О кинетических прямоточных двигателях и кумуляции
Оригинал взят у newcopperbeard в О кинетических прямоточных двигателях и кумуляции
В последнее время приходится много читать об использовании гравитационной и кинетической энергии небесных тел для разгона космических аппаратов (далее КА) (см. здесь , здесь и там по ссылкам). Действительно, идея представляется крайне заманчивой, т.к. этой энергии там просто моря.
Дело в том, что существует обидная «дырка» в энергиях между химическими взаимодействиями, на которых работают двигатели современных ракет (единицы электронвольт) и ядерными (мегаэлектронвольты). Химия (горючее+окислитель) - это слишком слабо, ракета везет в основном запас топлива и окислителя, отношение массы полезной нагрузки к массе заправленного носителя ничтожно, а при необходимости достижения скоростей, сколько-нибудь превышающих первую космическую, оно падает в разы. Ядерная энергия - напротив, слишком сильно, трудноуправляемо, опасно, связано с экстремальными мощностями и сверхвысокими энергиями, выделяющимися в малом объеме, необходима мощная защита от радиации и выбросов.
А вот кинетическая энергия небесных тел (далее НТ) - то, что нужно. Она по порядку величин как раз заполняет эту нишу между химией и ядерной тягой. Дело в том, что энергия растет как квадрат скорости и куб линейных размеров объекта, так что камешек размерами вдвое больше другого камешка, летящий вдвое быстрее его, будет обладать энергией, в 32 раза большей.
Приснопамятный челябинский метеорит, довольно небольшой по астероидным масштабам, имел кинетическую энергию, эквивалентную полумегатонне тротила, которая выделилась в виде тепла, света и ударной волны. Такой энергией (в теории) можно разогнать стотонный космический корабль (такой, как «Буран») до скорости 218 км/с. Это много. До Нептуна такой корабль долетит за 8 месяцев, в отличие от «Вояджера-2», летевшего туда 12 лет. И всего-навсего 15-метровый камешек, который сравним по размеру с самим кораблем.
Затормозив Венеру всего на 1 миллиметр в секунду (ее орбитальная скорость 35 км/с), мы получим выделившуюся энергию, эквивалентную 580 мегатонн тротила (10 бомб типа «Кузькина мать»). Это позволит разогнать до 100 км/с грузов общей массой 486000 тонн.
Но эти запасы энергии находятся в, так сказать, плохо растворимом виде. Не очень понятно, например, как (обо что) тормозить планету или астероид. Гравитационным полем? В настоящее время используется такой способ разгона космических аппаратов - гравитационный маневр. alboros предлагает делать из вещества НТ пропеллентные потоки с высокой скоростью, которые направлять к Земле и использовать в камерах сгорания прямоточных кинетических двигателей. И если не рассматривать экзотические варианты вроде WARP-двигателя, искривляющего пространство за и перед планетой, и тем самым создающий тормозящую силу, то основной (и единственный) вариант получения этой самой гравитационной энергии в приемлемом виде - чем-нибудь по этой планете сильно ударить или приложить к ней в направлении, противоположном вектору орбитальной скорости, некую силу.
Но чем стукнуть об планету? Самим кораблем? Не очень удачный вариант: это примерно то же, что пытаться запустить муху на пятый этаж, со всего маху врезав по ней теннисной ракеткой или, того хуже, бейсбольной битой. Или, что более правдоподобно с точки зрения соотношения масштабов, протаранив сверхзвуковым самолетом. Понятно, муху просто расплющит или нашинкует на полоски.
Однако можно несколько исхитриться, посадив муху на теннисный мячик. Тогда у мухи появляется шанс уцелеть и оказаться на пятом этаже. Но что это (в нашем случае) должен быть за мячик? Правильно. Астероид. Тут сразу два профита: астероиды тяжелые и скоростные. И энергии при столкновении, скажем, такого астероида, как 50-метровый 2012DA14, пролетевший в прошлом году над Антарктидой, например, с той же Венерой (почему я всё про Венеру, станет яснее попозже), выделится прилично - 30-50 мегатонн.
Но как ее использовать? При столкновениях ядер комет и астероидов с НТ энергия выделяется колоссальная (при падении кометы Шумейкеров-Леви на Юпитер выделилось 6 миллионов мегатонн!) Эта энергия слишком острая, это не конфетка, а бочка кайенского перца, ее трудновато схрумкать и переварить. К тому же , но большая часть ее разлетается в пространство в виде теплового излучения.
Но нельзя ли ее сконцентрировать и перевести в более «растворимую» форму? Ну, давайте помечтаем.
Вот и про Венеру теперь поговорим. Видите ли, 96% атмосферы Венеры - углекислый газ. А где может применяться углекислый газ? …Да, вон мальчик мне подсказывает, в баллончиках для пневматики, но я не про это. А вот, скажем, сверхмощные лазеры - это уже ближе. И лазеры такие бывают не простые, а газодинамические (см. здесь и здесь). Вот примерно такое разгонное устройство и давайте представим. Это устройство, превращающее кинетическую энергию системы «метеорит-планета» в энергию лазерного луча, каковым лучом мы и разгоняем корабль, находящийся где-нибудь неподалеку.
Рисунок:
Здесь 1 - входное сопло (коллектор атмосферного газа), 2 - тело астероида, 3 - камера сгорания, в которой входящий поток взаимодействует с веществом астероида с выделением энергии, 4 - резонатор лазера, 6 - выходной луч, 6 - отработанный поток.
Недостатки системы: высокая сложность конструкции (необходимость высокоточной обработки тракта, оптический резонатор и пр.), малый КПД, короткий период действия (минуты максимум), применимость только на планетах с мощной атмосферой. В общем, решение извратное и применимое лишь как теоретическая демонстрация принципа преобразования кинетической энергии НТ во что-нибудь удобоприменимое для разгона КА. Хотя, если будут разработаны ГД-лазеры (или лучше - мазеры), способные работать при больших градиентах давлений (напр., при пролете сквозь атмосферу газового гиганта или звезды), то, возможно, овчинка и станет стоить выделки (а идею-то я уже застолбил, ха!.. Над Эдисоном тоже смеялись.)
Далее, можно создать в недрах астероида некий мини-завод по производству высокоскоростного пропеллентного потока, который затем использовать в кинетическом двигателе alboros'а. Рисунок:
1 - входное сопло-коллектор, 2 - тело астероида, 3 - система подачи вещества астероида в камеру сгорания (4), 5 - сопло Лаваля, 6 - выходной поток. Принцип прост, это "кинетический двигатель наоборот": входящий в камеру с высокой скоростью поток атмосферного газа взаимодействует с веществом астероида, в результате чего выделяется энергия, которая разгоняет продукты "сгорания" до скорости Vk >> Vm. Система работает на принципе кумуляции энергии.
И когда я произнес слово "кумуляция", на меня снизошло сатори. "Какого", - подумал я, - "ведь можно использовать принцип простейшего, известного уже лет 150, кумулятивного заряда впрямую!"
Нам и атмосфера не понадобится! Напротив, она в данном случае будет только мешать. Смотрите: принцип работы кумулятивного заряда основан на схлопывании металлической воронки детонационной волной, что приводит к выбрасыванию кумулятивной струи, скорость которой может во много раз превышать скорость фронта детонации. Скорость детонации большинства ВВ - около 5 км/с, а скорость кумулятивной струи может достигать 90 км/с.
С какой скоростью мы можем долбануть астероидом по, например, Луне? 30 км/с. Тут и взрывной заряд не понадобится: детонационная волна возникнет при ударе импактера о планету. Чувствуете, как вкусно, ннь?.. Снова картинка (извиняюсь, это был фотошоп CS5 и мышь). Картинка нарисована в системе отсчета, связанной с влетающим в поверхность планеты (коричневая) импактером (синий).
При этом "тот, кто нам мешает, тот нам поможет". Вот что имеет место в реальных кумулятивных зарядах: "Однако в процессе формирования струи разные ее части приобретают разную скорость (задние - меньшую), поэтому далеко кумулятивная струя полететь не может - она начинает растягиваться и распадаться, теряя способность к бронепробитию." (источник) Но позвольте, нам не броню надо пробивать, а использовать струю в кинетическом двигателе корабля, который висит на орбите! А длинная струя - это как раз то, что надо для работы кинетического прямоточника!
Далее - см. здесь.
Да, и вот еще: конечно же, мне тут же пришла в голову идея подобного устройства, работающего на принципе магнитной кумуляции (йыхх, я прямо его так и увидел в сверкании меди и алюминия!), вот я и ее тоже засталбливаю. Но это уже - следующим постом.
В последнее время приходится много читать об использовании гравитационной и кинетической энергии небесных тел для разгона космических аппаратов (далее КА) (см. здесь , здесь и там по ссылкам). Действительно, идея представляется крайне заманчивой, т.к. этой энергии там просто моря.
Дело в том, что существует обидная «дырка» в энергиях между химическими взаимодействиями, на которых работают двигатели современных ракет (единицы электронвольт) и ядерными (мегаэлектронвольты). Химия (горючее+окислитель) - это слишком слабо, ракета везет в основном запас топлива и окислителя, отношение массы полезной нагрузки к массе заправленного носителя ничтожно, а при необходимости достижения скоростей, сколько-нибудь превышающих первую космическую, оно падает в разы. Ядерная энергия - напротив, слишком сильно, трудноуправляемо, опасно, связано с экстремальными мощностями и сверхвысокими энергиями, выделяющимися в малом объеме, необходима мощная защита от радиации и выбросов.
А вот кинетическая энергия небесных тел (далее НТ) - то, что нужно. Она по порядку величин как раз заполняет эту нишу между химией и ядерной тягой. Дело в том, что энергия растет как квадрат скорости и куб линейных размеров объекта, так что камешек размерами вдвое больше другого камешка, летящий вдвое быстрее его, будет обладать энергией, в 32 раза большей.
Приснопамятный челябинский метеорит, довольно небольшой по астероидным масштабам, имел кинетическую энергию, эквивалентную полумегатонне тротила, которая выделилась в виде тепла, света и ударной волны. Такой энергией (в теории) можно разогнать стотонный космический корабль (такой, как «Буран») до скорости 218 км/с. Это много. До Нептуна такой корабль долетит за 8 месяцев, в отличие от «Вояджера-2», летевшего туда 12 лет. И всего-навсего 15-метровый камешек, который сравним по размеру с самим кораблем.
Затормозив Венеру всего на 1 миллиметр в секунду (ее орбитальная скорость 35 км/с), мы получим выделившуюся энергию, эквивалентную 580 мегатонн тротила (10 бомб типа «Кузькина мать»). Это позволит разогнать до 100 км/с грузов общей массой 486000 тонн.
Но эти запасы энергии находятся в, так сказать, плохо растворимом виде. Не очень понятно, например, как (обо что) тормозить планету или астероид. Гравитационным полем? В настоящее время используется такой способ разгона космических аппаратов - гравитационный маневр. alboros предлагает делать из вещества НТ пропеллентные потоки с высокой скоростью, которые направлять к Земле и использовать в камерах сгорания прямоточных кинетических двигателей. И если не рассматривать экзотические варианты вроде WARP-двигателя, искривляющего пространство за и перед планетой, и тем самым создающий тормозящую силу, то основной (и единственный) вариант получения этой самой гравитационной энергии в приемлемом виде - чем-нибудь по этой планете сильно ударить или приложить к ней в направлении, противоположном вектору орбитальной скорости, некую силу.
Но чем стукнуть об планету? Самим кораблем? Не очень удачный вариант: это примерно то же, что пытаться запустить муху на пятый этаж, со всего маху врезав по ней теннисной ракеткой или, того хуже, бейсбольной битой. Или, что более правдоподобно с точки зрения соотношения масштабов, протаранив сверхзвуковым самолетом. Понятно, муху просто расплющит или нашинкует на полоски.
Однако можно несколько исхитриться, посадив муху на теннисный мячик. Тогда у мухи появляется шанс уцелеть и оказаться на пятом этаже. Но что это (в нашем случае) должен быть за мячик? Правильно. Астероид. Тут сразу два профита: астероиды тяжелые и скоростные. И энергии при столкновении, скажем, такого астероида, как 50-метровый 2012DA14, пролетевший в прошлом году над Антарктидой, например, с той же Венерой (почему я всё про Венеру, станет яснее попозже), выделится прилично - 30-50 мегатонн.
Но как ее использовать? При столкновениях ядер комет и астероидов с НТ энергия выделяется колоссальная (при падении кометы Шумейкеров-Леви на Юпитер выделилось 6 миллионов мегатонн!) Эта энергия слишком острая, это не конфетка, а бочка кайенского перца, ее трудновато схрумкать и переварить. К тому же , но большая часть ее разлетается в пространство в виде теплового излучения.
