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.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2009-11-01 02:42 pm (UTC)no subject
Date: 2009-11-01 02:51 pm (UTC)no subject
Date: 2009-11-01 03:01 pm (UTC)Вопрос с холодильником надо всё равно решать, да, иначе весь корабль нагреется до температуры реактора, но тут просто оперение, излучение, КМК — достаточно.
no subject
Date: 2009-11-01 03:37 pm (UTC)Вы сказали, не я.
> будет дуть туда, где дырка
дырка в чём? ;)
no subject
Date: 2009-11-01 03:49 pm (UTC)Это идея Витуса вообще. Но я-то предлагаю газ использовать. Кстати, в качестве холодильникак как вариант. Брать с собой много газа, нагретый выкидывать...
> дырка в чём? ;)
В сосуде! :) Если у нас таки не плазма, а рабочее тело aka газ в баллоне, то в одной стороны баллон открываем. Баллон летит в другую сторону, вот наш гешефт.
Правда расход газа будет ого-го, но в изначальном варианте там вообще плазма улетала.
no subject
Date: 2009-11-01 04:16 pm (UTC)Замечательно! Из чего будем делать сосуд, который должен удержать от разлетания субстанцию температурой в миллионы градусов при заметно отличном от нуля давлении? ;)
no subject
Date: 2009-11-01 08:08 pm (UTC)Даю схему, для ясности, ещё раз. Есть реактор. Есть куча баллонов с рабочим газом. Температура баллонов заранее низкая, охлаждённая атмосферой при изначальном старте и излучением с рёбер охлаждения.
Реактор разогревает газ (путём излечения энергии в теплообменник), до высоких, не не запредельных температур. Газ, во-первых, отбирает тепло у реактора, а во-вторых, повышает своё давление и вылетает из специального отверстия, тем самым а) разгоняя корабль и б) вращая перед этим турбину для выработки электричества для катушек, удерживающих плазму в реакционной зоне.
Весь вопрос в том, скоко надо газа — это целиком зависит от жаростойкости и прочности теплообменника, поскольку чем они выше, тем выше давление газа и тем выше эффективность всей установки. Возможно, конечно, что с таким количеством газа, что необходимо для полёта на Сириус, вся эта хреновина просто не сумеет подняться.
no subject
Date: 2009-11-01 08:25 pm (UTC)no subject
Date: 2009-11-01 10:15 pm (UTC)Отчего-то вспомнились полёты Винни-Пуха на воздушных шариках. ;)
no subject
Date: 2009-11-01 10:10 pm (UTC)ну так тово-этово... процесс слияния ядер не идёт-с при других параметрах
ну и температуры рабочего тела, при которых "реактор" не разрушается, вполне достижимы без всяких термоядерных реакторов, простой химической реакцией - собственно, нынешние ракеты именно таковы, но их эффективность явно недостаточна, чтоб слетать за разумное время куда-то дальше Марса
no subject
Date: 2009-11-02 07:02 am (UTC)Затем, что количество газа, которое мы можем взять с собой - ограничено.
Нынешние химические ракетные двигатели работают на температурах, которые их конструкционные материалы выдерживают только при условии постоянного охлаждения потоком криогенного топлива или окислителя.
При этом запаса рабочего тела не хватает даже для достижения первой космической скорости. Приходится многоступенчатые конструкции городить.
Правда, в случае химической ракеты нас лимитирует не столько температура, сколько энергетика химической реакции. В случае термоядерного реактора у нас энергетика на несколько порядков выше. Поэтому хочется этим избытком энергии грамотно воспользоваться, сэкономив рабочее тело.
А это значит, что нужны заметно большие скорости истечения. Посредством традиционной ракеты, работающей на тепловом расширении нагретого рабочего тела, этих скоростей истечения можно добиться только повышая температуру.
А она и так уже на пределе возможностей конструкционных материалов.
Еще следует учесть, что резко повысив скорость истечения мы получаем возможность более продолжительной работы двигателя при том же (или даже меньшем) запасе рабочего тела, что с точки зрения межпланетной навигации крайне выгодно. Но требуется чтобы двигатель это время выдерживал.
no subject
Date: 2009-11-02 09:06 am (UTC)no subject
Date: 2009-11-02 09:09 am (UTC)no subject
Date: 2009-11-02 09:18 am (UTC)Вопрос только — как отводить тепло от термоядерного реактора, он горячий, а обычные ядерные реакторы в космос уже летали и летать будут, все проблемы там решены.