баков – 0,08; масса баков 475 кг.
Масса двигательной установки (20 двигателей NSTAR; 4 основные, остальные резервные.) – 160 кг (по 8 кг один двигатель).
Реактор (возьмем характеристики "Топаза-2") - 1100 кг.
Борт (управление, связь, ориентация и т.д.) + преобразователи энергии (между реактором и двигателями) - 350 кг.
Научная аппаратура 60 кг.
Масса топлива 5950 кг
dV по формуле Циолковского = 35 000 м/c

Четыре NSTAR`а дают суммарную тягу всего 0,36 Н, а значит, набор этой скорости займет около 20 лет (да-да, и всё это время необходимо обеспечивать работу реактора, двигателей, всех систем).
Суммарная скорость нашего зонда относительно Солнца составит 10 + 8 (прирост от гравитационных маневров у планет-гигантов) – 3 (грубая оценка гравитационных потерь) + 35 (набраны на двигателях малой тяги) = 50 км/c
После разгона и 15 лет полета наш зонд обгонит “Вояджер-1”!
1000 а.е. он пройдет примерно за 95 лет.
А расстояние до Проксимы Центавра покроет где-то за 25,5 тысяч лет.
Вот предел существующих технологий человечества.

Конечно, можно представить, что подобный аппарат будет запускаться сверхтяжелой ракетой SLS.
Её полеты начнутся (если начнутся) в начале 2020ых годов. Её первый полет должен состояться в 2017 году.
Тогда наш супер-зонд можно сделать двухступенчатым и на первой тяжелой ступени применить реактор с машинным преобразованием энергии. В качестве второй ступени будет выступать аппарат из расчета приведенного выше.
Даже в таком случае можно надеяться на скорости только 80-100 км/c, а время разгона составит многие десятилетия.

Если рассматривать научную фантастику, то можно “поиграться” c двухрежимными ЯРД (могут работать и как обычный ЯРД и как источник энергии для батареи двигателей малой тяги), солнечными парусами (зонд с парусом нужно будет отправить внутрь орбиты меркурия и оттуда начинать разгон) и тонкопленочными солнечными батареями, передачей энергии по лазерному/микроволновому лучу.

В рамках простой фантастики – газофазные ЯРД, термоядерные ракетные двигатели, возможно импульсный двигатель (ядерный или термоядерный), магнитный парус и гигантские лунные катапульты для отправки микро-зондов.

Ну а если заняться фэнтези – сразу появятся прямоточные звездолеты Бассарда, тучи нано-репликантов, и применение антивещества.
И как сказку можно рассмотреть свертку или прокол (да-да с планковскими энергиями) пространства :)

Кстати, хозяйке на заметку – тихоходка доползет от Москвы до Шри-Ланки за 6500 лет.
Куда быстрее, чем наши зонды с ионными двигателями до ближайшей звезды.

P.S. Да-да, я знаю про проект TAU.

Tags: космос
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 94 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
На солнечном парусе к Сириусу за одно поколение:
http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/333Christensen.pdf
Надо проверять. Обычно закладывают нереальные параметры материала паруса.
Да и раскрытие по-настоящему крупногабаритных конструкций нужно ещё отрабатывать и отрабатывать.
А так да - солнечный парус – фантастика научная. Япония мечтает отправить зонд с солнечным парусом к Юпитеру.

rastol_k0_vskij

4 years ago

___lin___

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

Что нужно делать, чтобы человечество задумалось об освоении ближнего космоса?
Каким-то образом снизить стоимость 1кг на околоземной орбите.
Найти примитивную жизнь на Марсе/Европе/Титане.
Лучше, конечно, артефакты :)
Поймать сигнал искусственного происхождения.
Также неплохо взбодрит падение астероида - но не фатальное для цивилизации и желательно без жертв.

ser_gl

6 years ago

___lin___

6 years ago

ser_gl

6 years ago

___lin___

6 years ago

ser_gl

6 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

___lin___

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

doktoraikasap

6 years ago

ser_gl

6 years ago

doktoraikasap

6 years ago

ser_gl

6 years ago

sv_rex

6 years ago

ser_gl

6 years ago

sv_rex

6 years ago

ser_gl

6 years ago

А ядерный буксир, который у нас вроде бы делают, это что?
Там тоже связка реактор + двигатели малой тяги.
Реактор с машинным преобразованием и мощностью куда больше, чем у "Топаза".
В то, что его сделают, поверить трудно. В любом случае - не раньше 2020 года.

zametilprosto

6 years ago

tigerofsiberia

6 years ago

___lin___

6 years ago

zyxman

6 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

___lin___

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

___lin___

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

___lin___

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

Хочется взять и уебать за приравнивание "не точь-в-точь по учебнику физики" НФ к фентези.
:)
Можно назвать просто фантастикой (не научной), но фэнтези более "выпуклый" термин.
Хотя, конечно, фэнтези в основном ассоциируется с драконами, эльфийками и гномами.

darth_biomech

6 years ago

zyxman

6 years ago

Хороший, годный пост!
Не просто пустоты, а высококачественной пустоты с остаточным давлением от 1 нПа и ниже. Имхо, мечта металлурга ну или электрохимика высокотемпературщика :)
И, опять же имхо, не нужен нам берег турецкий 1000 а.е. и прочие дали. Тут бы на LEO и Луне освоится.
Для полноты картины можно было бы упомянуть, что для существующих технологий существует "умножитель" отлетной массы - многопусковые схемы и орбитальная дозаправка. Принципиально, все технологии в том или ином виде опробованы и при желании могут быть относительно быстро применены. Впрочем, кардинально это картины не меняет - разве что несколько сдвигает возможность запуска влево для бОльших масс.

