Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Хабр доступен 24/7 благодаря поддержке друзей
Комментарии 66
Спасибо, познавательно. Но не совсем ясно с электричеством. Зачем? Что находится в баках 3-4 и зачем там электричество? Если всё же без электричества никак, то почему бы не крутить турбину частью «выхлопа»? Возможно, я не осознаю масштабы (объёмы вырабатываемого электричества, тяга и пр..), но не ясно, откуда профит в такой системе. Можете разъяснить, пожалуйста?
С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ), а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела. Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА.
Для межпланетных перелётах в пределах солнечной системы, чуть ли не идеальное по сути решение. Для вопящих «зелёных» корабль с такой установкой можно было бы выводить за пределы земли обычными ракетами, а вот в космосе уже запускать установку. Но пока не придумали нормальную антирадиационную защиту как от космической радиации, так и от предпологаемого ЯРД о таких полёта остаётся только мечтать.
Для вопящих «зелёных» корабль с такой установкой можно было бы выводить за пределы земли обычными ракетами, а вот в космосе уже запускать установку.
Только вот есть неиллюзорная опасность, что всё это взорвётся ещё на этапе вывода, и получится приличных размеров грязная бомба. Или не взорвётся, а не до конца отработают движки, и выйти на орбиту не получится.
Думается, при желании можно всё это провернуть довольно сейфово. Раз уж мы говорим о запуске корабля по частям, то что мешает запустить весьма лёгкий для современной ракеты объект вместе с защитными кожухами или системой спасения а-ля пилотируемый Союз.
При выводе на низкую опорную орбиту оно абсолютно безопасно, так как физический запуск реактора еще не произведен, и в активной зоне нет продуктов распада.
Но пока не придумали нормальную антирадиационную защиту как от космической радиации,
есть хорошие решения, конечно, не "панацея", но и не пресловутые "свинцовые трусы", коими так любят стращать обывателя. Полимеры с плотной упаковкой атомов углерода и водорода + наполнители, типа Бор-11 и т. п. Вдобавок, конструкционные. Неплохо освещено в работах по обитаемым "сферам" проекта Tensegrity
И как вы на легких элементах полагаете защищаться от ЭМ излучения, от рентгена и далее в коротковолновую сторону?
а зачем «сразу и от всего»? экстремумы по высокоэнергетическим частицам достаточно редки + время экспозиции. В пределах солнечной системы, с учетом «погоды на солнце», вполне можно обойтись существующими материалами, не приумножая сущности без нужды.
Примерно по тому же принципу, как от них защищает атмосфера. Много-много тонких перегородок с большим расстоянием между ними. Подозреваю, пары десятков километров толщины такой брони хватит, чтобы вторичное излучение промахнулось мимо защищаемого ядра, или было поглощено конструкцией брони. Конечно, если это облако пены можно так назвать.
Не раскрыта тема, хотя может это я не достаточно грамотен, чтобы понять на чем это все такие летает то?
что скрыто под цифрами 1,2,3,4 и зачем ему 13?
что скрыто под цифрами 1,2,3,4 и зачем ему 13?
Если проводить аналогии, — то ЯРД (не беря во внимание его «грязноту») по простоте и эффективности ближе к обычному ПВРД, в то время как ЯЭДУ больше напоминает ЯСУ АПЛ, с той лишь разницей, что в последних, вырабатываемое электричество крутит «обычные» ходовые электродвигатели. В ЯЭДУ задача электричества — нагреть рабочее тело так же, как это делается в ЯРД. Грубо говоря, на выходе имеем тепловентилятор «Ветерок»)) — натянули нихром, разогрели его электричеством, продули через него рабочее тело, нагрели и вытолкнули через сопло. Летим!)) И почему это мы все ещё до сих пор не на Марсе?)))
1 и 2 это «Ветерок», а 3 и 4 баки с рабочим телом — пока что водород...)
что скрыто под цифрами 1,2,3,4
1 и 2 это «Ветерок», а 3 и 4 баки с рабочим телом — пока что водород...)
1 килограмм урана с обогащением до 4%, используемого в ядерном топливе, при полном выгорании выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн высококачественного каменного угля или 60 тонн нефти.
А насколько полно оно выгорает на практике?
В англо-вики на эту тему внезапно есть статья, хоть и путанная. Судя по ней, на те же самые 4-6% или чуть больше и выгорает. Реакторы на быстрых нейтронах дают цифры до 10% и даже до 20% в некоторых экспериментальных установках, но почему-то получаются себе дороже.
Вопрос к автору статьи.
Верит ли он в то, что в габариты обычной крылатой ракеты удалось впихнуть ядерный прямоточный двигатель(не силовую энергоустановку)?
Воздухозаборное устройство.
Реактор можно сделать хоть в габаритах апельсина. Вопрос исключительно в размерах поверхностей для теплообмена, чтобы снять выделяемую мощность.
Ну, насчет апельсина не перегибайте :) Чтобы реакция распада не затухала, а была самоподдерживающейся, вам понадобится как минимум 50 кг урана. Это арбуз, а не апельсин. Плюс замедлители, ионизационные камеры, механизмы регулировки и т.д. Но в габариты ракеты это впихнуть вполне реально.
50 кг — это для урана-235 в виде шара в вакууме. Есть и более «взрывчатые» изотопы элементов, к тому же нейтронные отражатели и замедлители, применение которых снижает критическую массу. Пара-тройка килограммов плутония-236 в бериллиевой оболочке там, или полкило калифорния-252. Гарантийный срок хранения, правда, маловат будет :)
Да, как выше сказано — в виде шара в вакууме. И диаметр получится 17 см.
А скажем в виде водного раствора — достаточно 800г урана. Эффективными отражателями можно даже меньше достичь (но тут и сам отражатель учитывать надо, так что оптимум где-то посередине)
А скажем в виде водного раствора — достаточно 800г урана. Эффективными отражателями можно даже меньше достичь (но тут и сам отражатель учитывать надо, так что оптимум где-то посередине)
Врятли это применимо для крылатых ракет. Скорее всего просто тогда военные давали деньги на разработку.
А вот для космических тягачей очень хорошая штука.
Выводим груз на низкую опорную орбиту, цепляем таким тягачем и довыводим на целевую орбиту. Ну или тащим к другой планете.
А вот для космических тягачей очень хорошая штука.
Выводим груз на низкую опорную орбиту, цепляем таким тягачем и довыводим на целевую орбиту. Ну или тащим к другой планете.
Врятли это применимо для крылатых ракет.
ИМХО ЯРД как и ЯЭДУ в военной сфере — это вариант оружия «судного дня», когда всем уже начхать на экологические последствия использования ЯРД или ЯЭДУ, а на этот день у нас и так припасено всего в избытке. Использовать подобные вещи с обычной БЧ в «повседневной жизни» тоже не вариант — радиоактивное загрязнение местности не позволит. И даже на любой околоземной орбите ЯРД не вариант — радиоактивный выхлоп очень быстро сделает все околоземное пространство непригодным для использования. Так что для ЯРД одно применение — межпланетные перелеты. С ЯЭДУ таких ограничений, связанных с загрязнением всего и вся нет, — осталось совсем немного, — взять и сделать рабочий экземпляр))
И даже на любой околоземной орбите ЯРД не вариант — радиоактивный выхлоп очень быстро сделает все околоземное пространство непригодным для использования.Вы уверены, что по сравнению с естественным радиационным фоном на орбите этот выхлоп будет хотя бы заметен?
Не следует путать радиацию и загрязнение радиоактивными изотопами. Первое ничем не мешает летать в космос и возвращаться оттуда, так как облучение не делает подверженный ему объект опасным. А вот если объект весь извозился в радиоактивных отходах — вот тогда беда.
Объем НОО — более триллиона кубических километров. Сколько кораблей с ЯРД нужно запустить, чтобы это пространство сколько-нибудь существенно «загрязнить радиоактивными изотопами»?
Зависит от конкретных характеристик двигателей, которые ни я, ни вы не знаете даже близко и того, как эти двигатели используются. Довольно сложно летать по орбите таким образом, чтобы выхлоп всегда улетал на бесконечность, он запросто может либо собираться облаком в некоторой области, либо просто напросто отправиться в атмосферу. Смысла в такой безответственной тупости я не вижу.
