Схема двигателя космического корабля
Звездолет и его конструкция.
Параметры двигателей звездолета.
Большинство из вас не верит в межзвездные полеты. Хотя бы потому, что для подьема средней ракеты на орбиту нужно 75 тонн топлива. Придется развенчать эти ваши предрассудки, потому что корабль, который я предлагаю поднять на орбиту и запустить к ближайшей звезде от Солнца, будет весить минимум 450 тонн. Это на порядок выше того, что вы посылаете сейчас. И на два порядка улучшен дизайн и внутреннее устройство корабля.
Энергетическая основа корабля – это мини-АЭС размером с небольшую комнату. Достаточно защищенная, чтобы можно было жить поблизости. Мощностью 25 МВатт/час
Также аккумулятор энергии космического масштаба, или плазменный двигатель, питаемый от АЭС. Вдобавок для устранения перегрузок в энергии несколько элекролитических батарей для питания самых необходимых служб корабля. И я вам докажу, что этого достаточно. Кстати, Мини-АЭС или ядерный реактор питает(нагревает) плазменный двигатель, с плазменного двигателя прибором МГД(магнитный гидро-динамический генератор)( http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80)
энергия снимается и отправляется прямо на питание турбин и дюз корабля. А именно – на разгон и торможение во время полета. Нагретая плазменная установка способна давать миллиарды киловатт энергии в час. Это больше, чем дают 10 земных электростанций, вот вам и выход из тупикового энергокризиса космонавтики. А подьем с Земли осуществляется не путем выброса топлива, а системой турбореактивных двигателей, суммарный импульс которых легко выводит корабль на орбиту. Для подьема на орбиту топливо не используется.
Чтобы не быть голословным, опишу параметры двигателей. Корабля и параметры Энергетики корабля.
Дюзы(реактивные турбины) для подьема корабля смело могут использоваться от самолетов МИГ-27Б, СУ-25 или, что более важно, реактивные дюзы производства Роскосмос или Боинг. Одна такая турбина имеет тягу(8тонн), значит для подьема корабля массой 450 тонн нужно (56) таких турбин. Забыл сказать, что турбины специально предназначены для корабля. И их отличительной способностью является также разворачиваться в противоположную или любую другую сторону, превращаться из прямоточных турбин в толкательные. Это вам любой инженер нарисует.
Для каждой из таких турбин нужна энергия (2 МВатт). То есть для общего взлета нужна энергия 112МВт. А мы имеем Энергию АЭС(25МВатт) и неограниченную энергию плазменного движка. Призапуске и нагревании плазменного движка мы получаем искомую энергию 112МВт. Вот и развенчались ваши мифы… Это и для всех многотонников подходит, в будущем без этого не обойтись.
Теперь получите. Энергетически перелет возможен и желателен. Теперь рассмотрим параметры межзвездного полета.
Параметры межзвездного полета.
Расстояние 4 световых года(4 парсека) – условно.
Масса корабля – 450 тонн.
Масса топлива – 200 тонн(сжиженный газ водород)
Остальная масса корабля – 250 тонн.
Высота – 40 метров.
Обшивка – мощнее чем у Шаттлов.
Рабочие детали полета :
- Разгон до световой скорости
- Разгон до 4х световых
- Полет на 4х световых
- Торможение до световой скорости
- Торможение до нуля.
По математическим подсчетам на полет до Альфа-Центавра уйдет1 год.
Ускорение корабля при этом должно равняться 7 G , для его сглаживания на корабле присутствует местная гравитация. Это во избежание физических перегрузок команды.
Местная гравитация корабля.
Было бы глупо говорить,
что корабль имеет настоящую местную гравитацию. Скорее, ее имитацию, и на это есть масса причин.
1.Люди так привыкли.
2. Так легче есть, пить и справлять нужду.
3.Так легче испытывать нагрузку для тонуса мышц.
4. Так легче иметь рабочую обстановку полета, применять обычные развлечения.
5. Так легче правильно сформировать параметры сна и отдыха для команды.
Для целей этого полета предлагаются магнитные полы с магнитным полем, и костюмаы астронавтов, включающие элементы железа и дающие полезную нагрузку. Правильно рассчитать параметры – и местная гравитация готова. Готов даже участие в испытаниях принимать.
Сложности при постройке звездолета.
Естественно. На этот Проект не предусмотрено пока специальное финансирование, его можно будет получить после соответствующей рекламной кампании по всему миру, не только в России. Желающие отзовутся, отбоя не будет. Проведение рекламной компании нужно поручить именно специалистам по космосу. Чтобы они правильно осветили Проект. Можно и мне.
Материальную базу и заводы вряд ли надо перестраивать и переделывать. Мы давно научились делать компьютеры. Шкафы-купе. Кислородные установки и жидкостно-ракетные двигатели. Теперь придется освоить все остальное плюс ионную установку выброса толкающего топлива.
Мало кому из высоких физиков или государственных лиц вообще представляется возможной идея межзвездных полетов. Таких людей надо не допускать к Проекту и держать от него подальше. Как вредных.
Параметры и службы корабля.
Поначалу надо сказать, что космические корабли должны быть удобны и приятны для нахождения в них, что обязывает оборудовать их внутренности пластиком, шумоизоляцией, вентиляцией с поддержанием уровня кислорода, система поддержания давления в отсеках, шкафами-купе и гармонично выписанными рабочими местами, за которыми пилоты будут чувствовать себя комфортно. Естественно мп3-плеерами, дисковыми или другими плеерами по вкусу.
Далее на корабле должны быть все необходимые службы для проживания, то есть спортзал, медпункт, актовый зал, баня, сауна, химчистка и стирка, кухня и склады провианта, склады для техинвентаря, теплицы по возможности и даже библиотека или тека дисков для просмотра и прослушки. Думаете это все много места занимает ? Отнюдь.
На корабле должен быть зал для собраний команды или актовый зал, ангар для скутеров и шаттлов, склад оборудования, артотдел для целей защиты от астероидов и разбития нужных астероидов на орбите полета, пригодится обсерватория и ,естественно, помещения для работы навигаторов, радистов, Бортовой компьютер и доступ к нему капитана, должны быть само собой двигатели и установка слежения за их работой, машинное отделение и комфортные ме c та для работы в нем. Думаете, очень много места занимает ? Зависит от целей полета.
Обеспечение электропитания. Должна быть установка питания и резервное питание, ну в общем, полный компот. Баня, сауна, прачечная, теплицы, даже зимний сад.
Корпус должен быть герметичен, крепок, иметь обтекаемую и аэродинамическую форму, возможности для маневрирования в полета.
Дополнительные данные о корабле.
Лептонные теплицы . Система жизнеобеспечения корабля.
Этим для нас занимается целый институт, их технологии по выращиванию космических растений и обеспечению пространства кислородом – здесь.
A Здесь о МИНИ –АЭС.
Это тоже все достигнуто.
Двигатель, способный легко доставить корабль массой 200-500 тонн к ближайшим звездам, это конечно не двигатель внутреннего сгорания. Такие в это время уже не используются. Двигатель само собой имеет питание(топливо) выходную массу енергии (отдачу, в киловаттах, амперах, вольтах или % к мощности предыдущих «аналогов»)
Как ни крути на данном современном этапе более всего подходит ядерное топливо. Запаса сырья одного такого двигателя в пределах комнаты хватает на 7-8 лет(иногда на 20 лет), двигатель может снабжать микрорайон, крупный завод, поселок, космический корабль… МИНИ-АЭС сейчас выпускают Россия, Япония, США. Описание смотрите в других статьях.
Функцию электробатарей или конденсаторов для плазменного двигателя выполняет именно ядерный.
Двигатель должен давать выходную мощность(сейчас мощность МИНИ-АЭС от 200Киловатт/час до 25 Мегаватт/час) Вторая цифра вполне подходит.
Где достать МИНИ-АЭС для космического корабля.
Выбор большой США, Россия, Япония.. Пройдемся по всем производителям, посмотрим, что они имеют.
В ближайшие 5 лет США начнут выпускать миниатюрные атомные электростанции, обеспечивающие электричеством около 20 000 домов. Миниатюрные атомные реакторы будут «монолитны» (их невозможно будет разобрать на составные компоненты), в них будет использоваться радиоактивное топливо, которое невозможно будет задействовать для изготовления ядерного оружия. В дополнении к этому они будут заключены в прочный корпус и закопаны в землю непосредственно возле энергопотребителя. Размеры мини-реактора будут составлять только несколько метров, что сделает возможным их транспортировку на грузовом автомобиле. Заправляться топливом мини-АЭС будут раз в 7-10 лет. Срок безопасной эксплуатации — 50 лет. Разработчики мини-АЭС преследуют цель снизить стоимость электроэнергии до 10 центов за 1 ватт.
Американская правительственная лаборатория, занимающаяся разработкой и производством мини АЭС, уже получила 10 заказов. В числе заказчиков в основном значатся энергетические компании. В ближайшее время, по заявлениям сотрудников этой лаборатории, в числе заказчиков появятся некоторые развивающиеся страны. Безусловно, разработка мини-АЭС преследует и политические цели. Тот, кто владеет ресурсами и энергией, тот правит миром.
Японцы пытаются опередить США в разработке мини-АЭС. В частности корпорация Toshiba анонсировала микро-реактор на 200 киловатт, разработанный с целью обеспечения электроэнергией небольшого количества домов, в течение длительного промежутка времени. Опытная японская мини-АЭС способна обеспечить одно здание электроэнергией на 40 лет.
Японские специалисты в настоящее время разрабатывают по правительственному заказу миниатюрный ядерный реактор, который в перспективе может быть использовать для электроснабжения жилых домов и даже колоний на других планетах. И если вторая сфера применения остается скорее фантастикой, то мини-АЭС в подвале многоэтажного дома может стать реальностью уже достаточно скоро.
Разрабатываемый реактор Rapid-L при высоте 6 м и ширине 2 м, способен вырабатывать до 200 кВт электричества, чего достаточно для питания офисного небоскреба или жилого дома. По словам Мицуру Камбе (Mitsuru Kambe), возглавляющего группу исследователей в Центральном исследовательском институте электроэнергетики (CRIEPI), в будущем реакторы типа Rapid-L получат широкое распространение просто потому, что большие АЭС будет трудно построить из-за нехватки места для их размещения. Мини- реакторы также могут использоваться для компенсации пиковых нагрузок в крупных городских зонах, таких как Токийский залив.
Принцип работы Rapid-L традиционен, однако вместо углеродных стержней, используемых в больших реакторах для регулирования интенсивности распада урана, в мини-реакторе используется жидкий литий-6 — изотоп лития, лучше других поглощающий нейтроны, — сообщает «Компьютерра». Внутри реактора имеются трубки, заполненные инертным газом. Над трубками располагаются емкости с литием-6. При повышении температуры металл расширяется и спускается вниз по трубкам, поглощая нейтроны и замедляя реакцию. То есть, литий-6 действует как «жидкий стержень», естественно, что в этом случае нужда в сложном механическом приводе для спуска и подъема твердых стержней отпадает. Рабочая температура Rapid-L составляет 530°С, а охлаждение осуществляется жидким натрием. Реактор, по утверждению разработчиков, полностью безопасен, однако убедить жителей «ядерного» дома в безопасности реактора в подвале будет не так-то просто.
Журнал «Все о Космосе»
Какие бывают двигатели у космических аппаратов и в чем их сильные и слабые стороны
Двигатель — едва ли не самое важное в космическом аппарате. Без возможности активно маневрировать, набирать скорость и тормозить нельзя выбраться дальше околоземной орбиты, да и на орбите приходится бороться с различными уводящими аппарат в сторону эффектами. За прошедшие с момента запуска первого спутника почти шестьдесят лет технологии заметно шагнули вперед, и одними ракетами все давно не ограничивается.
Ракетный двигатель
Принцип работы ракетного двигателя известен нам как минимум с 30-х годов прошлого века, а как максимум — со времен Древнего Китая. Конечно, бамбуковые ракеты, движимые энергией горения черного пороха, для космоса непригодны, но вот уже двигатели американца Роберта Годдарда (1926 год), россиянина Фридриха Цандера (СССР, рубеж 1920-х и 1930-х годов) или немца Германа Оберта (1930 год) работали на паре «жидкое топливо + окислитель» и уже имели узлы, без которых не обходится любой современный ракетный двигатель.
Ракетный двигатель создает тягу при сжигании топлива: в соответствии с законом сохранения импульса движимый им аппарат приобретает импульс, равный импульсу выходящих в сопло продуктов сгорания. Отсюда можно определить рецепт увеличения тяги: сжигать больше топлива или добиться более высокой скорости реактивной.
Установленный в двигателе турбонасосный агрегат раскручивает лопасти насосов при помощи жаростойкой газовой турбины, а насосы закачивают топливо и окислитель в камеру сгорания. Большой поток топлива и окислителя приводит к интенсивному сгоранию и выбросу мощной струи раскаленных газов. Теоретически при сжигании керосина в кислороде можно получить температуру до 3500 °С и добиться истечения струи со скоростью около трех километров в секунду — практические результаты сейчас близки к теории. Пары водород-кислород или гидразин — тетраоксид азота, два других часто используемых сочетания, дают сопоставимые значения, и это объясняет как достоинства, так и недостатки традиционных ракет.
Ракетный двигатель RS-68, работающий на паре водород-кислород во время испытаний. Обратите внимание на сложную конструкцию над соплом. Стоимость больших ракетных двигателей доходит до $ 10 млн
Достоинством этого двигателя является его мощность, достигаемая сжиганием огромного объема топлива, ограниченная только размерами камеры сгорания. На американском «Сатурне-V» стояли двигатели F1, которые сжигали в единственной камере свыше полутора тонн кислорода и почти тонну керосина ежесекундно. Такое потребление давало тягу более 700 тонна-сил, а пять F1 с успехом доставляли ракету к Луне. Созданные позже советские РД-170 уступали по объему камеры сгорания, но зато камер было сразу четыре — их планировали использовать на сверхтяжелой ракете «Энергия» (носитель «Бурана»), которая могла бы вывести в космос до ста тонн полезной нагрузки.
По сей день начальный этап любого космического полета, хоть на геостационарную орбиту, хоть к Плутону, совершается при помощи ракетных двигателей: ни один другой даже близко не приближается к требуемым для развития космической скорости. Но где достоинства, там и недостатки
Небольшой ракетный двигатель — советский КДУ-414. Его длина составляет всего 70 сантиметров и он дает тягу около 200 килограммов; использовался с середины 1960-х годов для коррекции орбиты космических аппаратов
Экстремальные условия в камере сгорания приводят к тому, что даже многочисленные инженерные хитрости вроде охлаждения стенок подаваемым топливом или отсекания от них основной горячей струи более «холодной» струей от турбонасоса не позволяют добиться сколько-нибудь продолжительной работы в сочетании с высокой надежностью. А внедрение в сплавы жаростойких добавок вплоть до металлов платиновой группы все равно не гарантирует успеха запуска ракеты: доля аварий у всех основных производителей в мире колеблется в районе нескольких процентов. Представьте, какова была бы авиация, если бы даже каждый сотый рейс заканчивался взрывом или падением самолета!
Изготовленные уже не для старта с Земли, а для полета в безвоздушном пространстве ракетные двигатели имеют не столь экстремальные параметры, но все равно регулярно подводят. Российские разгонные блоки ДМ и «Фрегат», например, имеют долю отказов в районе от одного до трех процентов. Последняя авария произошла в 2014 году, когда «Фрегат» вывел на нецелевую орбиту два спутника европейской навигационной системы Galileo. Хотя нельзя сказать, что российские блоки как-то особо ненадежны: американский Centaur отказывал больше десятка раз на двести с лишним запусков.
Статистическая оговорка: как можно заметить, многие числа нами указываются приблизительно. Это обусловлено тем, что говорить о точных значениях зачастую нельзя. Скажем, разгонные блоки многих семейств производятся с 1960-х годов с целым рядом модификаций, и обобщать статистику запусков за все время затруднительно. Тяга двигателя немного зависит от атмосферного давления, а температура сгорания топлива — от его состава и режима работы двигателя.
Ракетные двигатели крайне неэкономичны. Их КПД уступает паровозному: мы вынуждены тратить гигантские запасы горючего с окислителем для достижения цели. Хуже того, наши затраты нелинейно растут с увеличением дельта-V, той скорости, которую должен приобрести наш космический аппарат для достижения цели. Чтобы попасть к Луне и вернуться, потребовался уже упоминавшийся «Сатурн-V»; полет же к звездам или хотя бы к Облаку Оорта за разумное время потребует ракет, габариты которых выходят как за пределы возможностей современных технологий, так и за рамки здравого смысла.
Ионы и плазма
Если снова обратиться к закону сохранения импульса, то становится ясно: чем быстрее покидает двигатель струя вещества, тем он эффективнее. Получить скорость струи свыше нескольких километров в секунду сжиганием чего-либо невозможно, однако двигатели, работающие на частицах со скоростью в десятки км/с, уже существуют. Они — ионные.
Суть ионного двигателя заключается в том, что сначала газ превращается в плазму, смесь положительно заряженных ионов с электронами. Далее заряженные частицы разгоняются электромагнитным полем и выбрасываются наружу — таким образом удается разом обойтись без экстремальных условий внутри двигателя и превзойти скорость истечения продуктов даже самых «жестких» химических реакций вроде сжигания лития в атмосфере фтора.
Правда, назвать ионные двигатели идеальными тоже нельзя. При более-менее достижимой на сегодня электрической мощности — а это, как правило, не более киловатта — их тяга не превышает считанных граммов. Двестикиловаттный VASIMIR, который одно время планировали поставить на МКС, выдавал на испытаниях в вакуумной камере около пяти ньютонов тяги — этого было бы достаточно для отрывания от Земли груза в полкилограмма. Даже в предположении, что ионному двигателю не мешает работать атмосфера, поднять с космодрома хотя бы свой собственный вес такое устройство не сможет.
Испытания одного из первых плазменных двигателей состоялись уже в 1961 году. Ионные двигатели впервые полетели в космос в 1964-м, а сегодня ионные и плазменные установки ставятся на многие спутники для удержания на заданной орбите.
Но в дальнем космосе этого и не требуется. Там важна экономичность и надежность — то, чем как раз отличаются ионные двигатели. Многие из них способны буквально годами работать бесперебойно, а в пересчете на килограмм потраченного рабочего тела (говорить «топливо» уже не очень корректно, ведь ничего не сжигается) они дают намного больший результат. Аппараты на ионных двигателях поначалу отстают от взявших быстрый старт ракетных аналогов, но ракетного топлива хватает от силы на несколько часов, а ионный «мотор» растягивает запас инертного газа в баке на годы. Медленно, буквально по миллиметру в секунду, прибавляя скорость, «черепаха» на ионной тяге сначала догоняет, а потом и перегоняет ракетного «зайца» с опустевшими баками.
Аппарат «Рассвет», летавший к Весте и Церере, японская миссия «Хаябуса» по доставке на Землю образца астероидного грунта, российские двигатели для геостационарных спутников — все это далеко не полный перечень ионных и плазменных установок в космосе. Плазменные представляют собой вариант ионных: в них ионизированный газ ускоряется не при помощи электродов, а выходит наружу с большой скоростью после разогрева тем или иным способом.
