Фантастическая инженерия

[vitus_wagner]

Задачка первая:

Допустим, у нас есть космический корабль с термоядерным источником энергии. Импульс создается выбросом разогнанной магнитным полем плазмы. В принципе, разбавляя плазму инертным рабочим телом (хоть водой или забортным воздухом при старте с атмосферной планеты) можно в очень больших пределах варьировать тягу. Пустил рабочего тела побольше, получилась большая тяга при малой скорости истечения. Можно взлетать с сильно гравитирующего тела. Пустил поменьше, да разогнал магнитным полем посильнее, получается долго работающий двигатель малой тяги с высоким удельным импульсом. Для межпланетных перелетов.

Проблема в том, как преобразовать энергию высокотемпературной плазмы в реакторе в электричество, которое необходимо во-первых, для катушек, эту плазму удерживающих, во-вторых для магнитной системы разгона. Ну и на всякие бытовые цели тоже.

Будь у нас морской корабль, у которого за бортом целый океан холодной воды, можно было бы отбирать плазму из реактора понемногу, греть ей ту же самую воду во втором контуре, и пускать в паровую турбину. Но турбине (как и любой тепловой машине) нужен холодильник.

А в космосе энергию можно только рассеивать в окружающий вакуум в виде теплового излучения. По закону Стефана-Больцмана E=σ T⁴. То есть эффективно рассеивать можно только при температурах порядка 1000К. А там цикл Карно. КПД пропорционален КПД=(T_н-T_х)/T_х. Следовательно хотелось бы иметь абсолютную температуру на входе в тепловую машину раза хотя бы в два больше температуры холодильника.
Казалось бы никаких проблем. У нас же плазма со звездными температурами. А вот хрен. Из каких конструкционных материалов турбину-то делать, чтобы она при такой температуре имела достаточный для межпланетных полетов ресурс?

С МГД-генератором проблема та же самая, разве что чуточку попроще.

Хм, а не окажутся ли оптимальным способом преобразования энергии плазмы в электричество фотоэлементы? (правда, нужны весьма термостойкие фотоэлементы). Но вот на контуре их охлаждения и правда можно турбину поставить.

Задачка вторая

Согласно принципам гиперпространственной навигации изложенным в одном из предыдущих постов на эту тему для гиперпрыжка надо достаточно близко приблизиться к звезде. Что вызывает проблемы с нагреванием излучением обитаемых отсеков корабля.

Интересно было бы посчитать эффективность защиты корабля от нагрева внешним источником излучения, состоящую из нескольких зкранов (не важно, зеркальных или матовых) с высоким альбедо.
Допустим, альбедо экрана 0.9. 90% энергии он отразит. Из оставшихся 10, 5 переизлучит наружу, и только 5 - внутрь. А там - второй экран, который 90% из этих 5 (4.5 исходного потока) отразит обратно на первый, (который с внутренней стороны может иметь более другое альбедо), еше 0.25% переизлучит туда же, и только 0.25% переизлучит внутрь. А там - либо третий экран, либо уже собственно корабль.

Соответственно, вопрос в том, до какой температуры будет нагреваться (и, соответственно, из какого материала должен делаться) первый экран где-нибудь в полумиллионе километров от поверхности звезды типа Солнца, и сколько экранов нужно, для того, чтобы без особых проблем на этом расстоянии обеспечить комфортные условия в корабле, исходя из реального альбеда полированного (или, наоборот - матового) листа достаточно тугоплавкого металла, возможно, покрытого какой-нибудь не менее тугоплавкой краской, Заметим, что сбрасывать тепло, вырабатываемое в самом корабле в процессе его жизнедеятельности, излучением - никаких проблем. Почти вся "наружная" полусфера, обращенная в сторону от Солнца может быть не закрыта экранами. Почему почти? Потому что Солнце на таком расстоянии - объект весьма заметных размеров.

Comments

[kouzdra.livejournal.com]

При наличии плазмы со звездными температурами, вполне возможно оптимально греть ей рабочее тело непосредственно и не выпендриваться. Для газофазного ЯРД вроде считаются реальными температуры до 25 000 К и импульсы до 5000 - для бодрой межпланетной навигации достаточно с запасом.

Причем в отличие от электрореактивных двигателей проблема одна - как работать с этими температурами не в теории (там все красиво), а на практике.

[vitus_wagner]

Этот вариант рассматривается как режим большой тяги. Но все равно нужно мно-о-ого электроэнергии просто для удержания плазмы в реакторе. А в режиме малой тяги можно дополнительно разгонять выбрасываемую плазму.

Опять же, если у нас температура в сопле 25000К, то сопло придется катушками оснащать. Потому что ни один конструкционный материал такого не выдержит.

Ответ на задачу #1

[alll]

http://www.google.ru/search?q=%D2%E5%F0%EC%EE%FD%EC%E8%F1%F1%E8%EE%ED%ED%FB%E5+%F0%E5%E0%EA%F2%EE%F0%FB-%EF%F0%E5%EE%E1%F0%E0%E7%EE%E2%E0%F2%E5%EB%E8

Re: Ответ на задачу #1

[blacklion.livejournal.com]

Your search - Òåðìîýìèññèîííûå ðåàêòîðû-ïðåîáðàçîâàòåëè - did not match any documents.

:)

Re: Ответ на задачу #1

[vitus_wagner]

Ну, термоэмиссионный преобразователь при твердофазном реакторе деления работает в СИЛьНО других условиях, чем устройство преобразования энергии при термоядерном реакторе.

Re: Ответ на задачу #1

[kouzdra.livejournal.com]

Скорее уж это:
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/1993/CR-191023.pdf

[aceler.livejournal.com]

1. А зачем катушка? Плазма в реакторе и без того под давлением — вот пусть и выбрасывается сама.

2. По инженерному поверью, надо бы запас прочности добавить :)

[alll]

1. Чтобы выбрасывалась в нужную сторону, однако. Матерьялов для удержания вещества при таком сочетании давления и температуры, которые требуются для канонической реакции синтеза ядер, вроде пока не придумали.

[frotmnenogi.livejournal.com]

так давно никто не летает... [ это же ЖЖ? :) ] эффект Доплера - просветит не помогут и метровые слои свинца, магнитный тормозной эффект - изменит вектор вхождения объекта на пенпедикуляр очень скоро - будь там хоть сколько нибудь магнитящегося материала - или разорвет на части. Перегрузки в сотни-ж (мИллиарды) тоже не принесут радости.

Отдельно о гравитационной составляющей - необходимой для "выныривания" из под-подпространства. Допустим, он совпал - и вокруг одного из объектов он постоянен на некотором удалении: где должен появиться объект? Не размажется ли он равномерно по всему пространству?

И потом, как тормозить объект разогнанный до четвертой космической без столкновения с чем-то твердым не ожидающим апокалипсиса?

[vitus_wagner]

Вы про что-то явно не про то. Описанный в посте по ссылке способ полета через подпространство никак не соприкасается с эффектами Допплера и четвертыми космическими скоростями. Поскольку то и другое - это свойства трехмерного пространства Эйнштейна-Минковского, а межзвездный перелет происходит за пределами оного.

[zhiva]

Да, надо какой нибудь wormhole drive изобретать =)

[gegmopo4.livejournal.com]

Рассеиваемая мощность пропорциональна не только четвёртой степени температуры, а и площади. А в открытом космосе места хватает.

[vitus_wagner]

Так холодильник имеет массу, и еще нужно чем-то тепло подавать. Опять же позаботиться о том, чтобы излучение близкой звезды не сделало ис холодильника кипятильник.

дизель

[freedom_of_sea.livejournal.com]

отработанная в поршневом движке плазма выбрасывается наружу что снимает проблемы с ее охлаждением

плазмы не напасешься.

[neo-der-tall.livejournal.com]

лететь долго надо

Re: дизель

[vitus_wagner]

А из чего поршни делать будем?

щиты и их теплоемкость

[neo-der-tall.livejournal.com]

Про первый вопрос не скажу. Сложно. Но полазив по ссылкам на которые alll навел (http://vitus-wagner.livejournal.com/408520.html?thread=15216328#t15216328), понял что "все уже украдено до нас" (с) - надо рыться и читать.


А вот с экранами - бяка. Они будут быстро нагреваться и.. переизлучение внутрь будет расти как T^4. И все - толку с них ноль. Так что, только затариваться "выгорающими" одноразовыми.

Re: щиты и их теплоемкость

[vitus_wagner]

Толку там ни разу не ноль. Потому что нагреваться они конечно, будут. При какой-то температуре будет достигнуто равновесие между поступающей энергией и излучаемой. Причем, исходя из того что температура поверхности Солнца всего 6000°C, эта температура будет, скорее всего, ниже температуры плавления вольфрама.

Равновесная температура второго экрана будет заметно ниже, третьего - еще ниже.

