Будет ли шлифовальный станок простой и работоспособной двигательной установкой для межпланетного космического корабля?

Основная инженерная задача при реализации вашего предложения заключается в том, что для того, чтобы быть конкурентоспособным с химическим ракетным двигателем, шлифовальный круг должен вращаться с чрезвычайно высокой скоростью. Типичная химическая ракета может иметь удельный импульс от 250 до 450 секунд; поэтому скорость истечения составляет примерно 2500-4500 м/с. В конкурентной силовой установке край колеса должен двигаться как минимум с такой скоростью.

Итак, реальный вопрос заключается в следующем: можем ли мы построить шлифовальный круг, достаточно прочный, чтобы вращаться с такой скоростью и не взрываться?

На данный момент ответ - нет. Растягивающее напряжение на краю колеса равно$\rho r^2 \omega^2 = \rho v^2$, где$\rho$это плотность,$r$это радиус,$\omega$- угловая скорость, а$v$это скорость. Таким образом, скорость, с которой вращается ребро, ограничена$v < \sqrt{TS / \rho}$, где$TS$предел прочности на растяжение материала, из которого состоит шлифовальный круг. Из всех материалов, которые мы в настоящее время знаем, как производить в макроскопических масштабах, углеродное волокно имеет самую высокую предельную прочность на растяжение на единицу массы около 4000 кН-м/кг. Это дает максимальную скорость 2000 м/с. Это меньше, чем скорость истечения даже простой, относительно неэффективной химической ракеты.

Однако предположим, что кто-то изобрел способ массового производства углеродных нанотрубок с пределом прочности на разрыв 60 ГПа и плотностью 1 г/см3.$^3$. Тогда мы теоретически могли бы достичь скорости истечения более 7500 м/с, что превосходно. В этом сценарии ваш шлифовальный круг на самом деле начинает выглядеть как действительно хорошая идея.

Я не знаю, рассматривал ли это когда-либо кто-либо.

На мой взгляд, это не очень хорошая идея, по крайней мере, по следующим причинам:

1. Это эквивалентно механическому отбрасыванию вещей назад. Посмотрите это видео для слишком простого примера. Это явно не лучший способ для движения вперед, так как удельный импульс очень низкий. Давайте поговорим только об импульсе $$p=mv$$ здесь, где$m$это «реакционная масса», т.е. масса измельчаемого материала, отбрасываемого назад объекта или химического топлива.$v$– скорость реакционной массы относительно космического корабля. скорость$v$искр составляет порядка нескольких м/с (такая же скорость, что и у кромки шлифовального круга. С химическим ракетным топливом она составляет несколько км/с. Таким образом, для того же количества$m$реактивной массы, которую вы несете, классическая тяга дает вам примерно в 1000 раз больше импульса, чем измельчение.
2. Производимый импульс является своего рода стохастическим. Как видно на вашем рисунке, искры образуют конус, а не прямую линию. В то время как восходящее и нисходящее движения статистически компенсируют друг друга, их вертикальные составляющие — пустая трата времени. Хотя, по общему признанию, это также относится к химическим ракетным двигателям (и ионным двигателям?), просто выбросить кое-что за борт было бы более эффективно в этом отношении.

Тем не менее, мне нравится этот вопрос для нестандартного мышления. Кстати, чтение названия напомнило мне отрывок из книги Дж. Д. Кларка «Зажигание!»:

Ф. А. Цандер в Москве [...] предположил, что космонавт может увеличить запас топлива, подражая Филеасу Фоггу. Когда топливный бак опустел, космонавт мог просто измельчить его и добавить полученный порошок алюминия к оставшемуся топливу, теплотворная способность которого соответственно увеличилась бы!

Я думаю, что на самом деле это пробовали, но оказалось, что это не очень хорошо работает, потому что частицы алюминия слишком долго горят, т.е. они продолжают гореть после того, как покинули камеру сгорания. (Некоторые?) Твердое ракетное топливо основано на алюминии, но это другое.

Редактировать: Недавние новости об опасном космическом мусоре заставили меня снова задуматься над этим вопросом. Таким образом, я добавляю третий недостаток измельчающего двигателя: он будет производить тонны неотслеживаемых высокоскоростных частиц со стохастическими характеристиками движения . Конечно, можно позаботиться о том, чтобы свести к минимуму ожидаемую опасность. Но с учетом того, что в течение следующего десятилетия на орбиту будут выведены тысячи дополнительных спутников, использование измельчающих двигателей на околоземной орбите может быть опасным.

Силы, участвующие в вращении колеса на высоких скоростях, огромны. При скорости обода 1600 км/ч колеса Bloodhound SSC испытывают 50 000 G. Даже малейший дисбаланс (скажем, из-за отрыва абразивной частицы) может стать катастрофой.

Даже если это возможно с точки зрения материалов, я подозреваю, что энергоэффективность будет ужасной. Откуда взяться этой (вращательной) энергии, чтобы вращать что-то быстро? Если вы используете электродвигатель, вы можете просто модифицировать его, чтобы сделать плазменный привод и использовать его напрямую. В вашем устройстве большая часть этой энергии превращается в тепло (колеса) за счет трения. Предположительно, вы могли бы повторно использовать это тепло в значительной степени, но то, что нужно сделать, уже добавляет еще один уровень сложности.

Движение происходит за счет ускорения реактивной массы.

В этом случае шлифовальный круг служит двум целям:

1. отделить небольшие кусочки заготовки от основной массы с медленной и примерно равномерной скоростью
2. ускорять эти биты за счет механического трения, подобно тому, как ракета для запуска теннисных мячей использует согласованную пару встречных вращающихся колес , чтобы выстрелить в коробку, полную теннисных мячей, по одному за раз в контролируемом направлении и с контролируемой скоростью.

Как указывает @Muze, использование подобранной пары встречных вращающихся колес также было бы важно в космическом полете.

Шаг 1: требует большого объема работы, и нет причин делать это в космосе. Вы можете производить частицы на земле, поэтому ваш метательный «бак» будет системой подачи, распределяющей гранулы или порошок. Их можно подвешивать в жидкости для облегчения подачи и во избежание электростатического слипания.

Если вам нужно произвести его в космосе, например, если вы повторно используете свою нижнюю ступень в качестве реактивной массы в стиле Горация (отсылка к Монти Пайтону), то вы можете сначала измельчать или иным образом формировать на более низкой скорости с помощью отдельного колеса. Частицы можно было переплавить, чтобы сделать их сферическими, а затем отсортировать по размеру для следующего шага.

Шаг 2: концептуально будет выполняться с помощью механизма, аналогичного механизму запуска теннисного мяча. Два встречных колеса с подачей частиц, вводимых в небольшой зазор между поверхностями двух колес. Частицы должны быть монодисперсными, что означает, что все они должны быть достаточно одинакового размера и немного меньше зазора для хорошего трения. Либо частицы, либо колеса должны быть достаточно упруго сжимаемыми, чтобы обеспечить хорошее сцепление с поверхностью для ускорения, и при этом поверхности не должны легко повреждаться во время процесса.

Вы также можете слегка наклонить колеса, чтобы, если у вас есть отсортированный диапазон размеров частиц, все они могли быть введены с соответствующей шириной зазора.

Однако, как указывает @Greg, а затем @ Thorondor демонстрирует количественно , заставить ваши колеса вращаться со скоростью 10 махов или быстрее (для (массового) удельного импульса или Isp, скажем, 300 или около того) является реальной проблемой материалов.

Одной из возможностей пропеллента может быть жидкая суспензия латексных или полимерных сфер максимальной концентрации (по существу, HCP ), которую можно получить высокомонодисперсной с достаточными затратами. Если у вас не так много места для ракетного топлива, то, возможно, металлические, оксидные или нитридные наносферы можно получить пиролизом .

Хориба Сайентифик

GIF из Tennis ball machine DIY - часть 1 , аналогичный механизм получше можно увидеть в Tennis Tutor Ball Machine механика в действии .

Большой проблемой будут силы снаружи колеса, разрывающие его на части.

Нам нужно привязать числа к чему-то, и проще всего привязать число к угловой скорости. Центрифуги для обогащения урана типа Zippie работают со скоростью около 1500 оборотов в секунду, поэтому они являются хорошим эталоном. (Некоторые турбокомпрессоры работают быстрее, до 4800 оборотов в секунду, но они довольно малого диаметра, поэтому проще в изготовлении). 1500 об/сек это примерно 9500 рад/сек. С$v=r\omega$, мы можем решить для радиуса колеса,$r=\frac{v}{\omega}$. Давайте нацелимся на довольно низкую скорость: 500 м/с. Химические ракеты имеют скорость выхлопа в диапазоне 2500-4500 м/с, но мы можем установить более низкую скорость, потому что мы всегда можем заправиться позже. Это говорит о том, что нам нужны колеса радиусом порядка 50 см.

Точная структура центрифуги в стиле Зиппи является тщательно охраняемым секретом, но Википедия дает условный размер центрифуги 20 см или меньше. Это означает, что наше колесо будет выдерживать силы, примерно в четыре раза превышающие силы ядерной центрифуги по обогащению. Имейте в виду, что этими центрифугами тщательно управляют, запечатывают в вакуумных камерах и левитируют на магнитных подшипниках. Силы ускоряющей массы с краем одного из этих колес будут намного больше. Что еще более важно, они будут смещены от оси, что всегда сложно для центрифуги.

Таким образом, свойства материала, которые нам нужны, раздвигают границы того, что используется в центрифугах для обогащения, просто чтобы получить одну десятую ISP ракеты. Таким образом, реальный вопрос будет заключаться в том, существуют ли планы миссий, в которых полезна 1/10 ISP ракеты, но другие технологии недостаточны.

В процессе измельчения будет потрачено огромное количество энергии. Только крошечная часть будет преобразована в кинетическую энергию: остальное будет потрачено впустую в виде тепла, плюс ваша мельница изнашивается, и вам нужно будет иметь всевозможные сложные механизмы, чтобы поддерживать ее работу.

Вы можете уменьшить износ и энергию, необходимую для измельчения частиц, используя более прочный материал.

Но тогда вы могли бы просто решить не измельчать частицы и выбрасывать порошок обратно, используя прялку без необходимости его измельчения.

Но тогда можно просто ионизировать порошок, выбрасывать частицы электрическим полем и полностью избавиться от колеса. Это было бы намного эффективнее.

Затем вы можете заменить порошок на ксенон для большей эффективности.

И теперь у вас есть ионный привод, и они уже есть у нас.

Есть два соображения: первое — это интернет-провайдер, который обсуждается в нескольких ответах. Другой - энергоэффективность - сколько джоулей входной энергии в конечном итоге преобразуется в кинетическую энергию в выброшенной массе топлива.

Если вы рассматриваете типичную ракету, энергоэффективность на удивление высока - IIRC около 70% доступной химической энергии преобразуется в кинетическую энергию массы топлива, выбрасываемого вдоль оси тяги (остальное - это излучаемое отработанное тепло или компоненты скорости топлива перпендикулярно к оси тяги).

Использование электростанции, например атомной, для выработки электроэнергии для привода двигателя включает в себя несколько этапов преобразования, каждый из которых сопряжен с потерями. Начнем с того, что сам ядерный реактор создает тепло, которое должно быть преобразовано в механическую работу (в лучшем случае с КПД около 40% IIRC), которая затем преобразуется в электричество (возможно, с КПД 80-90%), а затем в механическую работу (опять же, возможно, 80%). %-90%).

Использование ядерной реакции для нагрева топлива, которое вы выбрасываете напрямую ( ядерная ракета ), возвращает вас к той же энергоэффективности, что и химические ракеты, но с более высоким ISP, потому что вы потенциально можете достичь более высоких температур.