Существуют проекты мощных ионных или плазменных двигателей с электропитанием от большого массива солнечных батарей или ядерного реактора. Возможно, уже в ближайшие десятки лет мы получим установки, способные в разы сократить сроки перелетов между планетами. Разработка двигательной установки с ядерным реактором ведется в России силами предприятий Росатома и, по сообщениям осени 2016 года, может быть готова к испытаниям уже к концу 2018 года. Подобным же проектом занимаются и в Китае.
А еще есть проекты плазменных двигателей, которые будут использовать в качестве рабочего тела водяной пар. Воду можно получать, используя астероиды или лунный грунт. Это разом решит проблему и дозаправки вдали от Земли, и дороговизны выведения на орбиту. Упомянутые выше ограничения ракетных двигателей ведут к тому, что сегодня килограмм груза даже на самой низкой орбите стоит тысячи долларов, а доставка на геостационарную орбиту сопоставима по цене с изготовлением такого же по массе спутника из чистого золота!
Паруса
Идеальный двигатель должен по возможности весить как можно меньше, иметь нулевой расход топлива и полное отсутствие частей, которые могут сломаться во время работы. И подобные устройства существуют. Речь о парусах, призванных либо поймать поток заряженных частиц от Солнца, либо потянуть космический аппарат вперед под давлением света. В первом случае парус предполагается делать из тонких проволочек, создающих вокруг себя электрическое поле, а во втором случае сгодится любой легкий и блестящий материал вроде металлизированного пластика.
Солнечный парус в испытательной камере на Земле.
Примечательно, что концепция солнечного паруса если не опередила появление жидкостного ракетного двигателя, то возникла примерно тогда же. В 1900 году Петр Лебедев впервые исследовал эффект давления солнечного света, а в 1920-х идея использовать это явление для движения космических аппаратов была озвучена Фридрихом Цандером. Тем самым, который разработал советский жидкостный ракетный двигатель.
На практике «солнечным парусником» стал японский аппарат IKAROS в 2010 году, за ним последовал собранный американским «Планетарным сообществом» зонд Light Sail-1. Два других экспериментальных спутника, Cosmos-1 и NanoSail-D, пытались запустить в 2005 и 2008 годах, но оба раза подвели ракеты — один раз российская «Волна», а во второй — уже Falcon 1 Илона Маска.
Кроме того, эффект давления света использовал вполне обычный межпланетный зонд MESSENGER, летевший к Меркурию. Для корректировки его курса инженеры предпочли использовать отражение солнечных лучей от блестящей поверхности солнечных батарей аппарата. Тяга в итоге получалась очень маленькой, но зато ей можно было очень точно управлять, для маневрирования не требовалось топлива и сберегался ресурс ракетных двигателей.
Отдельно стоит упомянуть и т.н. электрический парус: его толкает вперед взаимодействие электрического поля тонких проволочек с летящими от Солнца заряженными частицами. И первенство в этой области принадлежит не одной из признанных космических держав, а Эстонии: собранный в Университете Тарту ESTCube-1 вышел на орбиту в 2013 году и проработал два года. Правда об успехе эстонцев надо упоминать «со звездочкой»: раскрыть электрический парус им не удалось. Но сейчас эстонские инженеры работают над следующим аппаратом, ESTCube-2. Может, все-таки успеют стать по-настоящему первыми.
Электрические паруса менее эффективны в сравнении с солнечными, однако они требуют куда меньше материала (тонкие проволоки вместо сплошной пленки). Легкие и компактные, они подходят для долговременных миссий — например, есть проект «электрического парусника» к Урану. Он сможет достичь этого ледяного гиганта всего за шесть лет. Для сравнения: «Вояджер-2» потратил девять лет, и при этом расположение планет было на редкость удачным.