А так да - всё пока грустно. Из надежд - если на технологическом пределе сделают что-то вроде SABRE, либо если таки откроют MSMH. :)
Требуется пояснение, что есть SABRE и MSMH.

lerm_ru

6 years ago

А потом на дороге зонда со скоростью 50 км/с появляется пылинка...еще одна...и в итоге трындец. Ты готов поручиться за полный вакуум между звездами?
Защита от микрометеоритов более-менее проработана. Многослойный экран по курсу.
Понятно, что проблемы могут быть. Но "Вояджеры" и "Пионеры" летят - и ничего.
Более 30 лет прошло - и ничего!

i_sobolev

5 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

А как же, если в качестве рабочего тела использовать астероид?
Тяга "выбрасывателя массы" будет слишком мала. Разгонять астероид придется сотни лет, даже если его полностью засеять "вакуумными цветами".
Астероиды двигать нужно, наверное, импульсниками термоядерными.
dV по формуле Циолковского = 35 000 км/c
наверно м/с?

Так и представляю, как делается аппарат на основе всех последних технологий, делается несколько лет, а потом вся Земля ждет на кого он упадет... :)))
Да, огромное спасибо, исправил.

Нужно делать 10, 100, а лучше 1000 аппаратов! :)
Не обедняет человечество. Тратит, понимаешь, на косметику в год больше, чем на космонавтику.
А чем ядерно-импульсный не начуен?
Стартовать с Земли невозможно, в космосе собрать трудно.
Не понятно, как должны быть устроены амортизаторы, плита.
Какой, в конце концов, будет у этой штуки УИ?
Вопросов много, отработка затянется на десятки лет.

rbs_vader

6 years ago

___lin___

6 years ago

rbs_vader

6 years ago

suvorow_

6 years ago

rbs_vader

6 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

rbs_vader

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

___lin___

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

___lin___

4 years ago

rastol_k0_vskij

4 years ago

noxx77

3 years ago

Кстати, вот был-бы прикол, если-бы сейчас вдруг создали технологию продления жизни до десятков тысяч лет.
- Ну да, конечно можно было-бы уже реально собраться да полететь к звездам, но десятки тысяч лет полета - это ж что нужно делать чтобы не сойти с ума от скуки!
спать как мишка зимой
На современных технологиях предел вот - но Гелий-3 ....
Термоядерный ракетный двигатель: как, зачем, почему и почем
http://forums.airbase.ru/2008/01/t59363--termoyadernyj-raketnyj-dvigatel-kak-zachem-pochemu-i-pochem.html

Способ 1. Истечение только высокоэнергетичный продуктов реакции при утилизации основной плазмы. Тяга порядка десятков миллиньютонов на МВт при импульсе удельном более 4000000 сек (sik!)или 40 000 км/сек. Столь малая тяга при столь высоком импульсе удельном подходит для трансзвездных зондов. Пр разумном массовом совершенстве (отношение массы топлива к массе конструкции.например, 7:1/10:1) ХС такого аппарата будет почти 1/3 от С. Время разгона же измерятся месяцами и годами. В межпланетных полетах такой режим может применяться как вспомогательный,для сокращения времени миссии при минимальном расходе топлива.



Снижение стоимоясти вывода вот:
"При движении в космическом пространстве нужно использовать постоянно действующие силы и не идти наперекор им." (с)

http://www.iki.rssi.ru/seminar/199911_sid.htm
Док -файл особенно ценен.

На существующем тросе можно с Луны поднимать грузы при горизонтальной скорости 5 м\сек (!) относительно поверхности Луны и высоты первые десятки километров.
Для Земли реалистично обсчитана горизонтальная скорость 5.6 км/сек и высота подъема 200 км. В таком случае груз будет цеплять уже МКС.

Цель зонда:

Солнце имеет фокус гравитационного отклонения электромагнитного излучения. В районе этого фокуса лучи света, искривляемые гравитацией солнца сходятся в малую область пространства. Для каждого места на небесной сфере этот фокус свой.
Находясь вблизи него можно наблюдать и воспринимать очень усиленные сигналы из области находящейся в кольце вокруг солнечного нимба, видимого из этого фокуса. Настолько усиленные, что У Альфы Центавры будут различимы радиосигналы мощностью порядка милливатт, а из Центра Галактики - порядка десяти киловатт.
Этот фокус находится где-то на расстоянии в 550 астрономических единиц от Солнца. И продолжается дальше- кольцо усиленного сигнала удаляется от солнечного лимба.

На языке гайджинов втыкать здесь:
http://www.centauri-dreams.org/?p=10123

Массовая рассылка таких зондов позволяет наблюдать непосредственно центр Галактики и экзопланеты. Усиление сигнала в миллиарды раз.
Я вот как-то оценивал энергию, которую нужно сообщить звездолету для разгона до околосветовой скорости.
и потом сравнивал с мощностью электростанций земной цивилизации...
Можно ещё попробовать сравнить с энергией, необходимой для терраформирования Марса.
Если бы удалось сделать небольшую термоядерную открытую ловушку, то это был бы готовый термоядерный ракетный двигатель, с соплом. Сейчас такое, конечно, звучит фантастически, но теоретически это возможно. Во всяком случае, встречаются серьёзные люди, которые выступают на конференциях с такими докладами.

http://www.computerra.ru/interactive/605295/
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →