Добыча (подъем) водорода из атмосферы Урана

    Представим космический аппарат (КА), передняя часть которого состоит из центрального конуса обтекателя и кольцевого газозаборника по его краям, при этом соотношение площади основания конуса и кольцевого газозаборника подобрана таким чтобы обеспечить минимальный нагрев водорода, составляющего основную массу газа поступающего в газозаборника, при движении КА через атмосферу планеты. Идеальной ситуацией был бы полный отказ от конуса обтекателя, но данный элемент скрывает за собой механизмы и устройства КА а также бак товарного водорода, по этому при возможности он должен быть как можно меньше но не может иметь нулевую площадь.

    Разделим поступающий поток водорода на два, массовое соотношение между которыми установим позже. Подвергнем первый поток резкому значительному сжатию посредством сужения канала через который он протекает и как следствие значительному возрастанию температуры потока. Одновременно будет производить охлаждение первого потока за счет второго. При достижении определенно давления первого потока отводим его из тракта теплообмена и подвергаем его резкому расширению что приводит к его конденсации. Результатом данного процесса является сжижение атмосферного водорода поступившего на борт КА который направляется в бак товарного водорода.

    Второй поток водорода нагретый за счет первого направляем в прямоточный твердофазный ядерный двигатель где нагреваем его до температуры более 3000К и выбрасываем с обратной стороны КА через с сопло с удельным импульсом I_{SP}=9.0км/с, для компенсации сопротивления атмосферы и увеличения массы КА за счет товарного водорода.

    Интересной особенностью такого движения является то что на него не распространяется формула Циолковского потому что при данном движении скорость КА остается постоянной и изменяется лишь его масса.

    Определим какое должно быть массовое соотношение между двумя потоками водорода пренебрегая различными потерями связанными с несовершенством конструкции.

    Принимая первую космическую скорость V1=15.061км/с, а скорость вращения планеты на экваторе V_E=2.590км/с, находим скорость V_{atm} движения космического аппарата относительно атмосферы планеты по формуле:

    V_{atm}=V_1-V_E=15.061-2.590=12.471км/с

    Находим массовое отношение m_1 по формуле:

    m_1=\frac{V_{atm}}{I_{SP}}=\frac{12.471}{9.000}=1.385(6)

    Таким образом получается что из каждых 2.385(6) единиц массы поступающих на борт КА 1.385(6) направляется в прямоточный ТфЯРД, а 1.0 единиц массы в бак товарного водорода.

    Не существует каких либо принципиальных ограничений на такой полет и как следствие он может продолжаться до полного заполнения товарного бака водородом.

    Принимая Гомановскую скорости V_H=5.933км/с по трансземной траектории, находим полную отлетную скорость V_{UE}, по формулам:

    V_{2-1}=(\sqrt{2}-1) V_1=(\sqrt{2}-1) 15.061=6.238км/сV_{UE}=\sqrt{V_H^2 +V_{2-1}^2}=\sqrt{6.238^2+5.933^2}=8.609км/с

    Находим массовый расход водорода m_2 при переходе на трансземную траекторию по формуле:

    m_2=e^{V_{UE}/I_{SP}}-1=e^{8.609/9.000}-1=1.6027

    Находим полный массовый расход водорода m_3 связанный с выводом одно единицы массы на траснземную траекторию, по формуле:

    m_3=(m_1+1)(m_2+1)-1=(1.385(6)+1)(1.6027+1)-1=5.209

    Таким образом для вывода 1.0 единицы массы на трансземную орбиту из атмосферы Урана требуется 5.209 единиц реактивной массы, что в общем то меньше чем требуется для вывода полезной нагрузки с поверхности Земли.

    Стоит отметь что время полета по траснземной траектории составит примерно 32,2 года. Не быстро конечно но в следующем посту, если он будет, будет показано что запуск водорода в сторону земли это лишь первый этап гораздо более сложного и хитрого плана по обеспечению земли реактивной массой на низкой опорной земной орбите.


    ККА осуществляющий сборку водорода (Сборщик водорода) из атмосферы Урана в ходе своего рабочего цикла не покидает окрестностей планеты, после того как он будет полностью заправлен водородом он незначительно подымает свою орбиту, но в тоже время достаточно чтобы выйти за пределы атмосферы и перестать испытывать ее сопротивление и встречается там с транспортным кораблем Разгонщиком которому и передает собранный водород, а сам отправляется на следующий цикл сборки.