Довольно сложно летать по орбите, распыляя существенное количество рабочего тела на характерных для ЯРД скоростях, и при этом оставаться на орбите.
Скорость рабочего тела, то есть водорода или аммиака, и скорость ядерных отходов при одной и той же температуре — это совершенно разные скорости, это во-первых. Во-вторых, удельный импульс всего-то в ~два раза выше, чем у водородного ЖРД, так что это ядерный движок — это не какое-то волшебное устройство, которое чуть-чуть включается и всё, привет, Плутон.
Ну, всего-то в два раза выше — это в доведенных до рабочего образца разработках. Теоретический предел эффективного удельного импульса там порядка 10-12 тысяч км/с, когда вся энергия распада тратится на разгон продуктов распада.
10 тысяч километров в секунду?
Да. Средняя удельная энергия вынужденного распада урана-235, к примеру, E/m=83 ТДж/кг. Если без релятивистских поправок (которые там ещё малы) V=(2E/m)^1/2=12 884 099 м/с. Примерно 12 тысяч км/с.
Не понял, это что, передача всей энергии реактора в кинетическую одного единственного атома?
Нет, это трансформация энергии распада одного килограмма ядерного топлива в кинетическую энергию самого этого килограмма :) Вы, видимо, просто не представляли себе масштаба энергоотдачи в ядерных реакциях.
Давайте вы выпускнику МФТИ не будете рассказывать про ядерные реакции, окей? =)
Если у килограмма такая скорость, то его импульс составляет те же 12,8 Мкг*м/с. Для объекта в 100000 раз тяжелее, то есть в 100 тонн это означает набор скорости в 128,8 м/с всего за секунду. Как вы этот объект себе представляете?
Если у килограмма такая скорость, то его импульс составляет те же 12,8 Мкг*м/с. Для объекта в 100000 раз тяжелее, то есть в 100 тонн это означает набор скорости в 128,8 м/с всего за секунду. Как вы этот объект себе представляете?
Не говоря уже о том, насколько идея полной передачи энергии рабочему телу при таком выхлопе призрачно реализуема.
Часть энергии уносится рабочим телом, если скорость его истечения меньше удвоенной скорости корабля. Если скорость истечения сделать очень большой, то подавляющая часть энергии в разгон рабочего тела и уйдет. А если очень маленькой, то нужно будет очень много рабочего тела.
Как вариант, можно еще межпланетный/межзвездный газ пытаться ловить и использовать.
Как вариант, можно еще межпланетный/межзвездный газ пытаться ловить и использовать.
Обычно стараются всё-таки делать скорость истечения больше, наплевав на КПД, ибо при малых скоростях истечения формула Циолковского сурова к ракетам, которые тащат с собой запас рабочего тела. С точки зрения КПД идеальна была бы какая-нибудь «межзвездная железная дорога», у которой «рельс» был бы и опорой, и источником энергии. По такой структуре в идеале можно было бы перемещаться с околосветовой скоростью без затрат энергии.
У бассардовского прямоточника расчётный размер приемной воронки очень велик-сотни километров при килограмме в секунду собираемой массы на крейсерской скорости. Разгон лазерной/микроволновой батареей тоже представляется перспективным, но требуемая мощность установки велика.
У бассардовского прямоточника расчётный размер приемной воронки очень велик-сотни километров при килограмме в секунду собираемой массы на крейсерской скорости. Разгон лазерной/микроволновой батареей тоже представляется перспективным, но требуемая мощность установки велика.
При большой скорости истечения большую часть энергии унесет рабочее тело, и нельзя будет его просто так проигнорировать в вычислении delta V budget.
Ну, если у нас запас энергии отдельно от рабочего тела, а скорость истечения может меняться произвольно, то да — там может энергетический баланс не сойтись, и существует оптимальный профиль расхода, при котором корабль получает максимальный прирост скорости. Ещё сложнее, если к тому же мощности энергоисточника и двигателя ограничены. Но для случая, аналогичного химическим двигателям, когда энергоноситель-само рабочее тело, такого ограничения нет. Там для получения максимального запаса dV выгодно использовать весь энергетический выход топлива даже в ущерб КПД.
Для случая внешнего источника энергии — к примеру, питания от солнечных батарей — с точки зрения бюджета скорости тоже выгоднее максимизировать скорость истечения. Там, правда, другая проблема — при постоянной мощности чем экономнее расход рабочего тела, тем дольше придётся разгоняться
Для случая внешнего источника энергии — к примеру, питания от солнечных батарей — с точки зрения бюджета скорости тоже выгоднее максимизировать скорость истечения. Там, правда, другая проблема — при постоянной мощности чем экономнее расход рабочего тела, тем дольше придётся разгоняться
Допустим, что это ваши 10 км/с. При равных температурах V~1/sqrt(m). Очень оценочно, ядерная кака-бяка имеет массу раз в 50-100 больше, чем водород, стало быть её скорость при выходе их сопла будет в 7-10 раз ниже, то есть больше, чем 1 км/с. Поскольку выхлоп происходит против движения по орбите, то этого вполне может хватить для того, чтобы это тяжёлое соединение потеряло первую космическую или в лучше случае навсегда застряло в полёте вокруг Земли. Я, конечно, понимаю, что существует логика «океан большой, ничего не случится, сливаем в океан», но с радиоактивными соединениями при наличии куда более простых и безопасных технологий я бы всё таки не заигрывал.
Но энергоемкость ядерного топлива огромна. Произвести хотя бы сотню килограммов ядерных отходов и при этом остаться на НОО — нонсенс.
По первому комментарию решил, что речь об орбитальном околоземном буксире, там шла речь про радиацию на орбите. В дальних полётах — ещё туда-сюда, согласен. Хотя с развитием многоразовых полётов и это приложение выглядит так себе, всё таки топлива на орбиту можно доставить сколько угодно, грубо говоря.
радиоактивный выхлоп очень быстро сделает все околоземное пространство непригодным для использования
Во-первых, не так быстро, а во-вторых, смотря с какой скоростью истечения двигатели будут применяться. У упомянутого РД-0410 при запуске на низкой околоземной орбите выхлоп бы прямо в атмосферу падал, например. А у «Ориона» в аналогичной ситуации большая часть выхлопа улетала бы с орбиты (и скорее всего вообще из Солнечной системы).
offtop кстати, о ядерных двигателях
Установка модов на KSP, содержащих Thermal Turbojet и Pebble Bed reactor в сочетании с модом на скейлирование деталей делают создание полностью многоразовых ракет (ну, за исключением обтекателя) гораздо более простым занятием. Я с лёгкостью собрал двухступенчатую ракету массой всего 280 тонн для вывода аппарата в 10 тонн на орбиту Муны и при этом посадил обе ступени на Кербин, при этом первая ступень не выходила на орбиту Кербина, только на суборбитальную траекторию, а вторая была разгонным блоком, который обеспечил всё выведение на полярную орбиту Муны. И это при очень большом запасе по массе ПН, можно было бы куда больше забросить на туже орбиту.
В общем, если хочется собрать многоразовую ракету с вменяемой ПН и чтобы она не весила под две тысячи тонн — советую поискать эти моды.
Установка модов на KSP, содержащих Thermal Turbojet и Pebble Bed reactor в сочетании с модом на скейлирование деталей делают создание полностью многоразовых ракет (ну, за исключением обтекателя) гораздо более простым занятием. Я с лёгкостью собрал двухступенчатую ракету массой всего 280 тонн для вывода аппарата в 10 тонн на орбиту Муны и при этом посадил обе ступени на Кербин, при этом первая ступень не выходила на орбиту Кербина, только на суборбитальную траекторию, а вторая была разгонным блоком, который обеспечил всё выведение на полярную орбиту Муны. И это при очень большом запасе по массе ПН, можно было бы куда больше забросить на туже орбиту.
В общем, если хочется собрать многоразовую ракету с вменяемой ПН и чтобы она не весила под две тысячи тонн — советую поискать эти моды.
Спасибо за интересную статью. Возникло два вопроса:
Правильно ли я понял, что колоссальная температура здесь по сути ограничена температурой плавления ядерного топлива?
А здесь вообще непонятно. Если уран в виде плазмы, и водород в виде плазмы, тогда почему один из них удерживается, а второй — нет? Существовал ли работающий прототип такого двигателя, или это просто идея из патента?
Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур
Правильно ли я понял, что колоссальная температура здесь по сути ограничена температурой плавления ядерного топлива?
ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду),
А здесь вообще непонятно. Если уран в виде плазмы, и водород в виде плазмы, тогда почему один из них удерживается, а второй — нет? Существовал ли работающий прототип такого двигателя, или это просто идея из патента?
Ограничено температурой плавления (скорее, даже размягчения) оболочки, в котором находится ядерное топливо.
Газообразное топливо предполагалось в кварцевой оболочке как раз.
Газообразное топливо предполагалось в кварцевой оболочке как раз.
Необязательно нагревать рабочее тело до температуры плазмы. А ядерное топливо можно и в жидком состоянии удерживать, температура кипения урана 3800+C, там ограничением будет температура плавления удерживающих структур.
температура кипения урана 3800+C
Я так полагаю, речь о «нармальных условиях». А что там в реакторе с давлением, гравитацией и т.п.
Существовал ли работающий прототип такого двигателя
Прототип не видел, а вот идея живёт:
ссылка на ютуб, отрывок фильма Пассажиры (2016)
Практически все материалы при разогреве хоть ещё и не плавятся, но становятся весьма пластичными (ту же ковку железа вспомнить), так что тут граница именно этим определяться будет
В статье не совсем верно написано назначение девайса. Это не просто ракета, а барражирующая ракета. Для того и ЯРД. Она должна была очень долго кружить в воздухе. Неуничтожимая угроза.
По поводу ЯРД и космоса. Как говорил наш преподаватель (а так получилось, что моя специализация как раз ЯРД) — ЯРД будет, когда будут базы на Луне (забавно, что при таком отношении выпускали каждый год группу по этой специальности). То есть проблема не создать установку, а довести ее надежность как минимум до двух девяток. А это испытания и возможные заражения окружающей среды
И по «Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей». Скорее атмосферный ЯРД ближе к ТРД. А вот космический к РДТТ по причинам связанным с охлаждениям
По поводу ЯРД и космоса. Как говорил наш преподаватель (а так получилось, что моя специализация как раз ЯРД) — ЯРД будет, когда будут базы на Луне (забавно, что при таком отношении выпускали каждый год группу по этой специальности). То есть проблема не создать установку, а довести ее надежность как минимум до двух девяток. А это испытания и возможные заражения окружающей среды
И по «Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей». Скорее атмосферный ЯРД ближе к ТРД. А вот космический к РДТТ по причинам связанным с охлаждениям
Основными преимуществами ЯРД являются:
- высокий удельный импульс;
- значительный энергозапас;
- компактность двигательной установки;
- возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.
Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки
К сожалению, всё не так здорово.
Высокий удельный импульс получается только при использовании водорода — а он требует весьма тяжелого бака. Нетрудно посчитать, что для того чтобы РД-0410 отработал свой час — бак водорода должен иметь размер с ITS первой версии, который 12м диаметром и весом в сотни тонн. Которые естественно придётся вычесть из веса ПН — и в итоге выигрыш по сравнению с кислород-водородным ЖРД не так уж и велик.
Если же использовать как рабочее тело воду/аммиак/углеводороды — то тут мы недотянем даже до обычных керосиновых движков. Но зато такое рабочее тело можно набрать прямо в космосе. Собственно, такой движок даже на песке работать будет — расплавит и испарит.
Что касается ЯЭДУ как привода ионных и т.п. электрических движков — то примерно в пределах пояса астероидов она проигрывает по мощности на килограмм массы (с учётом веса теплоносителя и радиаторов) обычным солнечным батареям.
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Ядерные ракетные двигатели и ядерные ракетные электродвигательные установки