Фантастическая инженерия
Oct. 31st, 2009 11:33 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
vitus_wagnerЗадачка 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=(Tн-Tх)/Tх. 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.
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=(Tн-Tх)/Tх. 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.
no subject
Date: 2009-11-01 09:54 am (UTC)no subject
Date: 2009-11-01 10:06 am (UTC)Господи, зачем при этом менять конфигурацию ? Повернуться можно и на маховиках.
>>Во-вторых, там не несколько тесла, а на несколько порядков больше
Во всяком случае, насколько я помню, итер собирают на с-п магнитах.
>>В-третьих, катушки надо охлаждать. А их освещает плазма, нагретая до звездных температур.
Их ничего не освещает - они прикрыты немагнитным отращающим кожухом и противорадиационной защитой. А сосуды дьюара придумали ещё в прошлом веке, ага.
no subject
Date: 2009-11-01 10:26 am (UTC)OMG, ещё один борец с термодинамикой... ;)
no subject
Date: 2009-11-01 10:34 am (UTC)http://www.iter.org/mach/Pages/Magnets.aspx
no subject
Date: 2009-11-01 10:43 am (UTC)no subject
Date: 2009-11-01 11:07 am (UTC)Разница в массе такая, что туда можно совершенно спокойно впихнуть холодильную установку с запасом по мощности в два порядка и останется на радиатор (переизлучающий, ага).
Это не считая расхода на энергию
no subject
Date: 2009-11-01 11:51 am (UTC)permea_kra>> Их ничего не освещает - они прикрыты немагнитным отращающим
permea_kra>> кожухом и противорадиационной защитой. А сосуды дьюара
permea_kra>> придумали ещё в прошлом веке, ага.
...
Таки Вы определитесь - катушки "ничего не освещает" и они замечательно защищены "немагнитным отращающим кожухом" или всё же придётся "впихнуть холодильную установку". ;)
Если второе - то мы вернулись к тому месту, с которого начали. ;)
no subject
Date: 2009-11-01 01:05 pm (UTC)Катушки ничего не освещает и они защищены противорадиационным экраном. Но поток тепла через стенки дьюара ненулевой, поэтому некоторый расход хладагента всё равно будет. Но небольшой. И расходы на его поддержание вкупе с радиационной защитой по массе встанут всё равно меньше не-с.п. магнита. Потому что
1)меньше масса (на порядок минимум)
2)меньше поток снимаемого тепла (на много порядков)
no subject
Date: 2009-11-01 01:08 pm (UTC)См задачу номер 2.
no subject
Date: 2009-11-02 06:49 am (UTC)*очень терпеливо*
Сосуды дьюара придумали очень давно. Теплопоток через правильный сосуд дьюара ничтожно мал. Поэтому катушку в сосуде дьюара ничего освещать не будет.
no subject
Date: 2009-11-02 06:57 am (UTC)В соседней задаче мне тут доказывают, что система экранов неспособна защитить от излучения естественного термоядерного реактора, находящегося на расстоянии полмиллиона километров, при условии что единственный способ отвода энергии - излучение.
no subject
Date: 2009-11-02 07:00 am (UTC)Придётся. Только не сейчас.
no subject
Date: 2009-11-01 01:17 pm (UTC)Всё, что я хочу сказать: какой магнит ни возьми - он будет "освещён", абсолютных отражателей по условиям задачи нет (в противном случае конструкция двигателя была бы куда проще, см. "Страна багровых туч" Стругацких), поглощённая "отражающим кожухом" энергия будет переизлучена, в том числе и в сторону магнитов, таким образом без "холодильника" не обойтись. Да и сам "отражающий кожух" потребует охлаждения.