Но нельзя ли ее сконцентрировать и перевести в более «растворимую» форму? Ну, давайте помечтаем.
Вот и про Венеру теперь поговорим. Видите ли, 96% атмосферы Венеры - углекислый газ. А где может применяться углекислый газ? …Да, вон мальчик мне подсказывает, в баллончиках для пневматики, но я не про это. А вот, скажем, сверхмощные лазеры - это уже ближе. И лазеры такие бывают не простые, а газодинамические (см. здесь и здесь). Вот примерно такое разгонное устройство и давайте представим. Это устройство, превращающее кинетическую энергию системы «метеорит-планета» в энергию лазерного луча, каковым лучом мы и разгоняем корабль, находящийся где-нибудь неподалеку.
Рисунок:
Здесь 1 - входное сопло (коллектор атмосферного газа), 2 - тело астероида, 3 - камера сгорания, в которой входящий поток взаимодействует с веществом астероида с выделением энергии, 4 - резонатор лазера, 6 - выходной луч, 6 - отработанный поток.
Недостатки системы: высокая сложность конструкции (необходимость высокоточной обработки тракта, оптический резонатор и пр.), малый КПД, короткий период действия (минуты максимум), применимость только на планетах с мощной атмосферой. В общем, решение извратное и применимое лишь как теоретическая демонстрация принципа преобразования кинетической энергии НТ во что-нибудь удобоприменимое для разгона КА. Хотя, если будут разработаны ГД-лазеры (или лучше - мазеры), способные работать при больших градиентах давлений (напр., при пролете сквозь атмосферу газового гиганта или звезды), то, возможно, овчинка и станет стоить выделки (а идею-то я уже застолбил, ха!.. Над Эдисоном тоже смеялись.)
Далее, можно создать в недрах астероида некий мини-завод по производству высокоскоростного пропеллентного потока, который затем использовать в кинетическом двигателе alboros'а. Рисунок:
1 - входное сопло-коллектор, 2 - тело астероида, 3 - система подачи вещества астероида в камеру сгорания (4), 5 - сопло Лаваля, 6 - выходной поток. Принцип прост, это "кинетический двигатель наоборот": входящий в камеру с высокой скоростью поток атмосферного газа взаимодействует с веществом астероида, в результате чего выделяется энергия, которая разгоняет продукты "сгорания" до скорости Vk >> Vm. Система работает на принципе кумуляции энергии.
И когда я произнес слово "кумуляция", на меня снизошло сатори. "Какого", - подумал я, - "ведь можно использовать принцип простейшего, известного уже лет 150, кумулятивного заряда впрямую!"
Нам и атмосфера не понадобится! Напротив, она в данном случае будет только мешать. Смотрите: принцип работы кумулятивного заряда основан на схлопывании металлической воронки детонационной волной, что приводит к выбрасыванию кумулятивной струи, скорость которой может во много раз превышать скорость фронта детонации. Скорость детонации большинства ВВ - около 5 км/с, а скорость кумулятивной струи может достигать 90 км/с.
С какой скоростью мы можем долбануть астероидом по, например, Луне? 30 км/с. Тут и взрывной заряд не понадобится: детонационная волна возникнет при ударе импактера о планету. Чувствуете, как вкусно, ннь?.. Снова картинка (извиняюсь, это был фотошоп CS5 и мышь). Картинка нарисована в системе отсчета, связанной с влетающим в поверхность планеты (коричневая) импактером (синий).
При этом "тот, кто нам мешает, тот нам поможет". Вот что имеет место в реальных кумулятивных зарядах: "Однако в процессе формирования струи разные ее части приобретают разную скорость (задние - меньшую), поэтому далеко кумулятивная струя полететь не может - она начинает растягиваться и распадаться, теряя способность к бронепробитию." (источник) Но позвольте, нам не броню надо пробивать, а использовать струю в кинетическом двигателе корабля, который висит на орбите! А длинная струя - это как раз то, что надо для работы кинетического прямоточника!
Далее - см. здесь.
Да, и вот еще: конечно же, мне тут же пришла в голову идея подобного устройства, работающего на принципе магнитной кумуляции (йыхх, я прямо его так и увидел в сверкании меди и алюминия!), вот я и ее тоже засталбливаю. Но это уже - следующим постом.