Comments 69
Подобные двигатели и КА с ними будут востребованы, как минимум для добычи полезных ископаемых.
Phoebus 2A - а я сразу прочел как проёбус :-D
«Удельный импульс», параметр, который является чем-то вроде расхода топлива ракетой, можно было рассчитать из квадратного корня температуры выхлопных газов, деленной на молекулярную массу топлива. Это означало, что наиболее эффективным топливом для ракет был водород, поскольку он имел самую низкую молекулярную массу.
Не очень понял этот момент. Я никакого отношения к ракетам не имею, поэтому сорри, если, что-то глупое напишу: исходя из школьной физики, кинетическая энергия газа, который вылетает из сопла равна m*v*v/2, если это будет водород, без кислорода, то и сила отталкивания по-идее, должна быть меньше, ибо m-масса будет меньше.
Насколько я помню школьную физику, именно поэтому выгоднее взять легкие молекулы и нагрев их, получить большую v (она же у нас в квадрате), а m - постоянная, то, что мы вытащим с Земли наверх в баке, независимо от того, водород это, кислород, или ксенон.
Да, про ксенон, в ионных двигателях приходится использовать тяжелые элементы, поскольку ионизировать водород дороже на единицу массы. ;)
m - постоянная, то, что мы вытащим с Земли наверх в баке, независимо от того, водород это, кислород, или ксенон
Не совсем так. 1 кило водорода и 1 кило керосина - это конечно одно и тоже, но масса бака с жидким водородом и масса бака с керосином - это две большие разницы. Содержимое бака по массе одинаковое, по объему уже нет, и масса самого бака может сильно отличаться.
Ну то есть, водород выгоднее энергетически, но менее выгоден с точки зрения хранения, потому что а) объем, даже в жидком виде б) текучесть в) взрывоопасность.
И таки да, удельный импульс - это не расход топлива конечно же, это расход топлива на единицу тяги.
Насколько помню, что чем ниже молекулярная масса рабочего тела, то до тем больших скоростей её можно "разогнать" при той-же температуре.
это при ограниченности энергии, а в варианте с реактором её теоретически завались. Так что в большей степени будет играть роль плотность, то есть объём активной зоны. При более тяжёлом рабочем теле зону нужно делать меньше - а туда не запихнуть нужное число делящейся массы.
Плотностью газов как раз "играть" не проблема вообще. Поставить нужное количество отражателей/поглотителей и - вперёд.
В реакторах ограничением является температура (любой реактор в теории может выдать мощность на много порядков больше номинальной при (не)желании - привет Чернобыль!). А при той же температуре у более лёгкого газа будет больше скорость вылета и, следовательно, больший удельный импульс.
Вот есть технически предельная температура реактора. Как соответствующий газ до неё нагреется? Через взаимодействие с поверхностью. у которой должна быть нужная площадь, иначе энергию не передать.
Рост тяги (то есть уи топлива) обратно-квадратичен температуре, так что дальнейший рост температуры реактора выгоден, но не так значительно, как может показаться. Разные факторы технического происхождения приводят к тому, что уи аппарата в целом может даже и не вырасти вовсе.
Молекулы сначала нужно разогнать по той же формуле эмвэквадрат. Легкие молекулы разгонять легче. К тому же масса в формуле стоит в первой степени, а скорость - во второй. Выгоднее взять легкие и разогнать их сильнее.
Дело в том, что энергии - завались, а рабочее тело нужно всячески экономить. Потому и стараются как можно больше нарастить скорость. Ведь сила тяги - это импульс отброшенного, m*v.
Рабочее тело можно использовать любое, вообще любое - теоретически. Разве что нужно, чтобы при рабочей температуре было газом, потому что единственный, приходящий в голову способ - это преобразовать энергию/температуру в скорость - это расширение газа.
Но.
Сколько-нибудь сложные молекулы не подходят - при таких температурах начнутся процессы их разрушения/рекомбинации, то есть лишние сложности плюс большие потери энергии (которой завались, но не настолько же). Значит - лучше чистые элементы или газы с прочными молекулами, например... водород..
Железо, например, не подойдёт, температура кипения - как раз порядка 3кК. Так что разогнать пары железа уже не получится, чуть расширилось, и будет конденсация.
Ртуть - уже, казалось бы, можно: температура кипения всего 630К. Подкидывай потихоньку градусники в реактор, и лети! Но... атом ртути весит в 100 раз больше молекулы водорода, значит, при той же массе размер рабочей зоны будет во столько же раз меньше. В такой объём нужное количество стержней с потребным энерговыделением не запихнёшь.
Куда лучше бром, он кипит уже при 332К и полегче, всего в 40 раз тяжелее молекул водорода. Но, всё же, 40 раз - чересчур.
Даже гелий, который всего в 2 раза тяжелее, уже создаст те же проблемы. При этом гелий технически сложнее использовать, чем водород. И криогеника более глубокая, и утекает ещё лучше, чем водород (хотя и тот прямо сквозь стенки сосуда норовит уйти).
Так что, если вдруг удастся сделать стержни с очень, очень высоким выделением энергии (в 14 раз), можно будет использовать азот. У него и криогеника попроще (74.4К против 20.4К водорода).
Прикольно было бы вообще воду использовать. Нагревом до 2кК или электролизом (или вместе) разбивать её на кислород и водород и использовать в двух раздельных контурах. Зато хранить проще, и часть кислорода использовать по-другому можно.
МБР с ядерной силовой установкой
Это реально? В KSP у них банально низкая тяга. Хотя я делал ракеты на ядерном прямоточнике - выскакивал на них вертикально из атмосферы, а уже потом включал другой движок, для вакуума. Но я сомневаюсь что это будет работать в реальности, ракета просто развалится от таких перегрузок.
В каком году?
У Вейда утверждается, что был вариант МБР Р7 с ЯРД на второй (центральной) ступени с рабочим телом в виде жидкого аммиака. Насколько это было реально ни кто не знает. :)
Он может утверждать что угодно, но реально работавший советский ЯРД появился только в конце 70-х. И совершенно для других целей.
Рисовать могли что угодно, фантазии у разработчиков ОКБ-1 хватало. Но то такое...
Поэтому я и сказал "Насколько это было реально ни кто не знает. :)" потому что Вейд мог опираться на отчеты ЦРУ, чьи сотрудники, как мы теперь знаем, практиковали использование "запрещенных средств расширяющих сознание". А какие приходы были у них, после использования этих средств, история умалчивает.
Был ещё советский РД-0410, проходил испытания на Семипалатинском полигоне
В KSP получилось, и у них получится
Чем горячее вы делаете выхлопной газ, тем
...надёжнее расплавляется сопло!
Он сказал, что «Пекин стремится к превосходству в космосе с помощью систем космического нападения» и упомянул разведданные, собранные о Shijian-17, китайском спутнике, оснащенном роботизированной рукой, которую можно использовать для «захвата других спутников».
Помню, лет в 10 смотрел с родителями Джеймса Бонда по телеку и смеялся - что за чепуха, спутник ворует спутники с орбиты, да еще и садится так нелепо, двигателем вперед - все ж знают, что разгонный блок отделяется после взлета, а спускаемый аппарат - такой шарик, который тормозит на дикой скорости об атмосферу и затем приземляется на парашютах. И вот, четверть века спустя, дожил :)
статья длинная, к концу переводчик уснул :(
В чем суть разворота ядерного движка и бимодальности - пришлось читать оригинал.
Его концепция бимодального волнового ротора достаточно быстра для запуска, когда Марс и Земля находятся ближе друг к другу, и Марс достигается всего за 45 дней с массой 530 тонн.
вот 45 дней до марса - это супер!
"Гиперзвуковая гидродинамика"?
Чушь это всё. Существует предельная скорость, до которой можно разогнать нагретое рабочее тело с помощью сопла. Существуют температурные пределы для материалов. Ну будет у такого двигателя удельный импульс, скажем, в полтора-два раза больше, чем у химического - что это изменит принципиально? А вот с точки зрения вреда для экологии это может оказаться куда как покруче гептила. Гептил - это всего лишь химия...
Меня больше сброс тепла волнует.
Круто звучит, но если расплачиваться за это надо радиаторами как рога у лося, то блин. Мало ли концепций, которые отправились на свалку истории, потому что хороши по всем параметрам, кроме одного? Взять дирижабли те же.
