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 34
А оценки эффективности «Двигателей на ядерном синтезе» есть? Хотя бы чисто теоретические как в случае с Двигателем на делящихся фрагментах?
Просто если наконец случится чудо и человечество освоит ядерный синтез, вчерашнее «завтра» перейдет в сегодня, чего нам ожидать? Колоссальный скачок? или так, линейное улучшение?
Просто если наконец случится чудо и человечество освоит ядерный синтез, вчерашнее «завтра» перейдет в сегодня, чего нам ожидать? Колоссальный скачок? или так, линейное улучшение?
Смотрите значения удельного импульса в посте — это главный параметр эффективности двигателя.
Что же касается конкретно двигателей на ядерном синтезе — там выше выход энергии и доступнее топливо, поэтому двигатель на управляемой синтезе был бы сильно лучше.
Тут довольно много материала по двигателям и перспективам развития космических кораблей.
Теоретический предел удельного импульса термоядерного двигателя получается порядка 0.1с. То есть, этого достаточно, чтобы за одно поколение улететь к ближайшим звёздам. Я не могу подобрать достаточно выразительного цензурного эпитета, чтобы охарактеризовать такой скачок.
Круче могут быть только двигатели на антиматерии и варп-драйв.
Теоретический предел удельного импульса термоядерного двигателя получается порядка 0.1с. То есть, этого достаточно, чтобы за одно поколение улететь к ближайшим звёздам. Я не могу подобрать достаточно выразительного цензурного эпитета, чтобы охарактеризовать такой скачок.
Круче могут быть только двигатели на антиматерии и варп-драйв.
Спасибо! Отличная, компетентная статья. Особенно радует правильное использование русских терминов. В последнее время это стало редким явлением в подобных публикациях.
Не указали самый простой и реально существующий вариант — ионный двигатель с ядерным источником энергии.
В заключении этот вариант указан как самый перспективный по моему мнению. ЭРД — это ионные, плазменные и прочие двигатели.
Тогда прошу прощения. Не был знаком с этой аббревиатурой. Да, исходя из общих принципов это один из самых нормальных вариантов. Очень высокий удельный импульс и отсутствие необходимости использовать всякие экзотические конструкции с делящимися материалами. Плюс, заменяемость энергетических элементов исходя из требуемых ТТХ.
Тяга только маленькая. А так да — и более — менее просто, и нет монструозных агрегатов, и удельный импульс очень привлекательный. Но на очень мощный реактор можно поставить 10-100 ЭРД и лететь.
С Земли взлететь на ЭРД не получится скорее всего никогда. Все упирается в охлаждение, для взлета с Земли требуется довольно-таки приличное количество энергии на кг массы. В обычных реактивных движках и ЯРД это тепло сбрасывается с рабочим телом. В замкнутых системах где холодильник и рабочее тело — разные вещи, этот фокус уже не проходит. Причем с некоторого (небольшого) предела чем выше удельный импульс, тем энергетически невыгоднее двигатель (масса рабочего тела уменьшается, но затраты энергии на выведение полезной нагрузки растут) и стало быть тем больше количество тепла приходится сбрасывать. Поэтому с существующими технологиями — вообще никак. На рисунках космических «тягачей» с ядерными движками это, кстати, отлично видно — там маленький такой реактор и движок обвешаны здоровеннейшими (и составляющими самую сложную часть системы!) радиаторами охлаждения, при том что тяга этой конструкции весьма и весьма мала.
ЯРД, я надеюсь, уже основательно в прошлом. Будущее за турбомашинным преобразованием в космосе.
ЯЭДУ для ТЭМ: www.rosatom.ru/journalist/interview/a37ccb004393128d86e0e658732d9c8b
ЯЭДУ для ТЭМ: www.rosatom.ru/journalist/interview/a37ccb004393128d86e0e658732d9c8b
Мне они тоже больше нравятся.
Ну открытые системы никто запускать никто уже не сможет, выбирать приходится из термоэмиссии (или вдруг термоэлектричества) и турбомашинного преобразования. Судя по периодически мелькающим в прессе материалам, работы по последнему направлению ведутся и у нас и в США.
www.nasa.gov/vision/universe/features/nep_prometheus.html (последние из доступных отчетов. Искать — Prometheus)
У нас информации и того меньше. Содержащаяся в открытом доступе — косвенная.
mntk.rosenergoatom.ru/mediafiles/u/files/Doklady/Karzov.pdf второй слайд справа.
www.akmeengineering.com/332.html аббревиатура в конце статьи.
moscow.tendermedia.ru/lot/show/7003079 ну и как-то так.
Ну и статья в АиФ. Ссылка выше — росатомовская. Вот ссылка АиФа: www.aif.ru/society/science/1145657 (она хоть иллюстрированная :) )
www.nasa.gov/vision/universe/features/nep_prometheus.html (последние из доступных отчетов. Искать — Prometheus)
У нас информации и того меньше. Содержащаяся в открытом доступе — косвенная.
mntk.rosenergoatom.ru/mediafiles/u/files/Doklady/Karzov.pdf второй слайд справа.
www.akmeengineering.com/332.html аббревиатура в конце статьи.
moscow.tendermedia.ru/lot/show/7003079 ну и как-то так.
Ну и статья в АиФ. Ссылка выше — росатомовская. Вот ссылка АиФа: www.aif.ru/society/science/1145657 (она хоть иллюстрированная :) )
Ничего себе они замахнулись. На быстрых нейтронах, да с газовым теплоносителем. Кажется, раньше никто такое ещё не пробовал.
Вычитал вот тут: novosti-kosmonavtiki.ru/mag/2013/1099/14567/.
Вычитал вот тут: novosti-kosmonavtiki.ru/mag/2013/1099/14567/.
Оно годится только для межпланетных перелетов с опорных орбит, при том что как раз полеты с орбиты являются наименьшей из текущих проблем освоения Солнечной Системы. В космос взлететь на подобной конструкции невозможно
ЯЭДУ, по замыслу, запускаться будет на низкой опорной. Доставка на НОО Ангарой, к примеру.
Доставка на НОО Протоном, в чём весь цимес. То есть хоть сейчас засылай.
Я так понял что это отдельные элементы Протоном, в единую конструкцию их еще собирать нужно будет.
Но смысл? Какие задачи будет решать этот тягач?
Но смысл? Какие задачи будет решать этот тягач?
Обеспечение лунной базы, полёты на Марс. Подобный тягач намного более экономичный, чем традиционные ЖРД. И, кстати, более надёжный, если считать по времени работы.
Солнечные батареи, которые смогли бы выдавать 1МВт были бы гигантского размера. Судя по википедии, сейчас они выдают порядка 300 ватт с квадратного метра.
Солнечные батареи, которые смогли бы выдавать 1МВт были бы гигантского размера. Судя по википедии, сейчас они выдают порядка 300 ватт с квадратного метра.
1000 кВт / 0.3 кВт-м-2 = 3350 м2 солнечных батарей. На МКС, для сравнения, стоит 2500 м2. Правда там в среднем с учетом потерь (половина времени в тени, потери на конверсию тока и зарядку батарей и т.д.) порядка 100 кВт только снимается на 100 тонн батарей и сопутствующего оборудования, но все равно 1 МВт солнечной энергии снять на околоземной орбите — это не нечто запредельное.
Но это все, впрочем, неважно. Зачем вообще в космосе нужен мегаватт электрической мощности за миллиард долларов? Грузы непрерывно таскать туда-сюда между орбитами? А откуда эти грузы, позвольте узнать, возьмутся? Луна и Марс нафиг никому не нужны при текущей стоимости выведения грузов на орбиту. Ядерный тягач в самом лучшем случае снизит расходы на обеспечение лунной/марсианской базы на ~60%, но оставшиеся 40% — это все равно запредельно дорого. При этом для одиночных миссий он подходит плохо, толк от ядерного тягача есть лишь при его непрерывной работе. Для того же полета к Марсу, например, можно просто разгон вести на малой тяге более длительное время — или просто лететь дольше по энергетически более выгодной орбите.
Нет, чисто теоретически конструкция приятная. Но крайне мало применимая на практике и основных проблем стоящих перед сегодняшней космонавтикой не решающая
Но это все, впрочем, неважно. Зачем вообще в космосе нужен мегаватт электрической мощности за миллиард долларов? Грузы непрерывно таскать туда-сюда между орбитами? А откуда эти грузы, позвольте узнать, возьмутся? Луна и Марс нафиг никому не нужны при текущей стоимости выведения грузов на орбиту. Ядерный тягач в самом лучшем случае снизит расходы на обеспечение лунной/марсианской базы на ~60%, но оставшиеся 40% — это все равно запредельно дорого. При этом для одиночных миссий он подходит плохо, толк от ядерного тягача есть лишь при его непрерывной работе. Для того же полета к Марсу, например, можно просто разгон вести на малой тяге более длительное время — или просто лететь дольше по энергетически более выгодной орбите.
Нет, чисто теоретически конструкция приятная. Но крайне мало применимая на практике и основных проблем стоящих перед сегодняшней космонавтикой не решающая
А в чем его преимущество перед банальным разгонным блоком или тягачом на ионных двигателях с питанием от солнечных батарей, например?
Еще из области фантастики была статья в «Юный техник», называлась «Лазер — двигатель ракеты».
Вот например разгон с помощью лазера www.youtube.com/watch?v=LAdj6vpYppA
Занятная форма кормы неуправляемой «штуки» нужна для центрирования и зависания в лазерном луче кольцевой формы.
Занятная форма кормы неуправляемой «штуки» нужна для центрирования и зависания в лазерном луче кольцевой формы.
У этой технологии есть свои большие плюсы, но к конкретно этому посту она отношения не имеет.
Но такой двигатель будет проигрывать связке «атомный реактор+ЭРД» по удельному импульсу, выигрывая по тяге.
Стоит заметить, что проигрыш по УИ составляет один-два порядка, а выигрыш по тяге — три-четыре.
Хорошее замечание. Я тут быстро прикинул, реактор+ЭРД на один порядок хуже по тяге. К счастью в космосе УИ обычно важнее тяги.
И каким же образом вы это прикинули, интересно знать?..
Тяга ЭРД — граммы. В перспективных двигателях — килограммы. 200 МВт VASIMR из далёкой перспективы будет иметь тягу в сотни килограмм. Тяга прототипов ЯРД составляла десятки тонн…
Кстати, тот самый VASIMR (т.е. двигатель с переменным УИ) придумали как раз потому, что обычно важнее тяга… Он потенциально может давать 30 000 с, но по проекту почти всё время будет использоваться при УИ 3000-5000 с, т.к. только тогда он может давать заметную тягу. А при максимальном УИ мы хоть и расходуем меньше рабочего тела, но тратим столько энергии, что масса её источника перекрывает всю экономию в рабочем теле.
Кроме того, в ЯРД тепло от топлива сразу передаётся рабочему телу. А в ЭРД + реактор сначала теплоносителю, потом турбине, потом генератору (уже потеряли 70%), потом в преобразователь, потом в микроволновый излучатель, который нагревает рабочее тело и оно наконец вылетает из двигателя. Причём в ЯРД нет нужды в ионизации рабочего тела, а значит нет потери энергии (30-50% в ЭРД) на это. В результате ЯРД расходует энергию почти на порядок эффективнее. Добавим к этому, что отсутствие промежуточных звеньев решительно снижает массу конструкции и позволяет одновременно повысить её мощность.
Тяга ЭРД — граммы. В перспективных двигателях — килограммы. 200 МВт VASIMR из далёкой перспективы будет иметь тягу в сотни килограмм. Тяга прототипов ЯРД составляла десятки тонн…
Кстати, тот самый VASIMR (т.е. двигатель с переменным УИ) придумали как раз потому, что обычно важнее тяга… Он потенциально может давать 30 000 с, но по проекту почти всё время будет использоваться при УИ 3000-5000 с, т.к. только тогда он может давать заметную тягу. А при максимальном УИ мы хоть и расходуем меньше рабочего тела, но тратим столько энергии, что масса её источника перекрывает всю экономию в рабочем теле.
Кроме того, в ЯРД тепло от топлива сразу передаётся рабочему телу. А в ЭРД + реактор сначала теплоносителю, потом турбине, потом генератору (уже потеряли 70%), потом в преобразователь, потом в микроволновый излучатель, который нагревает рабочее тело и оно наконец вылетает из двигателя. Причём в ЯРД нет нужды в ионизации рабочего тела, а значит нет потери энергии (30-50% в ЭРД) на это. В результате ЯРД расходует энергию почти на порядок эффективнее. Добавим к этому, что отсутствие промежуточных звеньев решительно снижает массу конструкции и позволяет одновременно повысить её мощность.
Я считал на мегаватт мощности реактора, в уме. Давайте посчитаем медленно и письменно. NERVA — мощность ~1000 мегаватт, тяга ~400 000 Н, 400 Н/МВт. СПД-2300 тяга ~0,1 Н на 2,3 кВт, т.е. 434 двигателя на мегаваттный реактор, 43 Н/МВт. Все верно, на один порядок хуже.
Тут есть интересный баланс — ядерный двигатель греет напрямую, но с меньшим УИ, а ЭРД потребляет преобразованное в электричество тепло, но с большим УИ.
Тут есть интересный баланс — ядерный двигатель греет напрямую, но с меньшим УИ, а ЭРД потребляет преобразованное в электричество тепло, но с большим УИ.
Неправильно вы считаете… У NERVA 1000 МВт — это тепловая мощность, а у СПД — электрическая. Так что в самом оптимистичном случае делите свои 43 ещё на 3-4 чтобы узнать, каково отношение тяги к тепловой мощности реактора. Получаем в итоге примерно 12. 400 против 12. Да, УИ у ЯРД в 3 раза меньше, что теоретически должно означать трёхкратно большую тягу на единицу мощности. А на практике она не в три раза, а в 33. Как раз потому, что ЯРД на порядок эффективнее преобразует энергию.
Впрочем, на самом деле вы завысили тягу ЯРД. Реальные 1 ГВт двигатели имели тягу на уровне 200-250 кН, так что ЯРД только в 6 раз эффективнее ЭРД (и имеет в 18 раз большую тягу на единицу тепловой мощности реактора). Но шестикратный рост эффективности при одновременном многократном снижении массы силовой установки — это тоже очень дофига.
Подсчитаем. Для ЯРД имеем реальную удельную тепловую мощность 400 кВт/кг. Для космических АЭС оптимистично считают возможным получить 1 кВт/кг электрической мощности (тепловая в 3-4 раза больше, но всё равно в сотню раз меньше, чем для ЯРД). Значит для проекта VASIMR 200 MW потребуется АЭС массой в 200 т (ага, в космосе). В тоже самое время как 1 ГВт ЯРД весит 2,5 т. Соответственно, мы можем взять 197,5 т рабочего тела вместо этой АЭС. А ведь я ещё массу самого VASIMR не учитывал! Он сам как ЯРД весить будет, так что выигрыш в рабочем теле все 200 т.
Теперь прикинем:
50 т корабль + 100 т рабочего тела + 200 т АЭС при 4000 с (при таком УИ будут использовать VASIMR почти весь полёт к Марсу) = 13,2 км/с характеристическая скорость;
50 т корабль + 300 т рабочего тела при 850 с (УИ, характерный для ЯРД с твёрдой активной зоной) = 14,9 км/с характеристическая скорость.
В случае ЯРД скорость получается при той же стартовой массе больше. И это при нереально оптимистичной удельной мощности АЭС! Реально таких параметров ещё никто и никогда не получал.
При этом тяга VASIMR будет где-то 0,5 т, а ЯРД — 25 т. Стоит ли говорить, что пятидесятикратный рост тяги сам по себе позволит долететь быстрее за счёт того, что почти весь полёт будет на максимальной скорости, а не половина полёта — разгон, половина — торможение?
Ну и, наконец, есть же перспектива создания газофазных ЯРД! У них УИ будет на уровне ЭРД (2500-3000 с у закрытых схем) при этом сохраняется многократно большая эффективность и на порядки большая удельная мощность.
Впрочем, на самом деле вы завысили тягу ЯРД. Реальные 1 ГВт двигатели имели тягу на уровне 200-250 кН, так что ЯРД только в 6 раз эффективнее ЭРД (и имеет в 18 раз большую тягу на единицу тепловой мощности реактора). Но шестикратный рост эффективности при одновременном многократном снижении массы силовой установки — это тоже очень дофига.