[permea-kra.livejournal.com]

1.1) Импульс создаётся выбросом продуктов ТЯ-реакции, при тамошних температурах за глаза. В режиме большой тяги в выхлоп подмешиваем холодной плазмы.
1.2)Электричество на катушки необходимо в количествах ноль целых хрен десятых. Сверхпроводники-с. Уже давно. Вот на их охлаждение что-то нужно, но не то чтоб очень много
1.3)Там что-то специальное делали, с высоким КПД (>0.9)

ссыль http://balancer.ru/forum/punbb/viewforum.php?id=5&p=4
Там ещё более подробный топик был, но с ходу не нашёл.

[mykolal.livejournal.com]

я немного не в теме
а почему нельзя свет не отражать, а проводить на другую сторону корабля и там излучать в пространство? что-то типа световода: один конец со стороны звезды, другой в космос смотрит.

[vitus_wagner]

Потому что это то же самое, вид сбоку. Световод работает на принципе многократных отражений.

[ilya-portnov.livejournal.com]

По поводу получения искричества. А ведь плазма в реакторе/двигателе - это поток заряженных частиц. Значит, у неё есть ЭМ-поле. Нельзя ли непосредственно его использовать для получения электричества?

[vitus_wagner]

Данная конструкция называется МГД-генератор. Для того, чтобы он работал, требуется эту плазму разогнать до высокой скорости. Подумайте, за счет чего мы её разгонять будем?

[potan.livejournal.com]

Горячая плазма расширяясь в магнитном поле сама создает сильные магнитные поля. Изменения магнитного поля легко конвертируются в электроэнергию.
Фактически это тоже тепловая машина - нагревателем служит плазма, а холодильником - сам корабль (точнее - система отбора электроэнергии их котушки индуктивности). Разница температур огромная, по этому КПД получается высокий и тепла, которое надо рассеять, получается не много.

[vitus_wagner]

Тепла которое надо рассеять, будет довольно много, потому что эта машина ну никак не сможет охладить газ ниже температуры ионизации.

[sezam_lj.livejournal.com]

По первому вопросу не могу ничего сказать, по второму можно посчитать кое-что.
Для плоской пластины, у которой одна сторона отражающая и направлена на источник излучения, а вторая - чёрная и направлена в вакуум, равновесная температура составит T1 = (E*(1-p1)/sigma)^(1/4) кельвинов, где E - поток излучения, p1-коэффициент отражения зеркальной стороны, sigma - постоянная Стефана-Больцмана. Если экстраполировать солнечную постоянную (1370 Вт/м^2) до дистанции 0,5 млн. км, то она будет составлять примерно 1370 * 300^2 = 1.23*10^8 Вт/м^2. При коэффициенте отражения зеркальной стороны p=0,95 пластина нагреется до 3230 К. Температура второго щита будет описываться формулой T2 = T1*((1-p2)*k)^(1/4), где k - геометрический коэффициент, учитывающий, что не всё излучение тёмной стороны первого щита попадает на второй. При p2=0,95 и k=0,8 T2 = 0.45*T1 = 1140 K. Тепловой баланс третьего и четвёртого щита аналогичен второму, при тех же k и p они будут иметь температуру соответственно 650 и 292 К.
Важное дополнение: по условиям расчёта излучение не должно возвращаться обратно на предыдущие щиты, так что поверхность всех щитов должна быть зеркальной (кроме первого - он может отражать диффузно), а располагаться они должны как-то так:

(http://www.radikal.ru)

[vitus_wagner]

Cпасибо. То есть четырех щитов (достаточно неудобной геометрии) достаточно.

[kouzdra.livejournal.com]

Я тут по поводу текста pargentum про ТЯРД немножко подумал: там ситуация imho другая:

1) термоядерная реакция возможна только в магнитной ловушке - стало быть управлять потоками плазмы мы умеем

2) продуктом реакции является поток ядер, обладающих большой энергией - а следовательно и скоростью

3) соответственно - этот поток можно использовать как рабочее тело, управляя им магнитным полем - энергии там порядка 2-3 MeV на протон - вполне реально

4) электрическую энергию для питания реактора можно получать притормаживая выхлоп электромагнитным полем - там импульсы в районе миллиона секунд - явно больше, чем надо для обычных перелетов

То есть как раз проблем намного меньше, чем с ядерными двигателями

[http://users.livejournal.com/_hellmaus_/]

10-20% энергии этой плазмы, если она в магнитном поле, будет уходить путем синхротронного излучения в основном в сантиметровых радиоволнах. Ставим металиическую сетку, диоды в часть ячеек и вуаля! Есть электричество! Еще плазма будет светить рентгеном (уже чисто тепловое излучение). Подбирая расстояние от плазмы до вольфрамового листа, получаем любую желаемую температуру этого листа.