А вот с точки зрения вреда для экологии это может оказаться...
А может и не оказаться
Существуют температурные пределы для материалов
— иными словами, в очередной раз незаметно подкрался Пружинный Предел.
Ну будет у такого двигателя удельный импульс, скажем, в полтора-два раза больше, чем у химического - что это изменит принципиально?
Например: сейчас у нас скорости не хватает (~ 20-25 км/с), чтобы покинуть Солнечную систему (без многократных десятилетних гравитационных манёвров). А так станет хватать с лихвой. Можно будет за разумное время исследовать межзвёздное пространство. Или, например, возить на Землю грунт с лун Юпитера.
сейчас у нас скорости не хватает (~ 20-25 км/с), чтобы покинуть Солнечную систему (без многократных десятилетних гравитационных манёвров). А так станет хватать с лихвой.
"Допустим, вам удалось пробить головой стену. А что вы собираетесь делать в соседней камере?" (с) Вот покинули мы Солнечную Систему со скоростью... ну пусть даже 50 км/с. Следующая ближайшая остановка — Проксима Центавра в четырёх световых годах. Запасаемся подушками.
А почему скорости не хватает? Гравитационный манёвр вполне позволяет выйти за пределы Солнечной системы - "Вояджеры" и "Пионеры" вполне это показали, а недавно какой-то аппарат разогнался до такой скорости за короткий срок с помощью гравитации. Долго? Ну так скорость в 20 км/сек ничего принципиально не изменит. Все эти сверхмощные носители нужны, в основном, чтобы вытащить полезную нагрузку из "гравитационной ямы" планеты на орбиту хотя бы - дальше можно использовать более эффективные с точки зрения разгона двигатели - с ядерным реактором, но с куда большей скоростью рабочего тела... Совместить оба преимущества - большую тягу (хотя бы единицы тонн) и длительную работу двигателя пока технологически невозможно. Чтобы построить "Хиус" не хватает "абсолютного отражателя" и "фотонного реактора" (уж не знаю, что там под ним Стругацкие подразумевали 🙂).
Тепловой двигатель слишком быстро расходует рабочее тело, к тому же к.п.д его сравнительно невысок, поскольку огромное количество тепла уносится с рабочим телом без пользы - это принципиальный недостаток таких двигателей (неважно, химических или ядерных)
Тут ведь вот какая штука... Тепловой двигатель (то есть, нагрев рабочего тела и ускорение его механическим способом - в сопле) позволяет разгонять большую массу рабочего тела в единицу времени, но до ограниченных скоростей, и часть энергии ещё при этом теряется из-за хаотического теплового движения молекул... Электрические двигатели (ионные, плазменные) позволяют разгонять РТ до высоких скоростей (теоретически, почти неограниченно, близко к световой скорости), но для разгона бОльшей массы в единицу времени нужны очень большие электрические мощности реактора, а это технологически сложно (недаром про "Зевс" пока больше разговоров, а там названная тепловая мощность-то как у небольшого авиадвигателя - порядка 1000 киловатт всего - раз уж он "мегаваттного класса")... В то же время, грубо говоря, при расходе РТ 1 килограмм в секунду, чтобы разогнать его до скорости 10000 м/с (всего в три раза больше, чем у обычного ЖРД) нужна мощность, как минимум 50000 киловатт (это без учёта каких бы то ни было потерь).
Долго? Ну так скорость в 20 км/сек ничего принципиально не изменит.
В смысле не изменит? Лететь пару лет вместо пары десятилетий для вас не принципиально?
новые горизонты летят сейчас со скоростью всего полтора км/с. А могли бы со лететь со скоростью в 10 раз выше. Она должна дойти до гелиосферы в 2035 году, а могла бы ещё в нулевых!
Это всё не принципиально?
Ну, даже не знаю, как вам объяснить... "New horizons", говорите, могли бы лететь со скоростью в десять раз больше? 😁 Не могли бы, прежде всего, потому что задача не была поставлена в виде "как можно быстрее покинуть Солнечную систему"... Вообще-то, скорость этого аппарата, соответствует третьей космической (16.65 км/сек) - откуда вы взяли полтора? Космические аппараты летят по определенным траекториям и скорости в разных точках этих траекторий сильно меняются, в том числе, благодаря гравитационным маневрам. Начальная скорость (которая определяется по результатам исчерпания запаса топлива на носителе) поэтому не сильно принципиальна, если она не сотни км/сек. Поэтому как там "должно было быть" по сравнению с тем, что есть...
16.65 - он имел на вылете с Земли. Ещё 4 получил от гравитационного манёвра у Юпитера, но притяжения Солнца уже съело большую часть кинетической энергии и сейчас он летит со скоростью полтора километра в секунду. А мог бы лететь со скоростью ~15-20 км/с.
И вообще-то чем быстрее получаем результат - тем лучше? Нет? Или надо обязательно оставлять разбираться со всем этим следующим поколениям учёных?
А самым быстрым космическим аппаратом стал не так давно зонд "Паркер", запущенный в 2018 году и развивший на своей траектории скорость (гелиоцентрическую) выше 176 км/сек, а потенциально могущий разогнаться до 190... И опять-таки - у него просто полётное задание такое, так спроектирована его траектория с целью выполнения задач миссии. Это не гонки "Формулы"...
Это всё не принципиально?
Для потенциального переселенца — не принципиально. Ему нет особой разницы, сколько лететь до ближайшей звезды: 100'000 лет или 10'000 лет.
Интересно, но не очень понятно - человечество так до сих пор и не придумало ничего больше, чем греть ядерной горелкой воду водород? Какой принцип заложен в ядерном двигателе? Зачем его называть ядерным, если там все равно рабочее тело - это водород?
Все эти новые двигатели из фантастических романов я представлял себе по-другому - выбрасываются потоки частиц, которые передают импульс кораблю.
Даже ионный двигатель выглядит более фантастично, чем ядерный. Или, например, насколько я помню, аннигиляция электрона и позитрона выдает два фотона с энергией по 0,5 мЭв. И вот направить их на условное "зеркало" и передать импульс - будет фотонный двигатель. И прикол его будет в том, что фотоны уже летят со скоростью света, а не какие-то там 3 км/с. То есть в теории такой двигатель может придать кораблю значительную часть скорости света.
Зачем его называть ядерным, если там все равно рабочее тело - это водород?
А зачем атомные станции назвали атомными, если рабочее тело там вода?
аннигиляция электрона и позитрона выдает два фотона
Осталась самая мелочь — вернее, две: как хранить позитроны, и где их взять в товарных количествах.
Интересно, но не очень понятно - человечество так до сих пор и не придумало ничего больше, чем греть ядерной горелкой воду водород?
Почему же не придумало? Ещё как придумало!
Просто начать решили с "котиков". У нас же полноценно (не в тестовых целях) вообще ни одной космической миссии с реактором не было! Даже как с источником электрической энергии. А связка реактор + генераторы + ионник - всяко на порядки хуже (и по тяге, и по массе, и, следовательно, по запасу скорости), чем напрямую генерировать тягу реактором.
Вот у вас в чём пробел... Вы полагаете, что тяга "генерируется" реактором. Тяга генерируется разгоном рабочего тела. Чем вы это рабочее тело ни нагревайте - тяга будет зависеть только от двух вещей - расхода рабочего тела в единицу времени и скорости, которую эта масса сможет приобрести. А эти две вещи, по большому счёту, от источника тепла не зависят. Ну да, водород (точнее, водород-кислородную смесь в некоторой пропорции) можно разогнать сильнее, чем водяной пар (или пар в смеси с углекислым газом), но ненамного, в пределе - до примерно 4500 м/сек. Остальные параметры (температура, скорость нагрева РТ, давление и расход РТ) ограничены существующими технологиями, а именно:
Температура - способностью конструкции камеры сгорания или теплообменника реактора выдерживать нагрев (даже при наличии систем охлаждения)
Скорость нагрева - теплотворной способностью реакции горения или эффективностью теплообменника реактора
Давление и расход - возможности современных вычислений с точки зрения прогнозирования процессов в КС или в теплообменной зоне реактора (почему у РД-171 четыре камеры сгорания, а не одна?)
Тяга генерируется разгоном рабочего тела
А разгон рабочего тела чем "генерируется"?