Подсчитаем. Для ЯРД имеем реальную удельную тепловую мощность 400 кВт/кг. Для космических АЭС оптимистично считают возможным получить 1 кВт/кг электрической мощности (тепловая в 3-4 раза больше, но всё равно в сотню раз меньше, чем для ЯРД). Значит для проекта VASIMR 200 MW потребуется АЭС массой в 200 т (ага, в космосе). В тоже самое время как 1 ГВт ЯРД весит 2,5 т. Соответственно, мы можем взять 197,5 т рабочего тела вместо этой АЭС. А ведь я ещё массу самого VASIMR не учитывал! Он сам как ЯРД весить будет, так что выигрыш в рабочем теле все 200 т.
Теперь прикинем:
50 т корабль + 100 т рабочего тела + 200 т АЭС при 4000 с (при таком УИ будут использовать VASIMR почти весь полёт к Марсу) = 13,2 км/с характеристическая скорость;
50 т корабль + 300 т рабочего тела при 850 с (УИ, характерный для ЯРД с твёрдой активной зоной) = 14,9 км/с характеристическая скорость.
В случае ЯРД скорость получается при той же стартовой массе больше. И это при нереально оптимистичной удельной мощности АЭС! Реально таких параметров ещё никто и никогда не получал.
При этом тяга VASIMR будет где-то 0,5 т, а ЯРД — 25 т. Стоит ли говорить, что пятидесятикратный рост тяги сам по себе позволит долететь быстрее за счёт того, что почти весь полёт будет на максимальной скорости, а не половина полёта — разгон, половина — торможение?
Ну и, наконец, есть же перспектива создания газофазных ЯРД! У них УИ будет на уровне ЭРД (2500-3000 с у закрытых схем) при этом сохраняется многократно большая эффективность и на порядки большая удельная мощность.
Я брал полезную мощность, не учитывая разницы между тепловой и электрической. И делить на три не надо, потому что я брал для ЯРД тепловую мощность, а для ЭРД электрическую. NERVA имела тягу 34-40 тонн, по разным источникам, поделитесь, пожалуйста, откуда вы взяли 20 тонн?
У вас более подробные расчеты, и, тем не менее, запас характеристической скорости получился одного порядка.
Лично мне сейчас больше нравится связка «реактор+ЭРД», но это мнение не является попыткой предсказать будущее развитие техники. Может быть, будут летать на всех типах, выбирая наиболее подходящий для конкретной задачи. Может быть, изобретут эффективную «ядерную лампочку» (ГФЯРД открытого цикла не нравится мне выбросом части топлива вместе с рабочим телом).
У вас более подробные расчеты, и, тем не менее, запас характеристической скорости получился одного порядка.
Лично мне сейчас больше нравится связка «реактор+ЭРД», но это мнение не является попыткой предсказать будущее развитие техники. Может быть, будут летать на всех типах, выбирая наиболее подходящий для конкретной задачи. Может быть, изобретут эффективную «ядерную лампочку» (ГФЯРД открытого цикла не нравится мне выбросом части топлива вместе с рабочим телом).
И делить на три не надо, потому что я брал для ЯРД тепловую мощность, а для ЭРД электрическую.
А делать так нельзя!
Если вы рассматриваете ЭРД+АЭС, то нужно сравнивать тепловые мощности реакторов!
NERVA имела тягу 34-40 тонн, по разным источникам, поделитесь, пожалуйста, откуда вы взяли 20 тонн?
NERVA — это программа, в рамках которой было сделано много двигателей разной мощности.
75 000 фунтов (34 тоны) было у 1,5 ГВт реакторов. С 1 ГВт получали только 50 000 фунтов тяги.
У вас более подробные расчеты, и, тем не менее, запас характеристической скорости получился одного порядка.
А с чего им быть разного порядка?.. В ракетной технике идёт борьба за каждую сотню м/с, а вы тут про порядки говорите… ЯРД позволяет получить выигрыш в несколько километров в секунду по сравнению с ЭРД+АЭС. Это гигантское преимущество.
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Не лей мне соль в реактор или не-импульсные ядерные ракетные двигатели