Трамвай Фаэтона

[antihydrogen]

Ничто так не стимулирует ум и не будит воображение, как просмотр телевизора, а все кто не согласен - просто зазомбированы фейсбуком. Предъявлю очередное доказательство этого тезиса.  Вот эта картинка из фильма вдохновила меня на изложенное ниже:

Если кто не понял, тут изображена висящая в воздухе железная дорога, поддерживаемая реактивными двигателями

В приложении к стационарной железной дороге эта идея конечно совершенно бессмысленна. Но вот как насчет того, чтобы временно поднять "железную дорогу" в верхние слои атмосферы, и разогнать по ней "поезд" до первой космической?

Переформулируем идею в менее паропанковском ключе: в верхние слои атмосферы можно временно поднять линию электропередач, которая может с земли обеспечивать энергией разгон летящего вдоль нее космического корабля с рогами-токоприемниками. Сделаем прикидки.

С человекотерпимым ускорением 3g космический корабль требует для разгона до 1й космической около 270 секунд и 1000 км, то есть именно такой длины нам потребуется ЛЭП.

Современный сверхпроводящий кабель длиной 1000 км, способный провести 30 ГВт, будет весить около 2.5 тысяч тонн¹⁾.  Пусть кабель поднимают питающиеся от него же (гипотетические) электротурбинные двигатели, возможности которых совпадают с возможностями турбореактивных двигателей: скорость до 3 мах, практический потолок 25 км. Разогнанный вверх до такой скорости кабель с такой высоты может взлететь по инерции до 70 км (если пренебречь сопротивлением воздуха), чего уже более-менее достаточно для того, чтобы сопротивление воздуха не мешало космическому кораблю разгоняться²⁾. Подъем 2500 тонн на высоту 70 км в сумме потребует полмиллиона киловатт*часов энергии.

Поднимать кабель вверх требуется не весь одновременно, а  с таким расчётом, чтобы каждый участок долетал до высоты 70 км непосредственно перед прибытием в эту точку "вагона". Соответственно, на заключительном этапе разгона за одну секунду на высоту 70 км должен подниматься участок кабеля длиной 8 км. Это дает нам минимально необходимую мощность - 15 гигаватт. Если считать, что электротурбодвигатели еще приблизительно столько же потратят на разгон воздуха для создания реактивной струи, получается, что кабель проводит мощность, достаточную для его собственного подъёма.

Заметим, что между окончанием вертикального разгона кабеля и достижения им рабочей высоты пройдет около ста секунд. То есть в течение последних 100 секунд разгона всю мощность, подводимую кабелем, можно тратить на разгон корабля, и из этого можно вычислить³⁾ максимально возможную массу корабля - 125 тонн. За сто секунд корабль с ускорением 3g разгонится с 5 до 8 км/с и пройдет большую часть пути (650 км). Необходимость предотвращения сильного снижения ускорения на участке разгона до 5 км/с накладывает  более суровое, но менее точное ограничение на массу корабля: тонн пятьдесят.

Да, и чтобы "вагон" тратил получаемую от кабеля энергию только на разгон, желательно передавать кабелю и (механический) импульс, так что мы опять приходим к чему то близкому если не к железной дороге, то, по крайней мере, к фуникулеру. Пятидесятитонный корабль для ускорения 3g должен тянуть кабель с силой в 150 тонн. Для того, чтобы кабель это выдержал, углеродные нанотрубки не нужны, хватит стекловолокна с сечением 5 см2.

Выглядеть аппарат будет как гибрид перевернутого фуникулера (едущего над проводом), "Шаттла" (крылышки будут полезны как во время подъёма в верхние слои атмосферы, так и на случай, если "вагон" сорвется с провода), и корабля из "Матрицы" (если кто не заметил - для замыкания цепи нужно как то избавляться от зарядов, и это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии, для чего потребуются раскаленные докрасна электроды площадью несколько квадратных метров, из которых в нижних слоях атмосферы будут бить молнии).

В сумме, электроэнергия, потраченная на запуск, обойдется приблизительно в 200 тысяч долларов. А необходимая мощность приблизительно равна вырабатываемой китайской гидроэлектростанции "Три ущелья". Основные капитальные затраты: приблизительно столько же ниобия, сколько его в Большом Адронном Коллайдере, и несколько тысяч электро-воздушно-реактивных двигателей, которых кажется не существует даже в проекте.

Примечания:
1) Al-NbTi сверхпроводящая жила, использующаяся в установке ATLAS на БАК, выдерживает ток 60 кА, напряжение можно положить 500 кВ (как у дальних воздушных ЛЭП). Площадь сечения 5 см2, плотность ниобий-титанового сплава - 6 г/см3, но ниобий-титановые нити составляют лишь небольшую часть объема жилы, так что средняя плотность практически равна плотности алюминия, и вес жилы 1000км  длины составит около 1500 тонн. Еще конечно нужна и термоизолирующая оболочка, способная уберечь от испарения жидкий гелий в течении 10 минут, вес которой мы волевым решением положили 1000 тонн. Экспериментальные образцы сверхпроводящих кабелей выдерживают и на порядок большую плотность тока, так что высчитывать все точно нет смысла.

2) На такой высоте, при разумных габаритах КК потери энергии на трение о воздух в течении разгона составят около 10 процентов, если верить ньютоновской формуле для трения.

3) Мощность необходимая для ускорения W=mva, так что при разгоне с постоянным ускорением максимальная мощность нужна в конце.

"автор строго соблюдает законы физики" (с) один клиент science_freaks

Comments

[egh0st.livejournal.com]

хороший текст.

но всё-таки.

1. идея не нова (ц) более того, есть более и продвинутая.


2. вопрос в КПД воздушных движков на большой высоте.

3. основные потери ракеты на трение на высотах порядка 10-20км. Дальше уже много легче.



встречное предложение (я не физик, считать не могу :). Взять ту же электроэнергию, без всяких гелием и суперкондукторов. Загнать её же в рейлган и рельсой так и пустить. Потери на сопротивление будут много выше, зато нету потерь на кабель и его подъём (не говоря уж о стоимости изготовления 1000км сверхпроводника).

[antihydrogen.livejournal.com]

Если стрелять на уровне моря или даже на уровне гор - при скорости 8 км/с сразу сгорит в атмосфере.

[egh0st.livejournal.com]

ойли?

а я щщитаю (но я не физик) что не сгорит.

опять же СА всякие падают, метеориты тож. Да ладно тут, и на других планетах на реальной скорости входили зонды.

падение ХС будет, конечно. ну и пулять с запасом. Пока мы не про пилотов, а просто аппараты.

тем более что долго лететь не нужно, в отличие от спускаемых аппаратов (которые гасят ВСЮ космическую скорость об атмосферу).

На высоте всего 16км давление (по стандартной атмосфере) уже около 0.1 бара. На 30км -- 0.01бар. Фактически как и у РН, главное где-нибудь за 20км выбраться. А тут лететь-то всего ничего, несколько секунд на скорости >8км/с. Единственно что еще вектор надо учитывать, т.к. полёт невертикальный.

[eldhenn]

>СА всякие падают

У них толстая очень специальная обшивка, которая обгорает. Но обгорает медленно, потому что очень специальная.

>метеориты тож

Тоже обгорают.

>на других планетах на реальной скорости входили зонды

То есть аж на двух. На Марсе не атмосфера, а смех, а на Венере наоборот, достаточно рано можно начинать использовать парашют.

[egh0st.livejournal.com]

у них абляцционая защита :)

что вам мешает поставить её же на аппарат?

далее. форму того же СА и форму ракеты (особенно для рейлгана) смотрим. различие видим? почему -- требуется объяснять?

на двух с половиной:)

[selenit (from livejournal.com)]

Титан же еще. Вроде не совсем планета, но атмосфера не хуже нашей. А входили, если ESA не врет, на довольно приличных 5 километрах в секунду.

[antihydrogen.livejournal.com]

http://antihydrogen.livejournal.com/36333.html?thread=268013#t268013

Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[zloradskij.livejournal.com]

Внешней обшивкой из плиток от шаттла пожертвуем.
Если надо, их просто в 4 слоя.

Re: Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[antihydrogen.livejournal.com]

С шаттлами и прочими "Союзами" есть существенное отличие: они пересекают атмосферу сверху вниз, а не снизу вверх. Большую часть скорости они сбрасывают в верхних слоях атмосферы, где из-за разреженность атмосферы тепловой поток от набигающего воздуха на см2 поверхности носа корабля мал.

Для случая выстрела с вершины Эвереста вертикально вверх нетрудно подсчитать, что тепловой поток будет полмегаватта/см2, а толщина испарившегося слоя вещества будет несколько сот грамм/см2, то есть толщина сгорающего теплового щита нужна порядка 1 м.

Re: Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[zloradskij.livejournal.com]

Лобовой щит 1м - вполне приемлемо, если сам агрегат не оч. большую фронтальную проекцию имеет. А он цилиндрический наверняка и есть, раз запускается из рейлгана.

Re: Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[antihydrogen.livejournal.com]

Я ж считал для случая запуска вертикально вверх, а запускать надо со значительным углом, иначе назад упадет. Так что реально защита должна быть в несколько раз толще, порядка 1кг на см2 переднего сечения. То есть одноразовая защита для аппарата, в который поместится человек разумный в лежачем положении, будет весить минимум тонн десять. Это не считая практической сложности постройки рейлгана внутри вакуумированной трубы длиной 1000км, заканчивающейся где то на вершинах Гималаев.

Идея использования рейлганов или гауссганнов меньших размеров для запуска на орбиту очень нехрупких грузов бродит уже давно (я еще в "Технике-Молодежи" 90г. читал довольно проработанный проект по отправке в космос радиоактивных отходов в вольфрамовых снарядах), и даже успешные эксперименты по разгону снарядиков массой несколько грамм до 10 км/с проводились, но снарядики немедленно разрушались по выходе из пушки. Тут все с одной стороны опять таки упирается в то, что для прохода атмосферы снаряд должен иметь массу минимум нескольких сот килограмм, а с другой - что для того чтобы снаряд такой массы успел разогнаться рейлганом разумной длины (порядка 1 км), нужна огромная напряженность магнитного поля (будь то дуги или катушек) и мощность.

Re: Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[egh0st.livejournal.com]

в принципе всё верно но не совсем.

в любом случае 6км высота, а длинна трубы от 100км. Для рельсы правда можно будет и покороче.

в общем, начинать отсюда :)

http://en.wikipedia.org/wiki/StarTram#Generation_1_System

Re: Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[egh0st.livejournal.com]

вопрос как раз про подсчёты.

вообще есть альтернативное мнение, что там всего 30КВт на квадратный МЕТР.

Далее, надо понимать что вообще говоря нагревается -- газ, она же плазма. А вот сколько этой плазмы пойдёт на нагрев корпуса -- другой вопрос.

Ольса -- максимум напора будет только в точке стагнации, в других местах куда менее будет.

В любом случае серьёзное ускорение, а точнее замедление будет действовать всего несколько секунд.

Это на высоте 6км (подсказка!). на высоте же 22км влиянием атмосферы можно почти пренебречь.

Re: Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[antihydrogen.livejournal.com]

Во первых, в вашей ссылке написано не "30КВт на квадратный МЕТР", а 30 kW/cm2.

Во вторых, плотность атмосферы на высоте 6км - 0.6 кг/м3, так что масса воздуха, ежесекундно попадающего на 1 м2 носа снаряда, движущегося со скоростью 10 км/с, будет 6 тонн. Каждый килограмм воздуха будет приносить 10000^2/2 Дж, так что поток энергии будут 300 ГВт/м2, или 30 МВт/см2. Такое ощущение, что либо авторы проекта, либо писатели википедии перепутали мегаватты с киловаттами.

Re: Сгорит, но не весь. что нам и надо.

[egh0st.livejournal.com]

несколько дополнительных замечаний.

1. летят то они сверху, факт. как ни смешно -- летят *медленно*. Тут главное скорость гасить, оттого и форма СА например специфическая. Более того, они спецом так и сделаны чтоб еще наверху скорость погашать как можно больше, уж очень баллистический спуск люди не любят почему-то :) А шаттл вообще на 2 же вроде идёт вниз.

2. Форма аппарата :)

3. Отсуствие людей. В любом случае -20g для людей многовато (драг на 6км).

[crustgroup.livejournal.com]

А как же программа HARP?
http://crustgroup.livejournal.com/49007.html

Пусть и не 8 км/с, но 3600 метров в секунду - вполне добились!

[antihydrogen.livejournal.com]

1) Где-то тут в соседних комментах я делал оценку, что минимальный вес цельнометаллического снаряда, могущего (частично) долететь до орбиты - несколько сот килограммов, ср. с 180кг Martlet-2.

2) То что до высоты 180 км долетел неповрежденный радиопередатчик внутри снаряда - не означает, что корпус снаряда после прохождения атмосферы был в столь же первозданном виде.

3) Поток энергии зависит от скорости снаряда кубически.

[crustgroup.livejournal.com]

Ну, абляционную защиту ведь религия не запрещает на баллистический снаряд поставить?
Да и проекты орбитальных пушек в любом случае подразумевают некую вторую ракетную ступень, чтобы добрать на ней необходимую скорость.
В пушках, как вы помните, есть большая проблема со скоростью звука в плотных средах.
Поэтому Булл и не смог добиться на порохе скоростей, больших 3,6 км/секунду.

Выше, чем для пороховых газов, скорость звука у различных лёгких газов - гелия и водорода, вот с ними-то и связана основная концепция:
http://www.membrana.ru/particle/3360

И груз тоже понятен - топливо на орбиту, остальные грузы такие перегрузки уж очень не любят.

[antihydrogen.livejournal.com]

Ну вот собственно большая толщина необходимой абляционной защиты (порядка 1 кг/см2 площади носа) и является проблемой при запуске со скоростью 8 км/с из нижних слоев атмосферы.

Схема "ракета, запускаемая из пушки", конечно, теоретически более эффективна, чем многоступенчатая ракета. Но, насколько я понимаю, главная причина, почему Буллу удалось убедить в ее перспективности только энтузиастов вроде Саддама Хуссейна - внутренние стенки ствола стираются настолько быстро, что внутренний ствол Буллу приходилось менять каждые несколько выстрелов, что съедает всю возможную экономию.

Слипстрим

[wins-nosaer.livejournal.com]

Можно стрелять двумя снарядами через небольшой промежуток времени, рассчитанный таким образом, чтобы второй, главный снаряд, двигался в зоне разрежения от первого - простой дешевой болванки?

Болванка может полностью сгорать, принимая на себя удар воздуха в нижних слоях. Второй снаряд будет лететь в условиях разреженной атмосферы.

Плюсов куча. Скоростные диаграммы снарядов будут сильно различаться. Второй снаряд даже и нагнал бы первый! Это решаемо - или сгорание, или отклонение, после исполнения основной миссии первого.

[fiberline.livejournal.com]

3. основные потери ракеты на трение на высотах порядка 10-20км. Дальше уже много легче.

А вы про какую конкретно ракету? как бы слой плотный атмосферы примерно до 12 км, и если вы про ракету на жрд то она идет на низком ускорении и атмосфера не играет большую роль. Если мы ведем речь про ракету на РДТТ то там да, потери большие.

[egh0st.livejournal.com]

это у вас какой-то бред пошел :) тут важна не ускорение а скорость.

Касательно же мощи движков, потребная мощность для той же скорости растёт относительно скорости кубически.

В целом считается что максимум драга у ракеты на высотах около 10км +/-. Потом уже легче становится, несмотря на растущую скорость.

[fiberline.livejournal.com]

еще раз, про какую ракету речь?
они все разные

[egh0st.livejournal.com]

обычную космическую РКН, а что?

[fiberline.livejournal.com]

то есть союз протон днепр рокот для вас одинаковы с точки зрения аэродинамических потерь?