Тяга - результат преобразования энергии из каких-то форм (химические связи, ядерные связи) в кинетическую. Это преобразование в тепловом ядерном двигателе осуществляет что? правильно - реактор. Значит он тягу и генерирует (если уж совсем душнить - то тягу генерирует сопло Лаваля).
Ну да, водород (точнее, водород-кислородную смесь в некоторой пропорции) можно разогнать сильнее, чем водяной пар (или пар в смеси с углекислым газом), но ненамного, в пределе - до примерно 4500 м/сек. Остальные параметры (температура, скорость нагрева РТ, давление и расход РТ)
Ну во-первых, реактор разгоняет читстый водород. Нахрена там смеси? А во-вторых, тепловая скорость обратно пропорциональна корню из молекулярной массы. И т.к. водород в 9 раз легче воды, то при той же температуре скорость его молекул в три раза выше скорости молекул воды. 400% - это называется "немного"?
Скорость нагрева - <...> эффективностью теплообменника реактора
Это с какого перепугу стало ограничением?
Давление и расход - возможности современных вычислений с точки зрения прогнозирования процессов в КС или в теплообменной зоне реактора (почему у РД-171 четыре камеры сгорания, а не одна?)
При чём здесь вычисления? У РД-171 четыре камеры сгорания именно потому что очень хорошо посчитали/поэкспериментировали и выбрали наиболее оптимальный вариант при заданных требованиях и ограничениях. Причем не только физических - но и экономических и технологических. При других ограничениях - получился РД-180 с теми же камерами сгорания, но только с двумя.
"Это преобразование в тепловом ядерном двигателе осуществляет что? правильно - реактор."
Простой ответ - нет. Разгон рабочего тела генерируется соплом. Все свои объяснения я уже расписал. Есть ограничения, заложенные в сам принцип разгона рабочего тела путём его нагрева и последующего перевода его внутренней энергии в кинетическую с помощью сопла. И чем ни нагревай РТ - эти ограничения никуда не денутся...
Не совсем так, реактор-генератор-ионный позволяет достичь гораздо больших скоростей но за очень большое время
Нет обязательно, т.к. в такой связке очень сильно возрастает процент сухой массы. А он "работает" экспоненциально, а не линейно как импульс. Поэтому даже фантастический импульс влёгкую может быть "съеден" за счёт большого веса машин которые его генерируют.
Именно поэтому у ионников столь малая тяга: её можно без особых проблем можно поднять на порядки, но масса двигателей и, что важнее, масса источника энергии (тот же реактор) возрастёт намного сильнее.
Сейчас ионники "работают" только за счёт "дешёвой" (в плане массы на мощность) энергии Солнца. Если генерировать энергию для ионника "на борту" тепловой машиной - то химические двигатели зачастую оказываются лучше.
Использовав термин "условное зеркало", вы сами всё объяснили 🙂. Нет сейчас таких зеркал (точнее, технологий), которые могли бы отразить то количество фотонов в единицу времени, чтобы создать сколько-нибудь заметную тягу...
А никого не смущает, что заказчики этого убер-аппарата - вояки?
Марсиан надо срочно предупредить... но как?
Землян бы предупредить для начала. Этот аппарат можно использовать очень разными способами.
Любая куча мусора, поднятая из гравитационного колодца — уже оружие не то чтобы сильно хуже ядрёной боньбы (если вы контролируете, куда эта куча мусора упадёт). Тунгусский метеорит подтверждае.
Да-да. The Moon is a harsh mistress!
А как ядерные тепловые ракеты позволят поднять много мусора из гравитационного колодца Земли? Все равно самое сложное - преодолеть первые 100 км., а тут обсуждаемые двигатели сильно не помогут. Разве что сделать крылатый SSTO с ядерными прямоточниками, но тут есть проблемы другого рода.
Никак. Речь шла о том, что трындец великолепно можно и без них устроить, поэтому "предупреждать марсиан" бессмысленно.
Я оппонировал @isden , который упомянул, что заказчики - вояки, и что надо предупреждать землян. На мой взгляд, эта технология может быть применена в военных целях только при захвате Марса (ну или спутников Юпитера, остальные объекты солнечной системы для землян малоинтересны), поэтому надо предупредить марсиан ;)
Ядерное топливо тоже заканчивается.
Ядерные тепловые ракеты