    Разгонщик конструктивно состоит из двухступенчатой ракеты с ТфЯРД на каждой ступени, при этом водород подлежащий перевозке размещается не в отдельных емкостях полезной нагрузки а в топливных емкостях первой ступени, причина чего пояснена ниже.

    Первая ступень производит поэтапный разгон в перицентре планеты до скорости +6.0км/си переходит на высокоэллиптическую орбиту планеты, где происходит встреча с КА предназначенным для сборки земного кислорода (Сборщик кислорода), заблаговременно прибывшим на указанную орбиту для встречи с Разгонщиком. Сборщик кислорода состыковывается со второй ступенью и заправляется товарным водородом размещенным в емкостях первой ступени. После окончания процесса заправки Сборщика кислорода топливно-товарный бак первой ступень опустощается и первая ступень отделяется и совершает маневр аэроторможение в атмосфере планеты с переходом на парковочную орбиту для ожидания второй ступени.

    Вторая ступень производит разгон Сборщика кислорода заправленного товарным водородом до скорости +2.6км/с, также в перицентре планеты, но уже в один этап. После достижения требуемой скорости вторая ступень отделяется от Сборщика кислорода и незамедлительно начинает маневр торможения для возврата на высокоэллиптическую орбиту планеты, на которой также как и первая ступень производит маневр аэроторможение в атмосфере планеты.

    Таким образом в 32.2 летний полет отправляется Сборщик кислорода заправленный товарным водородом, а космические аппараты предназначенные для работы в атмосфере Урана не покидают окрестностей планеты.

    Комментарии 48

      +1

      Артур Кларк, продолжайте...

        0
        Вот не надо на Клака. Сэр Артут был человек широкой души, никакие тридцать лет в полете не хотел. Ему дай волю — и только ядерные взрывы под станиной, только юпитер-оберт!
        +1
        При всем уважении, и разумеется, каждый человек вправе считать то, что хочет — но все же. Почему прямоточный-то?
        Сейчас инженеры такого очень не хотят, и глядят в сторону связки (реактор с турбиной)+электродвигатели. И не потому даже, что там можно достить большего импульса при вполне достаточной тяге (что прямая выгода во много раз!), а просто исходя из своей инженерной лени. Одно дело, сделать живучий реактор на 1500 градусов, и совсем другое — на 3000 с копейками градусов. Вы уверены, что при таких рабочих температурах ваш двигатель, отпахав маневр у Земли, нормально запустится, когда долетит до Урана?
          +2
          Для КА двигающегося в атмосферу Урана не существует проблемы рабочего тела, водорода для работы ТфЯРД вокруг него неизмеримо много, для для такого типа КА существенно важней масса-габаритное совершенство, способность собрать максимальный объем водорода при минимальной массе КА и в таком случае прямоточный ТфЯРД является оптимальным устройством как наиболее компактный, легкий, мощный источник тяги.

          В статье не было описано, но работа ТфЯРД предполагается только в атмосфере Урана. Я более подробно опишу это во второй статье, если она будет.
            –1

            А, самое главное, это то, что струи выхлопа останутся летать по различным траекториям в пределах солнечной системы на долгие годы и могут очень больно радовать тех, кто их ненароком встретит. И струи прямоточников будут самыми больнючими.

              +1
              это в крайне степени сомнительно. что будет удерживать струю газа как единый объект в вакууме?
            +2
            Кажеться будет «немного» сложновато.
            А разве не дешевле будет воду искать в метеоритном поясе?
            Вы забыли добавить износ обтекателя и охладителя в расходы.
            Еще и 30 лет полета… Кому это нужно?
            Это все при том, что похожий проект охладителя в атмосферы Земли, собственно, так и не был запущен. ru.wikipedia.org/wiki/Skylon
            Да и «обычные» глайдеры для такой скорости все еще супер-эксперементальные.
              +1
              Как будет ясно из следующей статьи мне нужен именно водород, а далее будет пояснено почему именно с Урана.

              Для меня не представляется возможным определить срок эксплуатации КА такого класса при том уровне знания что я обладаю.

              Как будет пояснено в следующей статье 30 лет в полета будет находиться только топливные емкости, все сложные элементы не будут покидать рабочих орбит планет возле которых они осуществляют рабочие процессы.
                +3
                Да какая разница. Все равно 30 лет до продукта очень усложняют процесс.
                И что то не особо верится, что извлечение водорода изо льда в поясе астероидов будет затратнее по энергии, чем ваш процесс.
                Не говоря о том, что для первого фактически все есть, а у вас будет куча практически неразрешимых вопросов.
                  –1
                  я не утверждаю что этот способ проще добычи воды из астероидов, наоборот я совершенно согласен что он технически сложней, но одновременно он эффективней. железнодорожные перевозки технически гораздо сложней гужевых, но на телегах почти ничего больше не возят.

                  добыча производиться на Уране не спроста, дальше будет показано что срок ожидания можно сократить и при этом значительно повысив эффективность.

                  добыча водорода из воды расточительство.
                    –1
                    Где ж он эффективней если он требует многомиллиардной(если не сотни млрд) разработки, создания систем, которых нет даже в теории и выведения на орбиту за поясом астероидов офигенных масс. Врятли у вас реактор будет легким.
                      0
                      строительство железной дороги в отличии от изготовления телеги требует миллиардов и сложных инженерных изысканий из чего совершенно логично следует что необходимо срочно отказаться от железнодорожной транспортной сети и наладить массовый выпуск телег?
                        0
                        Да, конечно.
                        Вы же предлагаете строить железную дорогу прямо сразу, не имея телег и нося рельсы вручную.
                        Да еще и двигатели на поезда ставить реактивные ракетного типа.
                          0
                          я делюсь своими идеями и нахожу ваши упреки неразумными.
                            +4
                            Ну как задачка для ума все ок.
                            Как предложение о добычи — 30-100 лет разработки + 30 лет цикл вместо гараздо более быстрого цикла для астероидов — не вижу смысла.
                            К тому времени, как цикл закончится вполне вероятно будет уже другая энергетика.
                            Есть разработка Scylon с его 20 годами и 10млрд, а вы к нему еще ядерный реактор хотите, причем сильно нестандартный.
                              0
                              большое спасибо за упоминание скайлона, без сомнение описываемый КА придуман под большим впечатлением от него.

                              энергетика не изменится, какие законы физики были такими они и останутся. реактивная масса будет нужна всегда причем чем больше и дешевле тем лучше.
                0
                скайлон очень медленно но уверенно движется к победе и я склонен считать что через какое то количество лет, может десятков, он выйдет на рынок и просто обрушит некоторые его сегменты. реактивные двигатели появились еще до 2МВ и были общеизвестны но не довольно долгое время не привлекали интереса.

                косность мышления.
                0

                Почему добывать водород нужно именно из атмосферы Урана? У этой планеты больше 20 природных спутников, их имена даны как память о героях Уильяма нашего Шекспира. Почитать какие там будут шекспировские страсти мне было бы интереснее.

                  0
                  Водород в атмосфере Урана находиться в свободном газообразном состоянии при крайне низкой температур 55К, что значительно облегчает процесс его сжижения. Кроме того сбор водорода из атмосферы крайне простой с точки зрения технологии процесс, КА движется в атмосфере и собирает водород, ни каких промежуточных этапов, различных процессов и прочих технологических участков.
                    0

                    Действительно, добыча водорода из льда малых тел (спутников, астероидов, комет) будет намного дешевле залезания в гравияму

                      –1
                      после того как вы добудете водород из воды что вы будите делать с кислородом?

                      мне кажется мои расчеты указывают что гравитационная яма не является такой большой проблемой при наличии доступа к бесконечному запасу реактивной массы.
                        +2

                        Нет. 2-я космическая скорость Урана такова, что меньше 400 мДж/кг за тратить на то, чтобы покинуть Уран никак не получится. Это намного больше энергии, которую нужно затратить для разложения воды на водород и кислород.

                          0
                          Чтобы разложить воду нужно примерно 15.88МДж/кг, учитывая что получите вы при этом 0.(1)кг водорода то значит для производства 1.0кг водорода потребуется 143.0МДж/кг.

                          Мой расчет потребной энергии совпадает с названной Вами цифрой и тоже находиться в пределах 400МДж/кг, но в моем случае в 400МДж/кг уже входит доставка.

