?

Log in

No account? Create an account

Делай, что должен

будет, что будет

Previous Entry Share Next Entry
Огнь, Птчок, Огнь! (UNI3)
crustgroup
Вопрос войны в космосе невозможно разобрать, не коснувшись проблем термодинамики.
Ведь космос отличается от Земли не только отсутствием силы тяжести и силы сопротивления движению — космос ещё и обладает совершенно отличной от Земли термодинамикой.
А термодинамика космоса будет важна нам и для войны, и для мирной жизни. Потому что термодинамика — это наше всё.

Поэтому, прежде чем "запилить" ужасную и смертоносную Звезду Смерти, которая должна своим мощным выстрелом разрвать какую-то пролетающую рядом планетку или зазевавшийся стардестройер, мы должны указать на несколько неприятных для самой Звезды Смерти моментов.

Итак, приступим.

death-star-beginning

В начале...
В начале у нас есть три начала термодинамики. Которые нам говорят о том, что всякая вещь есть тепло на выходе и могут быть сформулированы в шуточной форме:

Первый закон: Нельзя выиграть у Термодинамики, можно только сыграть вничью.
Второй закон: Сыграть вничью можно только при абсолютном нуле.
Третий закон: Абсолютный ноль недостижим.

Я позволю себе переформулировать эти законы для планет и космоса:

Первый закон: Планета не выиграет в войну у Космоса, можно только сыграть вничью.
Второй закон: Сыграть войну вничью можно только ничего не делая.
Третий закон: Война в космосе невозможна.

И в этом нам помогает и термодинамика, и физика, и то, как устроен наш мир.


Когда мы говорил о сражении в космосе, мы невольно представили себе бронированные громады, которые обмениваются залпами из орудий главного калибра, запуская навстречу врагу по баллистическим траекториям вёдра гвоздей (ускорять не надо, скорости и так исчисляются километрами в секунду), пуляют друг в друга ракетами с ядерными и термоядерными боеголовками, а на близких расстояниях — ещё и поджаривают друг друга лучами своих сверхмощных лазеров.

Сразу предупреждаю читателей: всё это практически невозможно.
В теории у нас, конечно, почти что Звезда Смери, а вот на практике — есть два придурка, которые пилят в смешных костюмах доску на зимнем заднем дворе.

Начнём с лазеров.
Любой лазер — это мощность. Мощность современных разрабатываемых лазеров составляет около 1 МВт. Именно такую мощность имеет, например, лазер американской "боевой лаборатории" Boeing YAL-1. В мечтах американских военных этот пепелац должен сбивать стартующие российские МБР ещё в атмосфере и послужить заменой почившей в бозе программы СОИ.

Airbornelaserturret
Настоящий лазерный пиу-пиу. Стоил 5 млрд. долларов. Не взлетел.

Для сравнения величины мощности лазерного оружия (1 МВт) его часто сравнивают с чем-то более привычным вашему пониманию — например, мощность выстрела из 76-мм пушки составляет около 150 МВт (да, это так), выстрел из винтовки СВД имеет мощность около 180 кВт, а английский длинный лук при выстреле развивал мощность в 4,2 кВт.

Однако, в защиту лазера, всё же надо сказать, что принципы действия лазерного и баллистического оружия несколько отличаются друг от друга.
Лазер бьёт по цели достаточно длинными импульсами (YAL-1 мог выдавать эту мощность на протяжении 3-5 секунд), а пушка, винтовка или лук стреляют по цели тоже импульсно, но гораздо более короткими промежутками, затрачивая на выстрел от 0,1 до 0,01 секунды.
Поэтому, лучше сравнить их в виде джоулей энергии, переданных в виде "послания добра и мира" по направлению к врагу.

Имеем:
Лазер — 3-5 МДж
Пушка калибра 76-мм — 1,79 МДж
Винтовка СВД — 0,0036 МДж
Блочный лук — 0,00015 МДж

Кроме того, стоит добавить, что в случае, если пушка стреляет не чугунной болванкой, а хотя бы фугасом, ещё около 2 МДж энергии будет доставлено в виде энергии взрывчатого вещества, которое попадёт во врага.
В общем, вот эта вот груда настоящего, добротного чугуния доставит (при прочих равных) к врагу в космосе гораздо больше нужной энергии, чем настоящий, няшный боевой лазарь:

800px-76mm_m1936_F22_gun_Hameenlinna_1

Тем более, надо понимать, что в космосе нет земной баллистики, поправок на ветер и температуру воздуха — при желании и при наличии достаточно мощного вычислителя засандалить 4 МДж добра прямо в темечко супостату никто не помешает.

Однако основной "трэшъ, угаръ и содомiя" начинается тогда, когда к энергиям разных баллистических снарядов начинаешь добавлять всяческие вкусности вроде относительной скорости двух враждующих флотов.
Я не буду вас пугать встречной скоростью в 100 км/с, которая, в принципе, легко достижима в разборке "Марс-Земля", но давайте решим посмотреть, что случится, если два космических адмирала встретятся на весьма достижимой между Луной и Землёй относительной скорости в 10 км/с.

Для лазера значения энергии не поменяются никак (принцип действия не позволяет там учитывать относительную скорость), а вот энергии баллистических снарядов поменяются разительно:

Лазер — 3-5 МДж
Пушка калибра 76-мм — 409 МДж (ну и ещё где-то 2МДж во взрывчатке)
Винтовка СВД — 0,6 МДж
Блочный лук — 1,5 МДж!

Ух-ты!
Блочный лук неожиданно вырывается вперёд и имеет мощность в половину мощности лазера!
А что? Стрела тяжёлая (я принял массу в 30 грамм), основную скорость ей придаёт не тетива, а скорость двух космических кораблей друг относительно друга.
Скрипач Лазер не нужен. Достаточно запустить по курсу навстречу к противнику ведро гвоздей — и гарантированный результат вам обеспечен.
Главное — чтобы относительная скорость была повыше.
Ну, а если у вас в распоряжении есть плохонькое 76-мм орудие (которое к тому же в вакууме сможет стрелять эффективнее, чем на Земле) — то лазер вам уже не просто не нужен — он противопоказан.
Свистать наверх лучников! Стрелы — товсь!

Впрочем, всё украдено до нас.
Станция «Салют-3» («Алмаз-2») была оборудована 23-мм автоматической пушкой, сконструированной КБ академика Нудельмана для стрельбы в вакууме (система «Щит-1»). Испытания пушки прошли в январе 1975 года.
Вот это творение сумрачного русского гения, настоящее космическое "пиу-пиу":

Salyut 3 gun

Однако, проблемы лазеров не исчерпываются тем, что на реальных скоростях космического боя они резко уступают даже обычным огнестрельным орудиям весьма скромного калибра.
Основная проблема лазеров в другом — у них совершенно неудовлетворительный КПД.
Для получения достаточного для повреждения цели количества излучаемой энергии, необходимо затратить в десятки (а иногда и в сотни) раз больше энергии для накачки рабочего тела лазера.
В частности, как мы показали выше, для нанесения повреждения, аналогичного удару пули калибра 7,62 мм (в энергетическом соотношении) требуется лазерный импульс мощностью около 3,6 кДж.
Лучевой импульс продолжительностью в секунду, таким образом, будет иметь мощность 3600 ватт. При этом следует учесть, что фактор низкого КПД лазера обяжет нас иметь источник питания должен  минимум в десять раз больший по мощности (а может быть — и в сто раз больший) . Именно масса источников энергии для накачки, в значительной степени, определит тяжесть подобного оружия по сравнению с баллистическими системами.
На настоящее время портативных источников энергии с такой плотностью энергии не существует.
Никаких солнечных батарей, никаких ветряков топливных элементов.
Только ядерный реактор, только хардкор.

Но гораздо важнее другое.
Неизлучённый в лазерном импульсе остаток энергии выделится в виде тепла в конструкции оружия, что потребует весьма эффективной и тяжёлой системы охлаждения для сброса тепла. А потребное время остывания, в свою очередь, чрезвычайно уменьшит скорострельность оружия. Оговоримся, что проблема теплоотвода отчасти решена в лазерах с химической накачкой (в частности, кислородно-йодном и дейтерий-фторном лазерах большой мощности, выдающих мегаватты в секундном импульсе), где отработанные химические компоненты выбрасываются из системы после имульса, унося тепло. В то же время, излучателю требуется большой запас этих, зачастую агрессивных, реагентов и соответствующие ёмкости для хранения.
И вот тут-то мы подходим к главной проблеме лазеров в космосе.
Тепло там просто некуда девать.

Даже сбросив часть тепла в виде отработанных компонентов накачки лазера (кто сказал: "Каждый килограмм в космосе бесценен? Молчать!") мы всё равно оставим часть тепла в конструкциях корабля.
А значит — нам понадобится это тепло излучать. Других разумных вариантов в космосе нет ни градирню, ни пруд-охладитель, ни вентиляторы там не поставишь.
А значит — практически любой корабль, который будет активно двигаться в космосе и ещё пытаться время от времени постреливать чем-либо, будет выглядеть где-то вот так:

isv_venture_star

Красное — это радиаторы охлаждения корабля. И это они не покрашены так, они сами сияют тёмно-малиновым светом, излучая тепло в окружающий космос и имея температуру в пределах 700-800 °C.
Столь высокая температура нужна, чтобы радиаторы имели сколь-нибудь "земной размер", поскольку при более низких температурах их надо было бы сделать пропорционально больше — согласно закону Стефана-Больцмана любое тело излучает энергию пропорционально четвёртой степени своей температуры.
Так что, господа, если вы не хотите радиаторов размеров в десяток километров на каждом корабле, который что-то творит у себя внутри с энергией — будьте готовы к тёмно-вишнёвым (а может быть — и к ослепительно-жёлтым) радиаторам.
Причём, радиаторы вынуждены будут ставить себе почти все корабли — и двигатель, и системы жизнеобеспечения кораблей, практически всё оружие и даже центральное светило Солнечной системы — всё это будет постоянным источником тепла.

skylab

Это фотография станции "Скайлэб". Блестящая "заплатка", натянутая поверх станции — это отражающая плёнка (попросту — высокопрочная фольга), которую астронавты были вынуждены натянуть поверх чёрного корпуса станции, чтобы избавить её от перегрева на Солнце.
Во время старта "Скайлэба" с Земли в результате аварии был уничтожен теплозащитный экран, важный элемент системы терморегулирования. В результате этого внутри герметичных отсеков, предназначенных для комфортной жизни астронавтов, стремительно выросла температура (до 65 °С).
Специалисты NASA даже опасались, что станция заполнится ядовитыми газами от пластика и других облицовочных материалов (они не были рассчитаны на такую высокую температуру), выстилавших отсеки изнутри.
Поэтому первая же экспедиция на "Скайлэб" была вынуждена заниматься установкой этой корявой плёнки поверх погибающей станции.

Кто там сказал снова это дурацкое слово "стелс"?
А куда деть радиаторы?
(ну и, конечно, попутный дурацкий вопрос: "А как защитить радиаторы от стрел снарядов противника?")

В космосе нельзя спрятаться. Кроме тех случаев, когда ты каменный булыжник, который летит по зараннее определённой орбите.

Смысл идеи такого оружия описал Роберт Хайнлайн в своём легендарном классическом романе "Луна — суровая хозяйка".
Это орбитальная бомбардировка.

Ведь, в самом деле, если посмотреть на ситуацию с точки зрения "эм-вэ-квардат-пополам" Земля — очень тоскливое место для жизни.
Для того, чтобы забросить на вершину гравитационного колодца, в тот самый вожделённый космос, каких-то жалких 20 тонн массы, надо собирать на дне колодца ракету с общим стартовым весом в добрых 700 тонн.

А если запустить откуда-то из пояса астероидов небольшой камешек массой в 2000 тонн? Какую энергию при скорости в 10 км/с он будет иметь на орбите Земли?

1·1014 Дж.

Лазер говорите? Давайте тогда уж лучше в тротиловом эквиваленте.
25 килотонн.
Снесёт остров Манхэттен к чертям.
Да, я знаю, знаю. Атмосфера. Но 2000 тонн — отнюдь не предел для булыжника, который летит в нужное время и в нужном месте. 2000 тонн — это кусок хондрита размерами 12 x 12 x 12 метров.
Можно найти былыжник и поувесистее. И он вряд ли будет дорого стоить.
Ну — точнее его стоимость совершенно не будет соотносима с тем, что мы сейчас подразумеваем, произнося фразу "бабахнуло 25 килотонн".

Поэтому, господа любители космоопер:

catgirls

"Каждый раз, когда вы привлекаете реальную физику к обсуждению фэнтези-комикса, бог убивает девочку-кошку. Пожалуйста, подумайте о девочках-кошках!"

Перефразирую.
"Каждый раз, когда вы привлекаете комиксы для обсуждения будущего, бог убивает для вас настоящее будущее".

Будьте внимательны к деталям.
Там дьявол, но он — ваш лучший проводник в мир будущего.

"Она висела, как обычно, в западном секторе неба на полпути к зениту — огромный яркий полумесяц, родившийся всего три дня назад.
Солнце уже клонилось к западу, но его сияние мешало мне ясно видеть Терру.  Над Африкой вставал рассвет, ослепительные отблески его ложились на сушу, но это не очень мешало, а вот южная полярная шапка резала глаза белизной и не давала разглядеть Северную Америку, освещенную пока только лунным светом.

08:51... 08:52... 08:53... осталась одна минута... 59... 58... 57... полминуты... 29... 28... 27... десять секунд... девять... восемь... семь... шесть... пять... четыре... три... две... одна...
И внезапно на карте маленькими алмазными искорками вспыхнула наша сетка!

Мы нанесли такой сильный удар, что его можно было видеть невооруженным глазом, без всякого бинокля. Челюсть у меня отвисла, и я прошептал "Боже мой" еле слышно и почти благоговейно. Двенадцать очень ярких, очень резких, ослепительно белых вспышек образовали точный геометрический рисунок. Они вспухли, слегка затуманились, сделались красными
казалось, это длится бесконечно долго. Потом возникли новые точки, но великолепный узор настолько заворожил меня, что я их едва заметил.
Да, согласился Майк, очень довольный собой. Тютелька в тютельку."
Р. Хайнлайн. "Луна суровая хозяйка"

Только баллистические снаряды, только хардкор. Булыжники на службе гнева Господа.

"Свистать наверх лучников! Стрелы — товсь! Враг по азимуту ноль-три-пять, созвездие Гончих псов. Открыть заградительный огонь! Целится в радиаторы!
Не дать им прорваться к нашим булыжникам!"

Космосу явно есть чем защищаться. Но он вряд ли нападёт первым.
Потому что ему это будет не очень интересно.

promo crustgroup september 5, 2012 16:48 88
Buy for 100 tokens
Начиная цикл статей о ядерной энергии я постараюсь описать несколько моментов, которые часто проговариваются вскольз, либо вообще не упоминаются при разговоре о "ядерной альтернативе" ископаемым минеральным топливам. Стартанём собычных цифр и картинок, которые иногда гораздо более…

  • 1
Тут какое то нарушение логики - с чего вы решили, что я пытаюсь добыть энергии больше, чем ее есть? Изначально вами сформулирована проблема - 90% энергии необходимой для выстрела из "лазера" надо будет сбрасывать в космос. Причем судя по "радиаторам" вопрос отвода тепла от лазерной установки вас не очень волнует. Т.е. вопрос на самом деле не в излишках энергии, а в её форме. Тепловую энергию "достатую из атома или хим соедением" хранить неудобно. Каким образом дедушка Карно запрещает преобразовывать энергию? Да КПД не 100% я в курсе. Но к моменту обсуждаемых событий вроде битвы в космосе и КПД лазеров будет лучше и кпд преобразователей тоже будет достаточно высоким. И такие большие радиаторы или сбросы ценного вещества в космос не потребуются.

Я понимаю ваше преклонение перед термодинамикой, но любая физическая модель это модель, имеющая граничные условия и определенные постулаты. Наверняка древний мыслитель эпохи до изобретения рычага тоже рассуждал, что "большие объекты никогда людям не понадобятся, потому, что немыслимо согнать столько людей и прокормить их, чтобы они подняли вертикально что-нибудь размером с ректификационную колонну, всегда будем строить из маленьких камней, которые можно найти на месте."

Найдите способ девать энтропию в вакууме

И мир будет у Ваших ног.
Без этого все, что бы Вы ни предложили, будет вечным двигателем второго рода.
Учите классиков.

Re: Найдите способ девать энтропию в вакууме

Блин. И что же по вашему я предлагаю?

П.С, Уточняю, у меня ощущение разговора на разных языках.

Re: Найдите способ девать энтропию в вакууме

Вы предлагаете утилизировать тепло в космическом аппарате способом, отличным от излучения. ВСЕ попытки сделать это приведут к тому, что оставшееся после совершения работы тепло придется излучать более холодными и более громадными излучателями. Если это тепло никуда не девать, любой способ его утилизации остановится в момент достижения телом-"холодильником" определенной температуры, вот и всё.

Re: Найдите способ девать энтропию в вакууме

Вообще я не предлагал использовать дополнительную энергию, чтобы утилизировать тепло - тепло (температура) оно уже само по себе энергия и её можно не только рассеивать, но и использовать или сохранять в более удобной форме за счет нее самой. Т.е. не используем доп. энергии, а тратим часть возникшего потенциала на что-то другое, кроме рассеивания - т.е не надо запускать холодильную машину со своим отдельным источником питания.

В качестве иллюстрации практической реализуемости таких подходов:

"Новый материал, созданный в США, способен радикально повысить эффективность термогенераторов, непосредственно преобразующих бросовое тепло в электричество, а значит, сделать более реальными компактные и относительно мощные термоэлектрические установки, утилизирующие бесполезно рассеиваемое тепло от ДВС, уходящее с выхлопными газами, а также — собирающие бросовое тепло от выхлопа электростанций."

http://www.membrana.ru/particle/12826

ЛЮБАЯ термоэлектрическая установка будет вырабатывать энергию, только будучи размещенной МЕЖДУ горячим и холодным телом. Если Вы при поместите ЛЮБОЙ термогенератор в горячую среду, он НИЧЕГО не будет вырабатывать, и не сможет превратить тепло ни в какой вид энергии.

Любой другой вариант = вечный двигатель второго рода.

Все термогенераторы по приведенным Вами ссылкам работают только потому, что на Земле есть места с разницей температур.

Re: Найдите способ девать энтропию в вакууме

Володя, блин, ну не ожидал от вас ещё и таких перлов.
Ладно, объясняю в последний раз. С цифрами. Если не поймёте - ищите смысл сами.

Итак.
В начале у нас лазер. Или двигатель. Или Солнышко. Пофиг.
Пусть оно закачивает в наш пепелац 1 МДж энергии в секунду. Это, в общем-то, немного.
Атомный буксир Роскосмоса уже сейчас будет иметь такую ЯЭУ.

Исходя из равновесного излучения мы можем терять с поверхности нашего пепелаца в космос ну пусть 60 кДж энергии в секунду. Что это означает?

Это означает, что пепелац начинает нагреваться и тут нам на помощь приходит Стефан-Больцман, который увеличивает излучение нашего пепелаца в четвёртой степени температуры.

Пусть мы теряли 60 кДж при 300 К (30 С). Тогда для потери 1 МДж энергии и равновесного состояния нашего пепелаца с природой его надо нагреть до 600 К (до 330 С)
Тогда будет 60*16 = 1000 кДж или потребный нам 1 МДж.

Вы говорите: стоп!
Но корабль - то греется неравномерно! Давайте замутим наш маленький гешефт и насочиняем немного электричества, которое тут же 100% завернём в какую-нибудь хитрую химическую реакцию с КПД в 100% (хотя так и не бывает).

Идём с вашей идеей к дедушке Карно.
Для удобства делим корабль на 2 части, одну оставляем при 300К, а вторую ожидаемо нагреваем до 900К.
Сколько позволит нам перевернуть в электричество дедушка Карно?
(900-300)/900 = 66%.
Значит, из полученного вами 1 МДж халявы можно "сделать" 660 кДж электричества, а 340 кДж надо всё равно рассеять.
То есть - корабль всё равно нагреется. Пусть и не до 600 К, а всего до 460 К (187 С!), но это тоже будет очень неприятно...

Вот такие у нас пирожки с котятами...
И случай - идеальный, в реале всё будет гораздо печальнее.

Нет вы просто не понимаете, что я вам хотел сказать.
У вас есть тепло. Но вам вообще-то нужен холод. Поэтому - вам нужен радиатор, чтобы отдать это тепло космосу.
А вот тут получается две неприятности: либо радиатор при 700-800 °C и такой, как на рисунке - либо он размером в несколько десятков километров, но тогда уже может работать при температуре в 300 К, то есть - около нашего 0 °C.

То есть вопрос - в сбросе тепла.

Edited at 2013-05-09 05:48 pm (UTC)

Кхе... А с какой скоростью можно терять тепло в космосе, допустим постоянно оставляя в тени "заднюю полусферу" тёмной звезды, и приложив все необходимые для этого усилия?
Ну т.е. теплоёмкость у космоса конечно офигительная, но теплопроводность - разве не функция площади?
Опять же - насколько мы близко к звезде. Это важно. Чем ближе, тем дед Карно всё громче будет стучать в иллюминатор.

В космосе теплопроводность есть только между частями корабля.
На Земле, кстати, она в охлаждении принимает тоже небольшое участие, при воздушном (и тем более жидкостном) охлаждении гораздо бóльшую роль играет конвекция.
С какой?
Берём закон Стефана-Больцмана, получаем P(T) = AεσT^4, делим на теплоёмкость системы и получаем уравнение для статической системы (которая тепло не выделяет).
Ели что, ε - полная излучательная способность (нас интересует, прежде всего, ИК-диапазон), A - площадь радиатора.

Не так много.

В атмосфере мы рассеем на два порядка больше пассивной конвекцией.

Имелась в виду общая теплопроводность системы КА. Т.е. от источника к утилизатору.

Кроме радиатора есть более разумное использование тепла (разницы температур/тепловой энергии). Тепловую энергию можно не только излучать - можно к ней турбину подключить, термопару или мембрану поставить: "...разработали установку, которая может преобразовывать низкопотенциальное тепло в электричество. Источниками низкопотенциального тепла являются вода или пар с невысокой температурой (80-120ºС); для энергетики нужны более высокие температуры – 400-600ºС, вода при температуре близкой к кипению считается недостаточно горячей для производства электроэнергии.

В свою установку уральские ученые встроили специальные преобразователи, в которых мембрана, на которую давит низкотемпературный пар (около 100ºС), может генерировать электрический ток. Это устройство может найти применение на производствах, в которых сбрасываются горячие сточные воды. Низкопотенциальное тепло образуется в автомобилях, поэтому устройство перспективно как дополнительный к автомобильным аккумуляторам источник питания." http://aenergy.ru/1791

Т.е. вопрос в КПД процессов - чем больше тепла удастся конвертировать (за счет нее самой же) в удобную форму (электричество к примеру), тем меньше надо будет рассеивать. И да я помню, что не все тепло можно будет превратить в работу - вопрос в том, какую часть тепла можно будет превратить в работу, а это вопрос КПД и уменьшения этих ваших радиаторов (сбросов рабочего вещества).

См. выше объяснение.

а капельные радиаторы таки не позволяют чуток сэкономить на размерах?

Ваша проблема в том, что вы подходите с земными понятиями к космическим проблемам.
В космосе у вашего корабля не будет контакта с веществом, в космосе вакуум
Соответственно теплоотдача возможна только через излучение.
Не является вакуум холодильником, почитайте про устройство термоса

  • 1