|
 |
Соотношение масс 3 означает, что наш Полярис на 66% состоит из реактивной массы и на 33% из всего остального. Общая масса в 1188.9 тонн означает, что 792.6 тонны - реактивная масса и 396.3 тонн - всё остальное. Поскольку масса каждого двигателя 30 тонн, у нас уйдёт 150 тонн на двигатели и останется 246.3 тонны для всего остального.
"Всё остальное" в данном случае - структурные элементы конструкции нашего космического аппарата, баки для реактивной массы, система жизнеобеспечения, экипаж, расходные материалы, гидропонные баки, груз, ракеты с атомными боеголовками, а также прочие бортовые системы.
Из чего вообще будут состоять базовые элементы корабля? Список включает в основном лёгкие, но прочные материалы. Это титан, марганец, алюминий, а также новомодные композитные материалы. По той же причине все внутренние элементы конструкции будут дырчатыми - для снижения их массы (для этого даже имеется отдельный технический термин).
 |
Достаточно интересный факт - конструкция из алюминия крайне уязвима к металлической ртути, а также её солям. Ртуть - естественный "катализатор окисления" для алюминия. Чёртова дрянь проедает алюминий насквозь в считанные часы (при наличии кислорода, разумеется). Вот почему в комерческой авиации запрещено использование ртутных приборов. Обычный алюминий окисляется гораздо быстрее железа. Оксид железа, ржавчина, осыпается и открывает новые слои для коррозии, но алюминиевый оксид, "сапфир", остаётся на месте и защищает нетронутые слои как естественный барьер, в прочности сопоставимый с драгоценным камнем. Ртуть смывает этот защитный слой и открывает алюминий вредному воздействию. Алкалоиды (щёлочи) оказывают схожий эффект. Кислоты действуют примерно так же на марганец (его можно растворить даже в уксусе). Зато, насколько я знаю, по стойкости к окислению титан уступает лишь платине. |
|
Если вы хотите придать вашему космическому аппарату шарм второй мировой, то все поверхности, уязвимые к окислению, будут защищены грунтовкой ZnCrO4. В зависимости от пропорций цвет варьируется от жёлто-зелёного до зеленовато-жёлтого. На бомбардировщиках второй мировой так защищали внутреннюю часть бомбового отсека и колодцы шасси. У космического аппарата имеет смысл нанести такое покрытие на посадочные опоры и внутреннюю часть шлюза. Разумеется, это не имеет смысла для ракет класса "орбита-орбита" или безатмосферных космических аппаратов. |
 |
 |
Когда вы планируете отсеки корабля, помните о балансе. Если провести вертикальную линию через центр сопла (по направлению тяги), ей лучше бы проходить через центр тяжести корабля. Если корабль предназначен для атмосферных полётов - и через его нос. В противном случае ваш корабль закувыркается как фейерверк (Хайнлайн использовал термин "упадёт с хвоста"). Это же влечёт и радиальную симметрию палуб. Если у вас что-то массивное погружено в северо-западный угол палубы Д, что-то примерно той же массы неплохо бы поместить и в юго-восточном углу. Это ещё одна причина, чтобы пристегнуть весь экипаж по местам на старте. Если баланс окажется нарушен в достаточной мере - ракета может закувыркаться. Разумеется, на маленькие корабли это влияет заметно больше. Гироскопы могут удерживать корабль, но лишь в некоторых пределах. |
Любая прикидка соотношения масс наглядно показывает, что большую часть ракеты займут баки с реактивной массой.
Ядерные термальные ракеты скорее всего будут использовать водород (в случае с газовым термальным ядерным двигателем ядерное горючее не займёт и процента массы от полной загрузки реактивной массой) поскольку самое выгодное решение для реактивной массы - как можно меньшая молекулярная масса. У жидкого водорода плотность составляет 0.07 грам на кубический сантиметр. 792.6 тонн реактивной массы = 792,600,000 грамм / 0.07 = 11,323,000,000 кубических сантиметров = 11,323 кубометров. Объём сферы 4/3πr3 так что сферический топливный бак должен быть 14 метров радиусом. Почти 92 фута в диаметре. Да, водород обладает весьма низкой плотностью, что и влечёт за собой подобные решения. Если это оскорбляет ваши эстетические чувства, можно чуть-чуть поменять лётное задание и сопутствующие параметры. Скажем, на 2е поколение газовых ядерных ракет и перелёт с Терры к Марсу. Реактивная масса заместо водорода - метан. Скорость истечения 6318 м/с вместо 8800 м/с у водорода, но плотность 0.42 г/см3, позволит обойтись баком в 1.7 метра радиусом. (Скорость истечения метана заметно выше, чем некоторые могут предположить, из-за того, что в ядерном двигателе подобного типа он распадается на углерод и водород. Это, правда, может привести к засорению двигателя углеродом.)
Роберт Зубрин утверждает, что технически допустимая масса топливного бака с жидким водородом - 87% на водород и 13% на структурные элементы. Другими словами, умножьте массу жидкого водорода на 0.15 и вы получите массу топливного бака (0.13 / 0.87 = 0.15). Наши 792.6 тонн водорода потребуют бак массой 792.6 * 0.15 = 119 тонн.
87% реактивной массы и 13% на структурные элементы бака - решение для аппарата пригодного к посадке на планеты. Ракеты класса орбита-орбита могут обойтись куда менее основательным баком и взять куда больше водорода. Всё потому, что им не придётся бороться с нагрузками возникающими в ходе посадки (если реактивная масса плотнее водорода - бак можно облегчить даже у ракеты класса планета-планета). Зубрин приводит следующие оценки соотношения масс бака и топлива:
Если ваш космический аппарат будет использовать торможение в атмосфере, Зубрин оценивает массу конструкции тормоза в 15% от массы космического аппарата. Кроме того, подобное торможение ограничено диапазоном в 15, самое большее - 30 километров в секунду. По большому счёту, атмосферный тормоз позволяет сбросить примерно скорость убегания с данной планеты (10 км/с для Венеры, 11 км/с для Терры, 5 км/с для Марса 60 км/с для Юпитера). В основном, это решение потребуется для аварийных посадочных челноков и вспомогательной техники. С достаточно мощным двигателем всегда можно просто взять больше топлива.
В фильме 2010, корабль Леонов использовал атмосферный тормоз, чтобы замедлиться на орбите Юпитера. Если вы хотите пользоваться этим решением, не забудьте, что у многих звёздных тел в солнечной системе нет атмосфер.
Если вы не можете подключиться к двигательной системе как источнику энергии, вам потребуется отдельный источник энергии (или же летать придётся мягко говоря в темноте). Поскольку масса компонентов космического аппарата - главная проблема конструкторов, они пользуются термином "альфа". Это соотношение массы силовой (в килограмах) к производимому электричеству (в киловаттах). Поделите массу вашей бортовой электростанции на киловатты - и вы получите альфу. Значит, если у вас есть солнечная электростанция с альфа-90 и вам надо 150 киловатт энергии, масса солнечной батареи составит 90 * 150 = 13,500 килограмм. Это 13.5 метрических тонн.
Иногда вы можете встретить характеристику "удельная мощность". Это результат деления киловатт на массу - то есть, 1/альфу (иногда её вычисляют с ваттами вместо киловатт, следите внимательно за единицами измерения).
Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) - бруски радиоизотопов (обычно плутония-238 в форме оксида плутония), которые нагреваются благодаря атомному распаду, и окружены термопарами для превращения энергии распада в электричество. По инженерным причинам делать РИТЭГ с выходом более киловатта непрактично. Впрочем, нет ровным счётом никаких противопоказаний для целой батареи РИТЭГов, объединённых в одной генераторной.
Оружейный плутоний для РИТЭГов не годится. полураспад у плутония-238 - 85 лет, что значит уменьшение мощности вдвое за эти 85 лет. Пользуйтесь этой формулой для рассчётов падения мощности:
P1 = P0 * 0.9919^Y
где:Пример: если новый РИТЭГ производит 470 ватт, через 23 года он будет выдавать 470 x 0.9919^23 = 470 x 0.83 = 390 ватт
Вольфганг Вайссельберг указал, что в уравнении рассматривается лишь деградация самого плутония. В реальности деградация термопары под непрерывной бомбардировкой радиацией приведёт к ещё большему ослаблению устройства. Если ориентироваться на бортовой источник энергии космического аппарата "Вояджер", сама термопара деградирует примерно с той же скоростью, что и плутоний.
Плутоний-238 обладает удельной мощностью 0.56 ватт/г или 560 ватт на килограмм, так что в теории понадобится 470 / 560 = 0.84 килограмма. Но, поскольку термоэлектрический генератор обладает достаточно малым КПД, цифра будет заметно изменяться. Например, для КПД в 5% 560 x 0.05 = 28 ватт на килограмм (0.036 килограмм на ватт или 36 кг/киловатт). Это значит, что на производство 470 ватт потребуется 17 килограмм плутония.
На данный момент РИТЭГ обладает альфой примерно в 200 кг/киловатт (хотя некоторые инженерно реализуемые теоретические замыслы допускают и 100 кг/киловатт). Так что ради киловатта энергии нам скорей всего потребуется РИТЭГ массой в 200 килограмм.
Многие виды атомного топлива потребуют лишь 25 мм свинца и меньше для защиты от радиации Америций-241 обойдётся 18 мм защитного слоя. Плутонию-238 хватит 2.5 миллиметров. Во многих случаях для эффективной защиты вполне достаточно самого корпуса РИТЭГа.
Солнечные батареиНа расстоянии земной орбиты они получают от Солнца около 1366 ватт на квадратный метр. Эта энергия превращается в электричество с помощью фотоэлементов. Альфа у солнечных батарей варьируется от 20 до 100 кг/киловатт. Самые лучшие на данный момент солнечные батареи обладают значением в 45 кг/киловатт. Разумеется, количество энергии уменьшается с удалением от Солнца. Международная космическая станция использует большие кремниевые батареи с КПД 14.5% Каждая солнечная батарея - 34 м (112 футов) в длину и 12 м (39 футов) в ширину, и способна произвести 32.8 киловатта постоянного тока. 19% КПД возможен для арсенида галлия (GaAs), в лабораторных условиях достигался КПД в 30% |
 |
 Космическая станция "Мир"
|
Очевидно, что солнечные батареи лучше всего работают, когда повёрнуты к Солнцу. Изменение угла приводит к уменьшению производства энергии. Уменьшение пропорционально косинусу угла - если панель отвёрнута на 75° от нормального положения, полученная энергия составит Cos(75°) = 0.2588 или 26% доступного максимума. Солнечные батареи к тому же деградируют от воздействия излучения - падение мощности от 8% до 17% за пять лет в радиационном поясе Ван Аллена, заметно меньше в открытом космосе. |
Обычно солнечные батареи заряжают аккумуляторы (чтобы не остаться без энергии в тени). Для этого нужен вольтаж на 20% больше, чем на батареях, иначе они вряд ли будут хорошо заряжаться. Иногда солнечные батареи работают вместе с регенеративными топливными ячейками.
Как и любой другой некогеррентный свет, солнечная энергия подвержена закону обратного квадрата расстояния. Удвоение дистанции приведёт к уменьшению мощности до 1/4. Руководствуйтесь примерно следующим:
Es = 1366 * (1 / Ds2)
где:Помните, что астрономическая единица в метрах - 1.49e11.
Пример: какая энергия доступна на орбите Марса?
Марс находится на расстоянии в 2.28e11 метров от Солнца. Переведём в а.е. -2.28e11 / 1.49e11 = 1.53 астрономических единиц. Значит, доступная энергия:
Es = 1366 * (1 / Ds2)Возле Сатурна придётся довольствоваться жалкими 15 Ватт/м2, поэтому зонд Кассини-Гюйгенс использовал РИТЭГ.
 |
 В 1950ые зачастую можно было увидеть на рисунках что-то вроде зеркальных ободов. Это "ртутные нагреватели" - грубое устройство сбора энергии, которым пользовались до изобретения фотоэлементов. Параболические зеркала фокусировали свет на трубах со ртутью. Горячая ртуть вращала турбины для производства электричества. Затем на место этих конструкций пришли фантазии на тему ядерных реакторов. Подобные системы оправданы в диапазоне от 20 до 100 киловатт. Ниже 20 - выгоднее солнечные батареи. Выше ста - ядерные реакторы. Альфа ртутных турбин - от 170 до 250 при 130-150 ваттах на квадратный метр коллектора и необходимости в радиаторе в квадратный метр площадью на каждые 140-200 ватт.  |
Топливные ячейкиТопливные ячейки потребляют водород и кислород и производят воду и ток низкого напряжения. Они весьма популярны в пилотируемых космических аппаратах NASA. Каждая топливная ячейка PC17C на борту шаттла обладает альфой в 13 кг/киловатт, общей массой 91 кг, производит 7 киловатт электричества и потребялет около 0.6521 килограмм кислорода и водорода на каждый ватт. Вода может использоваться в бортовой системе жизнеобеспечения. Так называемая "регенеративная" топливная ячейка использует воду и вторичный источник энергии чтобы разложить её на кислород и водород. Таким источником обычно работает солнечная батарея. Это имеет смысл, когда масса вторичного источника мала в сравнении с массой воды. Но это привлекательное решение, потому что большинство систем жизнеобеспечения всё равно используют установки для электролиза. |
 Топливная ячейка служебного модуля Аполло. Красный прямоугольник - линейка длиной в один фут. Фотография из Коллекции космических артефактов Скотта Шнивайса.
|
 SNAP-10A ядерный реактор для космического аппарата NASA
|
Ядерные реакторыНеплохой анализ ядерной энергии в космосе содержится в дипломной работе Эндрю Пресби Термофотоэлектрическая конверсия энергии в силовых установках космических ядерных реакторов. (PDF). Ещё один, хотя и довольно старый, интересный документ имеется здесь (PDF). Ядерные реакторы обладают соотношением примерно 18 кг/киловатт. В лабораториях Лос Аламос есть удивительный реактор на теплопроводящих трубах массой в 493 килограммма на 1 мегаватт (альфа 0.493 кг/киловатт):
|
|
Ядерная термальная ракета по сути - ядерный реактор с приделанными к нему дюзами. Концепция двухрежимного ЯТД позволяет подключаться к реактору для получения энергии. Кроме того, постоянная работа на малой мощности (вместо работы реактора только на ходу) позволяет обходиться без предварительного нагрева. Это снижает термальные нагрузки и общий тепловой износ реактора. Кроме того, это позволяет быстрее выйти на режим в случае необходимости. В реальности, морские военные атомоходы могут подключаться к местной электрической сети. Это позволяет обеспечить минимальные нужды в случае каких-то глобальных невзгод. В фантастической литературе двухрежимный ядерный термальный двигатель космического аппарата может снабжать энергией посёлок или временную базу тем же самым образом. |
 |
 SNAP-10A ядерный реактор космического аппарата NASA. Нажмите для увеличения.
|
Вот комментарий о вычислении массы реактора ядерной термальной ракеты от человека, известного в сети под псевдонимом Тремоло: Теперь поговорим о более практичных методах производства 1 мегаватта энергии в плутониевом ядерном реакторе. Для вычисления массы реактора некоторой требуемой мощности, нужно знать плотность нейтронного потока и ядерное эффективное сечение. Предположим, что поток составляет 1E14 нейтронов/см2/сек, ядерное эффектинвое сечение плутония-239 около 2 2E-24 см2, энергия распада 204 МэВ, и концентрация частиц плутония-239 4.939E22 атомов/см3. В таком случае P = поток * концентрацию * сечение * МэВ * 1.602E-13 Ватт/МэВ P = 1E14 * 4.939E22 * 2E-24 * 204 * 1.602E-13 = 323 Ватта/см3 Итак, для реактора на 1 мегаватт потребуется 1E6/323 = 3100 см3. С плотностью в 19.6 г/см3, это 19.6*3100 = 60,760 грамм или 60.76 килограмм. |
Следующий вопрос: как долго продолжается эта реакция? Другими словами, какой общий выход энергии?
Один ватт - это джоуль в секунду. Для 1 мегаватта на протяжении года 1E6 дж/с * 3.15E7 с/г = 3.15E13 джоулей
Для плутония-239, у нас есть цифры в 204 МэВ распада и 6.023E23./239 = 2.52E21 атомов/грамм. Таким образом, энергия с грамма 2.52E21 * 204 МэВ * 1.602E-13 дж/МэВ = 8.24E10 Дж/грамм.
Для поддержки 1 мегаватта на протяжении года понадобится 3.15E13 Дж / 8.24E10 Дж/грамм = 382 грамма или 0.382 килограмма плутония-239. Это лишь малая доля от 60.76 килограмм, потребных на реакцию нужной мощности.
Наконец, вопрос потерь. У реактора на лёгкой воде КПД осколо 35% Значит, можно смело умножать цифры на 3, чтобы получить грубую оценку: 3 x 60.76 = 182 кг. С округлением - 200 кг массы на долгосрочный реактор на 1 мегаватт с КПД в 35%
Эти цифры строятся на серии предположений. Они вряд ли соответствуют реальным в полной мере, но годятся как примерная оценка масштабов.
|
Новые реакторы до момента запуска не особо радиоактивны. Разумеется, это всё изменяется, как только повернут рубильник. А после отключения реактора некоторое время сохраняется остаточная радиоактивность из-за воздействия на структурные элементы реактора нейтронов. Сколько же смертоносной радиации производит работающий реактор? Ответить непросто. Энтони Джексон предлагает следующее приблизительное решение: r = (0.5*kW) / (d2) где:r = доза радиации (зиверт) kW = производство энергии топливом, которое может заметно превышать производство энергии реактором из-за его несовершенства (киловатт) d = дистанция от реактора (метров) Это уравнение предполагает, что реактор на 1 киловатт производит 1.26 киловатт проникающего излучения (в основном нейтронов), и обладает средней проникающей способностью (1/e) в 20 г/см2. |
 |
В фантастике 1950ых, ядерные реакторы частенько именовали "атомными штабелями". Дело в том, что самый первый когда-либо построенный атомный реактор был собран вручную кирпичик за кирпичиком из графитовых блоков, урановых топливных элементов и кадмиевых стержней.
 Обратите внимание, что в реальности у космического аппарата будет не больше четырёх радиаторов. Если угол между ними составляет менее 90 градусов - они будут греть друг друга.
|
РАДИАТОРЫСиловая установка и некоторые типы двигателей потребуют большие радиаторы для отвода тепла. Есть лишь три способа избавиться от лишнего тепла на борту - конвекция, теплоотвод и излучение. Первые два не работают в условиях вакуума и космоса. Остаются лишь теплорадиаторы. Рекомендую прочитать документ Термофотоэлектрическая конверсия энергии в силовых установках космических ядерных реакторов и глянуть на игру HIGH TRADER чтобы в общих чертах понять суть проблем. Кен Бёрнсайд также заметил, что радиаторы большие, непрочные, и фактически не подлежат какой-либо защите (кроме, разве что, капельного радиатора). Очень большой минус военного корабля. Если вы хотите посчитать цифры самостоятельно: ∂Q/∂t = Re * (5.67x10e-8) * Ra * Rt4 где∂Q/∂t = количество избыточного тепла (ватт) 5.67x10e-8 = постоянная Стефана-Больтцмана Re = излучающая способность радиатора (теоретический максимум 1.0) Ra = площадь радиатора (м2) Rt = температура радиатора (в градусах Кельвина) |
|
Кен Бёрнсайд утверждает, что при внимательном изучении уравнения, можно увидеть, что эффективность радиатора зависит от температуры самого радиатора. Чем теплее поверхность, тем меньше радиатор. Это снижает массу радиаторов. Вот почему жидкие натрий и литий (а то и более экзотические материалы) столь часто используются в дизайне радиаторов. Температура в 1600K на поверхности радиатора куда выгоднее, чем 273 K. Двигатели ядерных термальных ракет не требуют радиаторов, потому что избыточное тепло уходит с выхлопом реактивной массы. Фактически, выхлоп и есть их радиатор (инженерный термин в данном случае "охлаждение открытого цикла"). Электрические двигатели, вроде ионного, потребуют радиаторы для своих электростанций. Ядерные двигатели тоже могут нуждаться в радиаторах для тех случаев, когда нельзя сбросить избыточное тепло с выхлопом. |
 Иллюстрация Теро Ниеми.
Нажмите для увеличения.
В реальности, если что-то светится ярче
тёмно-красного цвета - оно расплавится. Но в данном случае это нарушено для большего художественного эффекта.
|
Мой источник (Мэттью ДеБелл) говорит, что если ∂Q/∂t = 150 гигаватт и Rt = 3000° K, Ra составит 34,941 м2. Цифру можно даже уменьшить вдвое, с помощью двустороннего радиатора. Фактически хватит квадрата с длиной стороны в 9 метров. Понятия не имею, как посчитать его массу. Грубая оценка - от 0.01 до 0.05 килограмм на киловатт (в таблице, с которой я сверялся, приводились данные в 0.01 кг/киловатт для хрупких радиаторов при температуре в 1100 кельвина и 0.05 килограмм/киловатт для устойчивого к метеоритам радиатора температурой в 2000 кельвина.)
Достаточно продвинутый дизайн системы охлаждения - жидкостно-капельный радиатор. Доктор Джон Шиллинг добавил следующий комментарий:
Радиаторы жидкостно-капельного типа вполне возможны. У ряда жидкостей крайне мало значение испарения при высоких температурах. Для органики это около 600 градусов кельвина, у жидких металлов (например, лития) до 1500 кельвина. Грамотно сконструированное сопло позволит выбрасывать поток капель теплоносителя в устройство сбора. В итоге мы получим крайне эффективный радиатор с минимальным весом на единицу излучающей поверхности, высокой рабочей температурой и высокими характеристиками теплообмена.
Радиатор будет выглядеть как треугольник, с небольшим соплом наверху и большим коллектором напротив. Если сопла размещены на теле корабля, коллектор будет торчать вбок из корпуса. Альтернатива - разместить коллектор на корпусе и сопло на выносной балке. Несколько сопел рядом придадут массиву радиатора вид прямоугольника.
Всегда есть некоторая потеря охладителя на испарение в вакууме. Поэтому имеет смысл пользоваться плохо испаряющимися материалами. Кроме того, утеря охладителя неизбежна при ускорениях, за исключением тех случаев, когда ваш коллектор очень большой и размещён параллельно оси тяги. Это решение, впрочем, заметно повлияет на общую конструкцию вашего корабля. Вы также потеряете охладитель в случае попаданий вражеского оружия. С другой стороны, единственный способ заметно повредить жидкостно-капельный радиатор - попадание в сопло или коллектор. В целом, вам понадобится некоторый запас охладителя. Если же космический аппарат имеет военное назначение, вам понадобится большой запас охладителя.
Если жидкий металл используется как теплоноситель, магнитодинамический насос заметно упростит работу коллектора. Дизайн в этом случае просто не включает движущихся частей. Кроме того, рабочая жидкость может приводить в действие магнитогидродинамический реактор, что даст вам на руки простую систему с одной рабочей жидкостью и одним рабочим циклом, которая одновременно производит энергию и выводит ненужное тепло. Просто, эффективно, без движущихся частей.
У Эрика Розье вот здесь, лежит в общем доступе сетевой калькулятор для жидкостно-капельных теплорадиаторов и отдельный вариант для систем охлаждения в целом здесь. Он руководствовался следующими соображениями:
Я решил построить следующую модель, чтобы вычислить площадь поверхности литиевых капель для излучения тепла.
Поскольку таких радиаторов не существует в материальном воплощении, придётся работать с чистыми абстракциями. Данные о каплях дождя показывают, что их размер составляет от 1 до 3 миллиметров. В свободном падении они примут сферическую форму. Их площадь в таком случае 4*π*r2.
Основываясь на идеях отсюда, мы смоделируем отражающую поверхность в форме треугольника. Сопло представим как точку для большего упрощения. Дистанцию между каплями возьмём не меньше двух радиусов капли. Для сопла на расстоянии h и коллектора длиной h число капель между ними составит:
(0.5 * b * h)/(16r2)
Затем смоделируем площадь капель:
(0.5 * b * h)/(16r2) * 4*π*r2
Если вы хотите менять расстояние между каплями, его можно сменить на q вместо r, по следующему принципу:
(0.5 * b * h)/(4r2 + 4r*q + q2) * 4*π*r2
Таким образом:
a = (0.5*b*h) / (16*r2) * 4*π*r2
a = (0.5*b*h) / (4*r2 + 4*r*q + q2) * 4*π*r2
где:Каким цветом будут светиться радиаторы? Практичный ответ - тёмно-красным. Ознакомьтесь с программой Blackbody Spectrum Viewer чтобы узнать соответствие температур свету. Яркий белый, например, соответствует 6000 кельвина. Это вряд ли доступно твёрдым радиаторам, поскольку даже алмаз плавится при 4300 по кельвину.
Вам понадобятся радиаторы ещё и для того, чтобы удержать в пределах комфортных значений жилую зону. Человеческие тела производят удивительно большое количество тепла. Но даже в этом случае радиатор должен оказаться достаточно небольшим, чтобы разместить его на корпусе.
Сначала я думал, что тепловыделение систем жизнеобеспечения можно утилизовать с помощью того же радиатора, что работает с двигателями. Ричард Белл указал, что это не так. Разница температур слишком велика, чтобы запустить процесс теплообмена в нужную сторону. Вам понадобятся два разных набора тепловых радиаторов.
Радиаторы систем жизнеобеспечения шаттла находятся внутри дверей грузового отсека, вот почему эти двери всегда открыты пока шаттл находится в космосе.
Трой Кэмпбелл указал на доклад NASA о дизайне космических аппаратов (2 мегабайта, PDF). В простом дизайне из этого доклада жилой отсек рассчитан на шестерых членов экипажа. Его радиаторы излучают 15 киловатт избыточного тепла (15 киловатт потребляют все системы жилого модуля в этом примере). Радиатор односторонний (и фактически размещён прямо на корпусе). Ему требуется площадь в 78 м2, его масса 243.8 кг, объём 1.742 м3. В нём используется 34.4 кг пропилен-гликоля и воды для переноса тепла. В дополнение к радиатору идёт внешняя и внутренняя система теплообмена. Внутренняя система контроля температуры (холодильники, теплообменники, трубы для переноски рабочей жидкости) обладает массой в 111 кг и объёмом 0.158 м3. Внешняя система обладает массой в 131 кг, объёмом в 0.129 м3, и потребляет 1.109 киловатт.
Простая математика показывает, что плотность радиатора - 140 кг/м3, а площадь отражающей поверхности 5.2 м2 на киловатт тепла. Вся система задействует около 35 кг и 0.13 м3 на киловатт. Но учтите, что в основе этого лежит не подкреплённое точным знанием предположение о том, что изменение масштаба влечёт линейное изменение эффективности.
Вот несколько страшных уравнений от Тони Вэлли, за компанию с интересным выводом:
Как это ни удивительно, есть оптимальное соотношение температур, при котором теплообменники вашего космического аппарата достигают максимальную эффектвность при минимальной площади. Единственные предположения для этого случая - теплообменники подчиняются законам термодинамики, а у корабля нет иного способа избавиться от тепла.
Предположим, у нас тепловой двигатель с источником энергии с эффективностью η (его абсолютная эффективность η помноженная на эффективность Карно ε). Доступная энергия F, записывается как:
F = Qηε = Qη(1 - T1/T2)Где Q тепловой поток в обменнике, а T1 и T2 температуры холодного и горячего концов двигателя. избыточное тепло, H, составит Q - F, или:
H = Q(1 - η + ηT1/T2)Для упрощения измерим температуру в единицах T2 и назовём T1 просто T. Количество избыточного тепла указанного количества энергии составит (после деления на η):
H = F (η-1 - 1 + T) / (1 -T)Теперь его надо излучить. Чёрное тело при температуре T и площадью A излучает по закону Стефана-Больтцмана:
P = σAT4σ - константа зависящая от выбора единиц измерения. Приведение к общим единицам измерения даст нам:
A = F (η-1 - 1 + T) / σ(T4 - T5)Посмотрим, какое значение T даст минимальную площадь радиаторов. Производная A к T сводящаяся к нулю даст нам:
(T4 - T5) - (4T3 - 5T4)(η-1 - 1 + T) = 0Поделив на T3:
T - T2 - 4η-1 + 4 - 4T + 5Tη-1 - 5T + 5T2 = 0В итоге получим:
4T2 + (5η-1 - 8)T + 4(1 - η-1) = 0Поделив на 4:
T2 + (5/4η-1 - 2)T + (1 - η-1) = 0Запишем η-1 как γ тогда всё уравнение примет вид:
T = 1 - 5/8γ + 1/8 sqrt(25γ2 - 16γ)В отдельных случаях работы теплообменника с максимальной эффективностью η = γ = 1 и уравнение сведётся к T = 3/4. Это значит, что холодная сторона должна обладать температурой в 75% от температуры горячей стороны. Разумеется, это не очень эффективно для тепловых двигателей. Но если мы понизим температуру холодной стороны - площадь радиаторов заметно возрастёт. Это случится потому, что T4 подчиняется закону излучения - чем ниже температура радиатора, тем хуже он излучает. Итог закономерен - значение T меняется в пределах от 0.75 до 0.80, эффективность при этом варьируется от 1 до 0.1.
Цитата из Джона Гвиннера
Возьмём типичный корабль из космической оперы. На борту один или несколько реакторов. Если общее количество энергии 2 гигаватта, а эффективность 90% (весьма щедрое предположение, поскольку КПД магнитогидродинамической системы около 60%) то на полной мощности у нас на руках 200 мегаватт избыточного тепла. При таком порядке цифр тепловыделение экипажа, компьютеров и бортовой кофеварки можно игнорировать. Допустим, бортовое энергетическое оружие эффективно на те же 90% и нуждается в 500 мегаваттах энергии на залп. Это ещё 50 мегаватт избыточного тепла. Докинем туда выделение тепла вспомогательными системами.
Сложность в том, насколько допустим разогрев самого корабля. Предположим, что системы распределения тепла на борту позволяют держать часть отсеков сравнительно холодными (хотя бы потому, что в этих отсеках изначально производится не так много избыточного тепла) и у нас там нет низкотемпературных сверхпроводников и других поводов для головной боли. Если двигатели и оружие могут работать при 150 градусах цельсия (423 по кельвину), охладитель (скажем, литий или натрий) разогрет до тех же 423 градусов кельвина прежде чем попадёт в радиаторы, где сможет отдать лишнее тепло.
Потеря тепла [ватт] = 5.67e-8[Константа Стефана-Больтцмана] * площадь [м^2] * излучающую способность * T^4 [градусов Кельвина].
(Примечание редактора: то же самое уравнение, что и выше)
Если радиаторы обладают свойствами идеально чёрного тела (излучающая способность 1) и температура охладителя 423 кельвина, тогда на излучение 275 мегаватт избыточного тепла потребуется 150,000 квадратных метров радиатора (разумеется, двусторонний радиатор уменьшит реальную площадь до 75,000 м^2) Это квадрат стороной в 275 метров, то есть, площадь целого городского квартала, только на то, чтобы избавиться от лишнего тепла при действиях корабля на полной мощности. Если мы жахнем залпом с выделением 400 мегаватт энергии бортовыми лазерами, цифру придётся удвоить, а то и утроить. И постарайтесь приложить все усилия, чтобы противник не мог видеть радиаторы как большую удобную мишень. Да, и это всё довольно идеализированые цифры. В реальности вы будете невероятно рады даже 80% КПД систем. А первое, что отстрелят в сколько-то серьёзном бою - те самые радиаторы. Большие и крайне уязвимые.
Структурная масса большого монолитного радиатора может составить значительную часть массы корабля. Для компенсации вам понадобится двигатель помощнее, что увеличит выделение тепла, что значит, что радиатор снова надо увеличить... так что мысль о жидкостно-капельных системах внезапно крайне привлекательна.
Если вам надо удержать на борту такого корабля комфортабельные 20 по цельсию - это почти невозможно. Речь пойдёт о полумиллионе квадратных метров поверхности. Непрактично.
Альтернатива - излучение незначительного тепла и сброс охладителя в моменты пиковых нагрузок. Это превратит ваши тяжёлые ударные единицы в аналог современных реактивных истребителей - несколько минут боя, и запасы расходных материалов на борту кончились. Сдавайся или гори.
(Примечания редактора: в его предположениях используется температура в 423K. Некоторые материалы и решения позволяют говорить о 1600 или даже 3000 кельвина, что заметно снизит площадь радиаторов).
Из Космической одиссеи 2001 сэра Артура Кларка (1969):
Герметическая сфера, укрепленная на довольно легкой стреловидной конструкции длиной около ста метров, служила головной частью корабля. «Дискавери», как и все корабли, предназначенные для дальних космических полетов, не мог войти в атмосферу или сопротивляться полной силе тяготения какой-либо планеты – для этого он был слишком непрочен и необтекаем. Его собрали на околоземной орбите, испытали в пробном полете в пространстве за Луной и окончательно проверили на окололунной орбите.
Он был порождением чистого космоса, и это было видно с первого взгляда. Непосредственно позади герметической сферы помещались четыре больших резервуара с жидким водородом, а за ними У-образно расположенные ажурные плоскости радиаторов, которые рассеивали избыточное тепло ядерного реактора. Покрытые сеткой тонких трубок, несущих охлаждающую жидкость, они походили на крылья гигантской стрекозы, и со стороны, под определенным углом зрения, «Дискавери» чем-то напоминал старинный парусный корабль.
Там, где кончались крылья радиатора, в девяноста метрах от жилой сферы находились экранированный ад реактора и фокусирующие электроды, между которыми вырывалось наружу раскаленное звездное вещество – плазма. Главную свою задачу двигатель корабля выполнил уже несколько недель назад, когда «Дискавери» стартовал со своей стоянки на окололунной орбите. Сейчас реактор работал «на малых оборотах», питая электроэнергией системы корабля, и огромные плоскости радиаторов, которые при максимальной тяге, когда «Дискавери» набирал скорость, раскалялись докрасна, теперь были черны и холодны.
 |
Не только радиаторы будут портить чистоту обводов Поляриса. Для радио Роджера Мэннинга потребуется большая тарелка антенны. Не такие монстры, как на Дискавери из фильма 2001, но вряд ли меньше, чем на служебном модуле Аполло. Неплохая идея также - завести посадочный радар, который нельзя ослепить клубами пыли в момент посадки. Обе антенны убираются в атмосфере, но когда скорость достаточно снизится, можно будет выдвинуть их обратно без опасений, что их сорвёт набегающим потоком воздуха. |
Довольно мрачным, но в целом необходимым также окажется устройство, помянутое Айзеком Азимовым в рассказе "C-Chute". Мёртвое тело довольно быстро загрязняет систему жизнеобеспечения фрагментами своего распада, так что избавиться от него - жизненная необходимость. Кроме того, покойник на борту изрядно влияет на психическое здоровье экипажа. Не так легко сохранять жизнерадостность и работоспособность, когда скорбные останки товарища лежат в соседнем отсеке. Скорее всего, традиция избавляться от покойников сведётся к похоронам в космосе не позднее чем за сутки после гибели человека.
Важна сама процедура космических похорон. В фильме Conquest of Space отсутствие должного порядка в этом щекотливом вопросе закончилось довольно грустно. Убитого микрометеоритом космонавта просто оставили болтаться на конце страховочного троса.
БОЛЬШАЯ ошибка.
Экипаж начал вздрагивать каждый раз, когда видел мёртвое тело в иллюминаторе. Наконец, один из космонавтов сломался и начал орать на покойника. Только после этого капитан проснулся и подумал о жизненной необходимости похоронить усопшего должным образом. Допустим, сказать несколько слов, и отпихнуть его подальше в глубины космоса. Курс на столкновение с Солнцем не обязателен - это слишком дорого, а даже маленький промах запросто может отправить тело к облаку Оорта.
Кто-то предложил кремировать покойника в двигателе. Не самая хорошая идея: Вааау! Обгорелый труп по кускам улетает в глубины космоса! Ну, можно, конечно, его привязать, тогда это будет похоже на сосиску на шампуре, которую поджаривают в двигателе реактивного самолёта. И давайте просто игнорировать эти маленькие отгорающие ошмётки, ага?
Прежде, чем задуматься о дизайне космического аппарата, стоит подумать о его назначении. Это грузовоз? Танкер? Ударная единица? Космический аналог береговой охраны? Контрабандист? Этого вполне достаточно, чтобы решить, какую часть корабля займёт оборудование, и какое именно (скажем, грузовой отсек, довольно большое соотношение масс, оружие, снаряжение для спасательных операций в космосе, какие-то средства противодействия обнаружению и мощные двигатели).
И, раз уж речь зашла о грузе, современные грузовые корабли оперируют характеристикой "нетто-регистровый тоннаж", где каждая "тонна" - 100 кубических футов объёма (2.83 кубометра). Средняя плотность их грузов 350 кг/м3. Если плотность грузов заметно различается, требуется некоторая сложная математика, но в большинстве случаев нетто-регистровый тоннаж - более чем адекватная оценка грузоподъёмности. На практике заполнение идёт по закону конечности массы и объёма. Что-то неминуемо кончится раньше. В произведении MANNA за авторством Lee Correy (более известным в ракетной науке как как G. Harry Stine) шаттл поверхность-орбита ушёл с большим недогрузом, потому что вёз нижнее бельё. Теоретически в шаттл влезало куда больше по массе, но объём трюма кончился раньше.
В международных стандартах грузовой контейнер объёмом 33 кубометра обладает массой 24 метрических тонны (2.2 тонны - сам контейнер и до 21.8 тонн груза). Большой контейнер на 67.5 кубометров обладает массой 30.5 метрических тонн (3.8 тонн - контейнер и 26.7 тонн груза). (Спасибо Карлу Хауберу за исправление ошибок в точных цифрах грузоподъёмности контейнеров).
Как вы понимаете, масса на борту космического аппарата жёстко лимитирована. Многие произведения Хайнлайна указывали на жёсткое ограничение личной массы пассажира и багажа. Администрация не прощала своим пассажирам лишнего веса и не стеснялась интересоваться вслух, как они могут ходить со всем этим добром. Несколько эпизодов произведений Хайнлайна целиком посвящены мучительным попыткам загнать в приемлемые рамки массу личных вещей.
Из книги Космический Кадет Роберта Хайнлайна(1948)
Текс вытащил свой рюкзак и прикинул его на вес. — Да, это будет непросто. Здесь у меня не меньше пятидесяти фунтов. Как ты думаешь, если я упакую все это поплотнее, сумею уложиться в двадцать фунтов?
— Интересная теория, — согласился Мэтт. — И все-таки давай посмотрим на твое барахло, может быть, мы сумеем избавиться от тридцати фунтов штрафного веса.
Джермэн выложил на пол свои вещи.
— Так, — сразу произнес Мэтт, — вот эти фотографии тебе не понадобятся. — Он показал на двенадцать объемных стереофотографий, каждая из которых весила не меньше фунта.
— Оставить на Земле мой гарем? — спросил потрясенный Текс. — Вот это, — он взял одну из фотографий, — самая прелестная блондинка в долине Рио-Гранде. — Текс поднял другую. — А вот Смитти, я не могу обойтись без Смитти. Она считает меня самым лучшим парнем!
...Мэтт осмотрел груду барахла.
- Знаешь, что? - спросил он. - Оставь эту губную гармошку. Мне нравится музыка. Фотографии загони на микроплёнку. А остальное скорми кошкам.
- Тебе легко говорить.
- У меня та же проблема, забыл? - он ушёл к себе в комнату. День освободили от занятий, чтобы все могли приготовиться к отлёту. Мэтт разложил свои вещи и ещё раз осмотрел их. Одежда, разумеется, отправится домой, как и телефон.
..Он позвонил домой, поговорил с родителями и младшим братом, а затем убрал телефон к остальным ненужным вещам. Он думал, что ещё можно выкинуть, когда в дверь постучался Берк.
— Вижу, ты пытаешься избавиться от штрафного веса? — ухмыльнулся он.
— Придумаю что-нибудь.
— А не надо ничего придумывать. Все и так ясно.
— Что ясно?
— Пошли свои вещи на космическую станцию Терры грузовым кораблем. Возьми в аренду шкаф для хранения и уложи их туда. Затем, когда получишь увольнительную на станцию, захвати на обратном пути все, что тебе нужно. Если вещи, которые ты хочешь доставить на борт «Рэндольфа», могут вызвать сомнение у начальства, спрячь их и провези тайком.
Мэтт молчал.
— Ты чего молчишь, благородный Галахад? Боишься быть уличенным в контрабанде?
— Нет. У меня нет шкафчика на станции Терры.
— Ладно, если тебе жаль денег, чтобы арендовать шкафчик, пошли вещи на мой номер. Услуга за услугу.
— Нет, спасибо. — Мэтт подумал о том, чтобы послать вещи в почтовое отделение станции, но потом отказался от этой мысли — слишком дорого. Он принялся сортировать вещи. Мэтт решил взять фотоаппарат, оставив на Земле устройство для перевода снимков на микропленку, и шахматы. Наконец ему удалось сократить количество вещей, которые он хотел бы взять с собой, до, как он надеялся, двадцати фунтов: Мэтт уложил багаж и пошел его взвешивать.
Из книги Среди планет Роберта Хайнлайна (1951)
Дон долго жил на Земле, но к проблеме упаковки багажа подошел как истинный межпланетник. Он знал, что на корабле разрешается бесплатно провозить всего пятьдесят фунтов багажа, поэтому он отбросил все вещи, без которых мог обойтись. Вскоре у него получилось две кучки: очень маленькая на кровати — самая необходимая одежда, несколько капсул с микрофильмами, счетная линейка, авторучка и рийта — марсианский музыкальный инструмент, напоминающий флейту, — на которой он изредка играл: его товарищи были против его музыкальных упражнений. На кровати соседа высилась большая куча отвергнутых вещей.
Он взял рийту, попробовал наиграть несколько мелодий… и отложил ее в большую кучу. Брать на Марс то, что сделано на Марсе, все равно что везти уголь в Ньюкастл..
 Из фильма The Queen of Outer Space
Извините, дамы, но я сказал никаких юбок!
|
Космонавты также будут сравнительно низкорослыми и худощавыми. В классическом произведении сэра Артура Кларка THE OTHER SIDE OF THE SKY, строители космической станции получали дополнительные выплаты, если удерживались в пределах массы в 150 фунтов (около 68 килограмм) Это неплохой повод, чтобы ваши космонавты были [a] азиатами, [b] женщинами, или [c] сочетали оба упомянутых пункта. |
|
Возможны и некоторые другие полезные инновации. Например еда в съедобной упаковке. А палубы, скорее всего, будут выполнены из металлических решёток для снижения их массы. (И это вторая причина отсутствия юбок на борту. Первая - юбку невозможно удержать в границах приличий в условиях низкой гравитации). В "Дюне" Фрэнка Херберта у космонавтов были книги размером с фалангу большого пальца с крохотным увеличительным стеклом. Помните, что каждый грамм снаряжения и припасов - несколько грамм реактивной массы. Постарайтесь, чтобы каждый из них выполнял несколько полезных функций. |
 Съедобная коробка из соевого бисквита. Художник Jerry Robinson
|
Когда речь зашла о низкой массе внутренних палуб, интересную мысль предложила Акима:
Если наша палуба не работает как часть прочного корпуса, можно вовсе отказаться от балок и перекрытий. Стальное волокно и натяжная палуба, как у катамарана, решат проблему.
Дэвид Чиассон указал на существование металлотекстиля из вязаной проволоки.
Процент металла к объёму составляет от 10% до 70% при достаточно большом выборе материалов - алюминий, сталь, тефлон, нейлон, даже вольфрам. Титана в списке нет, полагаю из-за проблем с его превращением в пригодную для вязания проволоку.
Цитата с заглавной страницы сайта: "В сжатом виде вязаное металловолокно справляется с нагрузкой, равной той, что может выдержать материал в своей исходной форме. Нагрузка может прилагаться к материалу под любым углом =- сверху, снизу, вбок, или в любом сочетании.
Я могу предположить, что при некоторых инженерных прорывах это волокно можно нагреть до стадии близкой к расплавлению и утрамбовать до твёрдого состояния.
Майкл Гаррельс выступил с возражением:
Есть ряд проблем с натяжными полами.
Для начала, прочные элементы корпуса не просто так делают прочными. В море они должны выдерживать давление большого количества воды. Также они выступают дополнительными элементами прочности для корпуса в моменты поворотов и столкновений. Это не говоря о том, что в них есть люки для сообщения между частями корабля. Большая часть космического аппарата - тонкая мембрана и пара слоёв ткани. Стенки посадочного модуля Аполло были не толще обычной жести. Если у вас речь идёт лишь о разделении на отсеки - посмотрите на интерьеры орбитальной станции "скайлэб", там вполне обходились занавесками.
Теперь о разделении на стены и полы. Пока не приложена тяга, у вас нет разницы между ними.
Что приводит нас к следующей мысли. Пол, на котором вы сейчас так хорошо сидите, сделан таким не без причины. Помните классическую иллюстрацию гравитационного колодца как гири на листе резины? Многие инженерные нормативы ограничивают не допустимый вес, а деформационную стойкость к нагрузкам. Если пол будет проминаться - весь мусор покатится в одну большую кучу. О резких манёврах придётся забыть. В реальности больше чем о паре квадратных метров такого пола вам придётся забыть уже при 1g тяжести. Особенно если вы хотите разместить кресло или приборную консоль.
Из книги Фрэнка Херберта Дюна.
- Если это экономически оправданно, - сказал Юэ. - У Арракиса много дорогостоящих опасностей.
Он подкрутил ус: Твой отец скоро будет здесь. Пока я тут, у меня есть подарок для тебя. Кое-что, что я принёс с собой.
Он выложил на стол небольшой предмет размером с ноготь большого пальца Пола.
Пол взглянул на предмет. Юэ заметил, что юноша не взял его в руки, и подумал, насколько же тот осторожен.
– Это очень старая Оранжевая Католическая Библия, предназначенная специально для космических путешественников. Не фильмокнига, она по-настоящему напечатана на сверхтонкой бумаге. В неё также встроены увеличительное стекло и электростатическая зарядная система.
Он взял книгу в руки и показал, как ей пользоваться.
– Электростатический заряд удерживает подпружиненные страницы закрытыми. Ты нажимаешь на край, вот так, и наэлектризованные листы, отталкиваясь друг от друга, откроют книгу.
– Она такая маленькая!
– Однако в ней восемнадцать сотен страниц. Потом ты нажимаешь вот здесь, и статические заряды будут листать страницы, по мере того как ты будешь читать. Никогда не касайся страниц пальцами: ткань, из которой они сделаны, слишком нежна.
Он закрыл книгу и протянул ее Полу – Попробуй!