                          Если учесть доставку в вашем случае к примеру с Цереры то цифра возрастет до 272.5МДж/кг, что делает ее числом хоть и меньшим, но уже одного порядка.
                          0
                          Из воды будем добывать дейтерий, пускать его на термоядерный синтез, нейтроны из которого тормозить в воде нарабатывая дейтерий. Часть энергии от термоядерного синтеза пойдет на разложение воды, другая часть на разгон рабочего тела которым будет кислород, ну или в смеси с «легкой» водой.
                            0
                            Клиент объявит открытый конкурс на доставку груза.

                            Вы просуммируете стоимость термоядерного реактора, наработчика дейтерия, дистиллятора и неизвестного на данный момент науке устройства по разгону кислорода и назовете свою цену за доставку.

                            Конкурирующая фирма просуммирует стоимость дистиллятора и назовет свою цену значительно ниже вашей.

                            Вы проиграете конкурс и ваши услуги окажутся никому не нужны.

                            Клиента не будет интересовать насколько ваша технология передовая с научной точки зрения, его будет интересовать за какую сумму ваша технология доставят его груз до места назначения.
                              0

                              Перед тем, как думать о добыче дейтерия, я бы задался следующими вопросами: содержание дейтерия в атмосфере Урана 5.5e-5. Какое количество энергии надо затратить, чтобы отделить его от протия? Какое количество энергии можно с него получить? Где хотя бы прототип реактора на дейтерии, и вообще есть ли конструкционные материалы, способные сделать получение энергии из дейтерия экономически эффективным (безотносительно Урана, даже на Земле)?
                              Дейтерия дофига где поближе, а какие-либо реакции лёгких элементов, кроме D+T, пока что не представляются возможными (на обозримом технологическом уровне).

                      0
                      Дальше орбиты Сатурна дальше уже ничего интересного нет, и то на орбите Сатурна интересен Титан из-за своего своего сочетания плотной азотной атмосферы и малой гравитации, на орбите от силы Ганимед со своей слабой кислородной атмосферой с Каллисто (ну просто безопасно на Юпитер посмотреть), к Европе не сунешся из-за радиационных поясов Юпитера, хотя это настоящий водный мир. Это «атомные» края, солнца мало, хотя к Юпитеру и запускали миссию с солнечными батареями. Атомные технологии может использовать только государство, частнику типа «пират» нет. Дальше пояса асероидов «пирату» и неинтересно, самые интересные ресурсы и тут найти можно и к Солнцу ближе. Пока человечество случайно не наткнется на еще какой-нибудь неизвестный источник энергии, и то сначала сделает бомбу…
                        0
                        я так понимаю раз вам ничего не интересно за орбитой сатурна, то значит вы не будите против если я все заберу себе? вам ведь оно не нужно а мне пригодиться.
                          –2
                          в качестве неизвестного источника энергии я мог бы предложить странную материю. есть мнение/гипотезы/фантазии что она могла остаться рассеянной по вселенной с момента большого взрыва в том числе и в нашей солнечной системе. есть предположение что при облучении ее (странной материи) высокоэнергетическими барионами (протонами) она будет в ответ излучать пары частица-античастица пока не истощит весь запас внутренней энергии оставшейся в ней с момента большого взрыва и не выродиться в обычную материю. при разделении пар частица-античастица можно получать антиматерию.
                          +4
                          1. Примеси при конденсации водорода будут уже твёрдым (такие как метан). И все забьётся.
                          2. Схема по сути представляет из себя размен урана на водород, с учётом дефицита урана и бросовости водорода за снеговой линией непонятно, зачем это вообще нужно.
                            0
                            я немного удивлен информацией о дефиците урана, это можно както обосновать? или подразумевается дефицит обогащенного уран? если да то я сторонник что термоядерная энергетика окажется никудышным поставщиком энергии но прекрасным поставщиком делящихся материалов.

                            добыча чего либо всегда размен на что либо.
                              0

                              За пределами Земли не известно местрождений теория или урана, чтобы можно было получать ядерное топливо.

                                0
                                ядерное топливо, особенно высокообогащенное, достаточно ценное и компактное вещество для прямого экспорта его с поверхности земли.

                                земля вполне может стать источником ядерного топлива, особенно на ранних стадиях развития.
                              0
                              прежде чем примеси станут твердыми, сперва они станут жидкими что позволит их вовремя удалить.
                                0

                                Я пока что не видел ни одного расчёта, это подтверждающего. Некоторые вещества при нормальном давлении в жидком состоянии существовать не будут. Емнип — аммиак. Ну и вопрос о длине аппарата, чтобы там все успело сконденсироваться и осесть (куда, кстати?) при 12 км/с мин. длина точно будет меньше 1000 км? :)

                                  0
                                  общеизвестно что в конце 60-х годов прошлого века были разработаны и созданы опытно-экспериментальные образцы ракет с атомными двигателями которые вполне успешно нагревали воздух до сотен градусов при вполне разумных размерах реактора, это конечно не тысячи градусов но я нахожу это довольно оптимистической предпосылкой.

                                  метан уж точно будет жидким, цикл декомпрессии нужно сделать в несколько этапов что позволит отсеять большую массу примесей. с остатками примесей засоряющими тракт газохода можно будет бороться во время техобслуживания между рейсами.
                                    +1

                                    Как разделять конденсат? Какая длина трубы?

                                      0
                                      длина трубы неизвестна, разделения производиться за счет центробежной силы возникающей от вращения КА.
                                        0

                                        Как бы прецессии не вышло и ваше ка не стало двигаться то боком, то раком...

                              +1

                              А как планируется сохранять водород в баках в течении 30-ти лет? Это же не мешки с цементом, не долбанет ли? ;)

                                0
                                до орбиты юпитера включительно можно особо не беспокоиться, а дальше нужно беспокоиться но тут я должен заявить что я фантазер любитель а не проектный институт.
                                0
                                Чтобы все это сработало хотя бы один раз, аппараты должны 32 года работать без поломок в экстремальных условиях (вакуум, высокоэнергетические частицы, да и магнитное поле Урана весьма специфичное).
                                Ну и плюс к тому у аппаратов должны быть какие-то магические источники энергии, чтобы все это счастье работало. Радиоизотопные источники — не очень-то долговечная штука (период полураспада плутония-238, используемого обычно в таких батареях, около 87 лет).
                                ТфЯРД — это прекрасно, но сколько времени работают топливные сборки в ядерном реакторе? Есть мнение, что пока вы довезете топливные сборки до места применения, они уже превратятся в тыкву. А на Уране урана нет (каламбурчик).
                                Ну и есть легкие сомнения насчет работоспособности самой идеи использования ТфЯРД. На входе у вас — водород со скоростью 12 км/сек, на выходе скорость должна стать еще выше (чтобы разогнать аппарат и компенсировать торможение). Вы уверены, что двигатель сможет работать на таких скоростях? И что топливные элементы не унесет ветром в выхлопную дюзу? :)
                                  0
                                  в конце статьи указанно что аппарат не будет покидать окрестности планеты, он все время будет работать в атмосфере до полного исчерпания своего ресурса, он не будет простаивать 32 года полетного времени потому что вообще не будет никуда летать кроме атмосферы Уран.

                                  аппарат будет работать на уране-235 или уране-233 или плутонии. советский ТфЯРД 0410 был гарантирован на 1 (один) час работы хотя на испытаниях отрабатывал и 4 (четыре). очень вероятно что после каждого рейса реактор нужно будет перезаряжать а отработанное топливо подвергать переработке.

                                  Вы уверены, что двигатель сможет работать на таких скоростях?
                                  нет.
                                    0

                                    Да, на такой скорости будет радиационная абляция конструкции. Практически любой материал будет таять со скоростью сантиметров в секунду

                                      0
                                      а почему тогда не тают со скоростью сантиметры в секунды тепловые экраны пилотируемых космических аппаратов приземляющихся на землю? а один всемирно известный американский ракетостроитель вообще предполагает использовать многоразовые керамические плитки которые по его заявлениям не будут изнашиваться даже при вхождении в атмосферу земли на второй космической которая как можно заметить лишь немногим меньше той скорости которая вычисленная мной для КА упомянутого в статье?
                                        +1

                                        Потому что тепловые щиты как раз таки тают, причём даже при меньших скоростях. В этом их задача — отвести как можно больше энергии абляцией. И поэтому их делают из углерода — он кипит только при 4000К. Но одно дело — вход в атмосферу за минуты, другое дело — двигаться в атмосфере на такой скорости долгое время.

                                          –2
                                          то есть построить летательный аппарат тяжелей воздуха не возможно?
                                    +2

                                    Водород таскать откуда угодно крайне непрактично.


                                    Очень низкая плотность, очень легко испаряется.


                                    Возить лучше воду из которой на месте уже получать водород и кислород.


                                    Или возить метан-этан, если кислород у нас уже есть.

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое