Журнал КОНТРРЕВОЛЮЦИОНЕРА (videoelektronic) wrote,
Журнал КОНТРРЕВОЛЮЦИОНЕРА
videoelektronic

Category:

Термодинамика - разрушительный фактор, который не учитывают фантасты-мечтатели

Оригинал взят у alexandr_palkin в Термодинамика - разрушительный фактор, который не учитывают фантасты-мечтатели
Оригинал взят у alex_anpilogov в Термодинамика, бессердечная ты сука!
Продолжая разговор о возножном виде «Султана Демонов Азатота» необходимо сказать немало слов об энергетическом балансе этого чудища и о способах управления этим балансом.
Скажу сразу: именно этот аспект межпланетного (и, тем более, межзвездного) полета с высокими скоростями и, как следствие, с высоким расходом энергии, часто ускользает из дизайнов различных космических кораблей — когда в открытый, настоящий космос переносят многие детали дизайнов, применимых только в атмосфере или гидросфере планет, по сути дела, пытаясь собрать в нашем воображении «космическую подводную лодку» или же «межпланетный самолет».
В итоге, понятное дело, получается что-то в стиле «Космического корабля Ямато», радующее глаз любителя линкоров, но — совершенно неприменимое в конструкциях, подлежащих использованию в далеком космосе:



При этом наступление на грабли происходит с завидным постоянством: от космоопер и низкобюджетных сериалов — и вплоть до весьма проработанных с технической точки зрения романов в стиле «твердой» научной фантастики.

И связано это, в общем-то, с «бессердечной сукой» физики — термодинамикой, которая говорит нам в своих трех законах, именуемых «началами», ровно следующее:

I. Теплоту можно преобразовать в работу.
II. Полностью это возможно при абсолютном нуле температуры.
III. Абсолютный ноль температуры недостижим.

Вот от этой грустной троицы начал термодинамики мы и начнем наше повествование о дизайне «Султана Демонов Азатота».



Начну с того, что любое целенаправленное перемещение в пространстве требует в той или иной мере затрат энергии. Это, в общем-то, следует из формулы кинетической энергии — mv2/2, где v — не просто скорость, а квадрат вектора скорости. То есть, понятное дело, сама энергия — скаляр, да вот входящая в её формулу скорость — вектор, в результате чего, например, изменение направления скорости движения тела даже при формальном сохранении её скалярного значения в выбранной системе координат приведет к затратам энергии.

Да, я знаю, что масса нынешних концепций рассматривает различные экзотические концепции движения тел в искривленном пространстве-времени, но, судя по всему, энергия, которая будет затрачиваться на создание всех этих «пузырей» и «червоточин», будет не меньшей, чем та, которую надо прикладывать к изменению вектора скорости при управлении старой-доброй кинетической энергией тела.


Червоточина к соседней звезде. Идея хорошая, но с непонятной реализацией на практике.

И вот тут нас и будет подстерегать дилемма трех законов термодинамики.

Итак, законы термодинамики требуют от нас рассеивания тепловой энергии — но, за исключением температур, близких к абсолютному нулю, этот процесс получается слабоэффективным и не позволяет нам рассчитывать на высокий КПД преобразования теплоты в работу.

При этом вообще все, даже самые продвинутые и лишь воображаемые на сейчас концепции реактивных двигателей, так или иначе, но используют теплоту на каком-то из этапов своей работы.
Так, например, уже упоминавшийся VASIMR, несмотря на достаточно большой свой собственный КПД (59%) использует в качестве энергетического источника готовую электроэнергию, которую ещё надо каким-то путем получить прямо на борту космического корабля.
Учитывая то, что современные системы преобразования теплоты в электроэнергию имеют в лучшем случае КПД не более 60-65%, а пригодные по мощности и по дизайну для космического корабля и вообще не более 50%, то КПД VASIMRа с точки зрения процесса от топлива (например 235U) и до оконечной реактивной струи двигателя получается гораздо меньше — всего лишь около 29%.
Что, в общем-то означает, что на каждый джоуль изменения кинетической энергии космическому кораблю надо каким-то образом рассеять два, а иногда и три джоуля энергии тепловой.

На поверхности Земли этот процесс обычно не представляет особого труда: достаточно иметь рядом более-менее крупное водохранилище или море — и рассеивать мегаватты и мегаватты тепловой энергии уже не представляет никакого труда.
Ну а для тех, кому не повезло с водоемами, приходится довольствоваться рукотворными башнями для охлаждения воды, циркулирующей в этом случае по замкнутому контуру — градирнями. Градирни обычно намного превосходят сами тепловые машины (например, реакторы) по размеру, в силу чего они даже стали неким неофициальным символом АЭС. Так как  сам реактор на их фоне обычно получается совсем нестрашным и выглядит, как небольшая букашка:


Вечерний вид АЭС Дукованы, Чехия. «Дым» из градирен — безвредный водяной пар.

При этом основную работу по охлаждению реакторов на Земле делает сама природа — за счет небольшого нагрева охлаждающего водохранилища или же окружающего АЭС воздуха в случае градирен.
Однако, даже такого громадного теплопотока вполне хватает, чтобы вокруг АЭС температура воздуха стала на 1-2 °C выше, чем в целом по местности, а в водохранилищах АЭС в России завелась весьма чувствительная к температурам тропическая рыбка.

В космосе же никто не обеспечит вас бесплатным водоемом или же атмосферой — окружающий корабль вакуум становится прекрасным теплоизолятором.

С подобными проблемами сталкиваются уже даже химические ракеты, стартующие с Земли, поскольку уже никакая атмосфера не справится с охлаждением двигателей мощной ракеты — однако для них, в силу кратковременности их активного участка, всё же придумали либо охлаждение двигателя компонентами топлива (жидким кислородом или водородом), либо же используют абляционное охлаждение камеры ЖРД, как на ракете Beal Aerospace, когда часть внутренней конструкции ЖРД просто испареятся в пламени факела продуктов горения, а испарение уже охлаждает оставшийся двигатель.

Однако, для длительного полёта в космосе такие технологии ограничено применимы: на борту ценен каждый грамм реактивной массы и просто разбрасываться существенными объёмами криогенных компонентов для охлаждения двигателя или сжигать его абляционное покрытие при каждом его пуске — не самая удачная идея.

Тем более, что большинство двигателей для открытого космоса и в самом деле ориентированы не на высокую тягу, а на высокий удельный импульс — то есть отбрасывают не «много реактивной массы и медленно», как химические ракеты, а «мало, но быстро».
Например, тот же VASIMR использует миллиграммы и граммы плазмы в секунду вместо тонн в секунду расходуемого топлива для химических ракет, но ускоряет эти граммы плазмы до скорости в 30-300 км/c.
Поэтому унести с собой много тепловой энергии такие мизерные количества топлива не могут по определению: вся эта теплота так или иначе остается на борту космического корабля и начинает его весьма быстро нагревать.

Интересно, что даже в «Космической Одиссее» Стэнли Кубрика показанный нам корабль «Дискавери» значительно отличался от весьма проработанной концепции Артура Кларка, которая была детально описана в книге.

Вот «Дискавери» Кубрика:



Как видите, никаких систем сброса тепла на нем нет.

А вот книжное описание «Дискавери» у Артура Кларка, где корабль затем несколько раз обзывают «стрекозой»:





«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


Кроме самого двигателя весь корабль представляет из себя громадную грелку.
Например, тепловые радиаторы космического корабля «Спейс Шаттл» вмонтированы во внутреннюю поверхность створок его грузового люка. Поэтому на околоземной орбите «Спейс Шаттл» всегда находится с открытыми створками грузового люка, это не связано только с грузовыми операциями, но и является рабочим положением створок:



Мощность охлаждающей системы «Спейс Шаттла» составляет всего около 15 кВт сбрасываемого тепла, но размеры радиаторов уже сравнимы с размером космического корабля. Однако с ростом мощности охлаждения площади радиаторов растут гораздо быстрее.

Даже сегодня на Международной космической станции площадь радиаторов для сброса тепла уже сравнима с площадью солнечных батарей:


Желтыми стрелочками показаны тепловые радиаторы Международной космической станции, оранжевым эллипсом — насос аммиачного хладогента.

Радиаторы современной Международной космической станции работают на аммиаке. Испаряясь при комнатной температуре (при давлении в 10 атмосфер) аммиак хорошо работает в холодильном цикле, охлаждая нагревающуюся на солнце и за счет своих внутренних процессов МКС. Внутренний контур МКС использует для охлаждения обычную воду, которая охлаждается испарением аммиака из внешнего контура.
На сегодняшний день такие низкотемпературные радиаторы позволяют МКС скидывать в окружающее пространство около 70 кВт тепловой мощности с возможностью увеличения теплового сброса ещё на 14 кВт.

Однако, как вы наглядно видите, даже такая маломощная низкотемпературная система имеет весьма внушительные размеры относительно самой станции. Что же говорить о случае, если избыточная тепловая мощность на борту составит мегаватты, а то и десятки и сотни мегаватт? Ведь тогда радиаторы надо будет увеличивать просто-таки в геометрической прогрессии!

И вот тут нам на помощь приходит механика потери теплоты за счет излучения. Вот обобщенная формула для работы любого радиатора:

∂Q/∂t = Re * (5,67x10-8) * Ra * Rt4

Это — наглядная запись закона Стефана-Больцмана, где 5,67x10-8 постоянная Стефана-Больцмана, Re — эффективность работы радиатора (теоретический максимум = 1, отсюда, кстати, следует и максимальное число радиаторов на космическом корабле, равное четырем, чтобы тупо не греть друг друга излучением), Ra — площадь радиатора, а Rt — его температура.

Нетрудно видеть, что количество «выдавливаемого» в космос тепла пропорциональна первой степени его площади, но четвертой степени — его температуры. То есть, увеличение абсолютной температуры радиатора в 2 раза, выраженное в градусах Кельвина (не Цельсия!) приведёт к увеличению теплоотдачи в 16 раз!

Скорее всего, радиаторы будущего космического корабля будут светиться темно-вишневым цветом, поскольку их температура будет превышать 3000 К, вместо 350-400 К для радиаторов современных космических кораблей. Больше температуры, нежели 3000 К, представить себе гораздо сложнее: самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет температуру плавления в 3442 °C, а самый тугоплавкий материал, графит плавится при 3845-3890 °C. Понятное дело, до температуры плавления ни вольфрам, ни графит доводить нельзя — для сохранения конструкционной прочности радиатора его рабочая температура всё-таки должна быть на 600-800 градусов ниже температуры плавления его конструкционных материалов.

Это позволит поднять теплоотдачу радиаторов на единицу площади где-то в 3000 раз (как мы помним, четвёртая степень температуры) и хоть как-то увязать размер потребных радиаторов с размерами самого космического корабля, чтобы не создавать громадные, километровые по площади панели:


Скорее всего, радиаторы будущих кораблей будут выглядеть где-то так. Однако, цвет плазмы скорее будет ярко-голубым (температура в миллионы градусов Кельвина), а цвет радиаторов — темно-вишневый, иначе они потеряют конструкционную прочность.

Исходя из такой высокой эффективности высокотемпературных радиаторов можно себе представить и возможный дизайн  «Султана Демонов Азатота» с учетом применения в конструкции системы его теплового менеджмента каких-нибудь вольфрамово-углеродных радиаторов:



Понятное дело, этот концепт-арт уже переделан после ваших разумных комментариев к предыдущему обсуждению дизайна, но большая часть визуального отображения системы охлаждения космического корабля не поменялась ни на йоту: мегаватты и мегаватты тепловой энергии термоядерного шнура из пробкотрона «Султана Демонов Азатота» на горящем гелии-3 и дейтерии надо куда-то утилизировать.
И единственным вариантом в условиях космоса для этого является старый добрый радиатор.

При этом единственной альтернативой твердотельным радиаторам является капельная система. Она основана на немного ином принципе — специальная форсунка создает прямо в космосе максимально дисперсный «туман» из расплавленной высокотемпературной жидкости, например, жидкого металла или какого-то кремний-органического соединения.

Напротив форсунки стоит большая по размерам «тарелка» коллектора капель, которая собирает туман расплавленного лития (1500 К) или силикона (600 К) на противоположном к форсунке конце капельного радиатора. Два этих материала приведены в качестве примеров, потому что они обладают наименьшим испарением в вакууме при таких температурах в своих группах химических веществ: нам не стоит терять лишний теплоноситель на испарение в вакуум — максимальный эффект охлаждения внутри тумана из кремний-органики или жидкого металла достигается именно за счет громадной совокупной площади излучения капель, так как каждая жидкая капля представляет из себя мини-радиатор.

Капельный радиатор космического корабля может быть самых причудливых форм:




Рабочая зона радиатора будет выглядеть всегда, как расширяющийся конус, возможно, как для случая спирального капельного радиатора — и изогнутый причудливым образом. Связано это с тем, что любая, даже идеальная форсунка, создаёт расходящийся поток капель, то есть «стакан» форсунки всегда будет меньше, чем «тарелка» коллектора капель.
Интересно, что часть концепций, например, концепция спирального радиатора, позволяет оперативно управлять сбором капель, учитывая, в том числе, и резкие маневры космического корабля.

Если форсунки капельного радиатора размещены на теле корабля, то коллекторы будет торчать вбок из корпуса, вынесенные на несущих фермах, внутри которых будут проложены трубопроводы для возврата рабочей жидкости. Альтернатива — это разместить коллекторы на корпусе и расположить форсунки на выносной балке. Если используется многофорсуночная система, то несколько сопел рядом придадут массиву радиатора вид прямоугольника. При этом, за счет расхождения частиц охлаждающей жидкости в стороны, форсунки и коллекторы могут чередоваться, для того, чтобы уменьшить размеры радиатора и обеспечить максимальное улавливание рабочих капель.

При этом в капельных радиаторах, в отличии от замкнутых систем твердотельных радиаторов, всегда есть некоторая потеря охладителя на его неизбежное 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. Также потеря охладителя, скорее всего, неизбежна и в случае попаданий вражеского оружия. С другой стороны, единственный способ заметно повредить жидкостно-капельный радиатор — это прямое попадание в его форсунки или коллекторы, которые в целом имеют весьма небольшие размеры. По сравнению с твердотельными массивными радиаторами классического типа это, возможно, и будет меньшим риском для военного корабля. В целом же, для любого космического корабля будущего с капельным радиатором вам понадобится некоторый, достаточно значительный запас охладителя. Если же космический аппарат имеет военное назначение, он просто будет больше, нежели чем для случая гражданского судна.

Кроме того, надо учесть, что капельный радиатор, несмотря на его неизбежные потери теплоносителя, будет гораздо легче. Например, вот тут посчитано, что капельная система сравнимой с трубным твердотельным радиатором мощности будет весить всего 24 килограмма против 1300 килограмм веса алюминиевого радиатора. Правда, всё же низкотемпературного.

Какая из концепций отвода тепла от космических линкоров и танкеров будущего победит на практике — я вам, конечно, не скажу, как делает мучительный выбор в описываемой конструкции «Султана Демонов Азатота» и Роберт Ибатуллин.
В конечном счете, винить создателей «Космического линкора Ямато» в том, что они нарисовали ересь смысла нет — каждая из служб, создающих даже земной военный или гражданский корабль, видит в нем только своё «заведование»:



Представление об идеальном корабле:
Интеграция в сети, наблюдение, установка вооружений, дизайн и конструирование, двигательная установка...



.... обитаемость, надежность, скорость и маневренность, системы связи и обнаружения!


Но я скажу лишь одно —  без уважения законов термодинамики лететь нам никуда не позволят.
Термодинамика, бессердечная ты сука!



Subscribe
promo videoelektronic may 5, 2018 21:48 2
Buy for 40 tokens
А скачать (абсолютно бесплатно!) можно тут: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.skvgames.GemStripes
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments