Насколько большим должен быть термоядерный реактор и батарея конденсаторов, чтобы привести в действие двигатель массы в космос?

Есть несколько проблем:

1. Массовый привод: Массовые приводы — очень крутая концепция, но они, как и все вещи, должны учитывать трение. Определение FAA для пространства чуть более 80 километров основано на том факте, что объекты могут превышать этот предел и оставаться на орбите. Любая вещь под ним создает достаточно сопротивления, чтобы уйти с орбиты. А именно : 2667 метров над уровнем моря недостаточно высоки, чтобы напрямую запустить что-то на орбиту.
2. НАСА обычно рекомендует не превышать 3 g ускорения, хотя хорошо тренированный человек может выдержать до 10 и выдержать свыше 40. С учетом этого и старого доброго исчисления можно вычислить приблизительную оценку необходимой длины драйвера (x = (v^2)/2a): при 3g вам потребуется 1380 км, при 5g вам потребуется 828 км, а при 10g вам потребуется всего 414 км. Чтобы сделать это ускорение в 140 км, вам нужно разогнаться до 30 g. Вполне вероятно, что большинство людей не выдержат этого целых пять минут.
3. Использование затрат энергии для объяснения того, как вы выходите на орбиту, вводит в заблуждение. Чтобы оказаться на орбите Земли, вы должны двигаться со скоростью около 7,8 км в секунду и находиться за пределами большей части атмосферы. В идеальных траекториях это соответствует дельта-v около 9,1 км в секунду. Реальность, к сожалению, вряд ли идеальна. Если маневр для выхода на орбиту включает в себя более крупный горизонтальный элемент, происходит большая потеря тяги, а значит, и энергии, в пользу гравитации. Кроме того, атмосферное сопротивление также снижает энергию, экспоненциально увеличиваясь по мере того, как вы проходите через атмосферу на все более и более высоких скоростях.
4. Что касается силы, то, по большому счету, где есть воля, там и путь. В настоящее время у нас есть возможность заряжать магниты на БАК до 10 ГДж, так что вы сможете сделать это с помощью современных технологий. Размер силовой установки зависит только от того, как часто вы хотите запускать эту штуку (1 ватт = 1 джоуль в секунду. Посчитайте).

Хотя эта концепция несколько ошибочна, это не фатально. Драйвер массы можно использовать для начального ускорения и т. д. Так что не отказывайтесь от маленького X, наследуйте звезды.

Массовый привод на земле не обязательно является хорошей идеей, но есть еще некоторые текущие проекты от пушки до космоса, и они могут иметь смысл, так что давайте посчитаем некоторые цифры.

Энергия запуска, которую нужно потратить,

40 МДж/кг — разумное число, это число представляет собой кинетическую энергию при скорости 8944 м/с. Идти по воздуху мелкими, подтонными снарядами, если я правильно помню из того проекта ПВРД - потери могут быть до 50%. Для более крупных снарядов ситуация имеет тенденцию улучшаться: чем больше (уменьшается доля площади поверхности / массы) снаряд, тем меньше потери, чем дольше он находится в воздухе, тем меньше угол, тем больше потери. Но, давайте с 50% потерями с таким аспектом, может и многовато, но это зависит от конкретной траектории, угла подъема.

Потери при хранении получают эффективность 70-80 процентов - батареи, конденсаторы, механические накопители + плюс некоторые потери при передаче - эффективность хранения 70 процентов.

Сама по себе гусеница не является идеальной машиной, что бы там ни происходило — процедуры самоочистки, устройства для правки, охлаждающие змеевики, кондиционирование гусеницы или что-то еще — давайте 50%.

Таким образом, мы можем закончить с эффективностью 17,5%, и что 40 МДж/кг увеличиваются примерно до 230 МДж/кг и в сумме составляют 4600 ГДж или 1,26 ГВтч. Давайте немного округлим это, так как вам могут понадобиться дополнительные сани (например, в ракетных салазках), которые не отправляются в космос, а держат вещь на ходу, и скажем, 1,5 ГВт-ч (5,4 ТДж).

Итак, параметры запуска в конечном итоге будут такими:

• Скорость 12,6 км/с (безумие), 57 g (много), разгон 140 км (короткий, не человеческий, вроде как)

общая энергия для производства и взимания платы за запуск - 1,5 ГВтч, цена с 0,1 бакса за кВтч - 150 тысяч.

• 30% потерь в заряде-разряде, 50% потерь в дорожке так в конденсаторных батареях его надо хранить примерно в 2 раза больше чем нужно в идеальном случае и опять же 2х из-за надо стрелять быстрее чем если бы не было воздуха - всего в 4 раза больше, чем в идеальном случае
• и в целом нам нужно подавать от электростанции в систему в 5,7 раз больше, чем в идеальном случае, всего 1,26 (1,5) ГВтч
• Низкая околоземная орбита (LEO) Trans-Lunar Injection (TLI) 3,20 км/с delta-v, таким образом, вам нужно около 3 км/с дополнительно, и это около +57% с точки зрения энергии.

требования к реактору

150 МВт, ИТЭР-III - да, довольно типичный ИТЭР - объем плазмы 840 м3, тепловая мощность 500 МВт с большим зданием и все такое вокруг.

А из общего количества видим, что может хватить на 1-2 пуска в день - так что как источник питания - нормально.

более частые запуски и вам может понадобиться пропорционально больше тех или получить выведенную из эксплуатации атомную станцию ​​- всего один блок дает вам примерно в 10 раз больше, а таких на станции мало. (или просто оплачивать счета за электричество, не так дорого)

• подойдет даже дизельный (метановый) генератор, это определенно более эффективное решение, чем использование этого топлива в химической ракете.

На последних километрах пиковая потребляемая мощность составляет около 2800 ГВт (57 г, максимальная скорость 12,6 км/с, x2 (из-за потери 50% на трассе), полезная нагрузка 20000 кг).

Это в 40 раз больше пиковой мощности производства электроэнергии в Германии (?) или около 242 ГВт (в среднем), примерно за 22,1 секунды, да, это слишком много для большинства способов выработки энергии, но для термоядерного реактора это может быть на самом деле не так уж плохо.

Не обязательно для Токамака ИТЭР - но в целом для термоядерного синтеза как сейчас - они работают недолго, как пока и для запуска нужно всего 22 секунды - так что, может быть, именно потребность в такой импульсной мощности и делает его хорошее соответствие технологиям фьюжн того времени - им не нужно работать слишком долго, они могут работать в импульсном режиме, как раз то, что может понадобиться треку. в некоторых обстоятельствах может быть совпадение, сделанное на небесах, с каким-то МГД-генератором , который на зрелой стадии может позволить запускать полезные нагрузки с интервалом в несколько секунд - запуски ракет с термоядерным двигателем, как здорово, что это определенно то, чего можно с нетерпением ждать.

• это направление слияния требует дальнейшего изучения. он не должен поддерживать плазму, но работает больше как прототип термоядерного ракетного двигателя, имеет более открытую архитектуру, а не токамак, меньше проблем со стабильностью (возможно), поскольку они выдуваются в виде выхлопных газов.

• требуется около 18 000 ИТЭРов, как в q, для прямого питания устройства, если они не могут обеспечить надлежащую пиковую мощность, и если они могут следовать профилю мощности за эти 22 секунды, то это может быть 1600 из этих блоков.

• с зарядкой раз в час для запуска требуется около 1,5 ГВт линии электропередач, что не так уж и много. Не поймите неправильно, это хорошая мясистая линия, но электростанции могут быть за 1000 км.

хранилище энергии

во-первых, забавный факт - на каждый метр трассы требуется равное количество энергии. Таким образом, хранилище энергии может представлять собой ряд одинаковых коробок вдоль дорожки, и в этом смысле его объем не так важен, важна масса, поскольку она более непосредственно коррелирует с ценой решения.

Таким образом, мы получаем наши 1,5 ГВтч (5,4 ТДж) и с учетом наших предполагаемых 70% потерь при зарядке (немного неправильно, но...), номинальная мощность на каждый метр пути должна быть 27 МДж (кстати, несколько кг пропан, 49,6 МДж/кг - может быть опцией, аналогично заряду ЭМИ).

Судя по вики, ситуация с литиевыми батареями и маховиками (кстати, хорошая штука) выглядит похожей - около 57 кг материала на метр пути. (Однако выходной разряд слишком низкий, поэтому это просто число для накопления энергии)

Суперконденсаторы

удельная энергия - это то, сколько энергии они могут хранить по массе. удельная мощность - насколько быстрый или мощный разряд

Таким образом, с точки зрения энергии ему требуется около 1500 кг суперконденсаторов (18000 Дж / кг, 5 Вт-ч / кг), но с точки зрения разрядки это немного сложно.

при удельной мощности 10кВт/кг и общей массе 210 000 тонн этих суперконденсаторов, общая мощность разряда составляет 2100 ГВт, что меньше пиковой мощности 2800 ГВт, требуется больше этих конденсаторов 280 000 тонн или 2000 кг/м, реально возможно даже больше, но мы получили неплохие запасы прочности ранее со всеми КПД и потерями, пора использовать их здесь.

• удобно в таблице приведены номера более штатных конденсаторов, примерно одинаковых для них, в 10 раз лучше по разрядной мощности и в 10 раз хуже по энергонакоплению, но если они в 10 раз дешевле, то может быть альтернативой.

В качестве объема возьмем LSG/диоксид марганца с 42 Вт·ч/л (150 кДж/л) с разрядом 10 кВт/л (который использовался) и 10 000 циклов (подозрительный dog.jpg, не в этой установке, лол)

И мы получаем 240 литров на метр гусеницы или 12 5-галлонных ведер (я думаю).

Итого получается 33600 кубометров, много, но на станцию ​​каждый км будет 240 кубометров на станцию, с разносом в несколько метров высотой прямоугольник 10х20м.

проблемы и не проблемы

@thewildnobody в своем ответе обратился к ним достаточно хорошо.

Тем не менее, есть еще вещи, которые можно отметить, может быть, даже положительные.

NACA, агентство, которое предшествовало НАСА, провело несколько испытаний еще в те дни, и для испытаний использовалась погружная установка с половинным резервированием, и это позволяло некоторым тестерам выдерживать 30 g (или что-то в этом роде) в течение примерно 30 секунд - ограничения были связаны со спецификациями центрифуги. и задержки дыхания пределов тестера. И максимум на короткое время был около 83 г (не с настройкой) - так что в этом смысле 57 г не невозможны, даже если они проблематичны.

А из-за атмосферы нужно быть готовым к большим перегрузкам, даже если у вас будет более длинный трек с умеренными 5g, как вы того хотите, то все равно после выхода из массдрайвера будет несколько секунд объявления, а это не дает легче, чем будет противодействующая сила, и это ускорение может быть очень большим, за несколько секунд оно может упасть на несколько км/с ооочень, потери на взаимодействие с воздухом могут быть довольно большими, поэтому торможение. Для некоторых типов беспилотных транспортных средств это еще нормально, но для людей в любом случае вам может понадобиться хорошая коробка с мармеладом. Вся жизнеспособность зависит от того, насколько хороша эта коробка с желе.

избыток желе или воды, вероятно, можно использовать для абляционного раствора в те критические несколько секунд, прежде чем корабль покинет плотную атмосферу, но это не точно.

ps я почему-то зациклился на цифрах и наделал кучу ошибок, теперь думаю, что это более-менее нормально, но все же это более-менее пример расчетов.