Термодинамика, бессердечная ты сука!

alex_anpilogov — 31.07.2015 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 испаряется 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. Для термоядерных же двигателей «Султана Демонов Азатота» скорость истечения составит и того выше: от 5000 до 40 000 км/c, что вообще закрывает какие-то возможности по охлаждению космического корабля за счет уносимых миллиграммов продуктов реакции гелия-3 и десятков грамм дополнительной плазмы.
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, который при разгоне, торможении и маневрах корабля и создает основную массу тепла, даже сегодняшний космический корабль представляет из себя громадную грелку, начиная от системы жизнеобеспечения, тепла тел космонавтов — и заканчивая последней кофеваркой или сливным бачком на его борту. Хотя к роли сливного бачка мы ещё вернемся чуть позже.

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 хладагента.

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 = R_e * (5,67x10^-8) * R_a * R_t⁴

Это — наглядная запись закона Стефана-Больцмана, где 5,67x10^-8 постоянная Стефана-Больцмана, R_e — 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), R_a — площадь радиатора, а R_t — 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:



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 — 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:

— 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 — от различных жидкостей, потерявших свои свойства и до, извините за подробности, содержимого сливных бачков космического линкора.
Такие жидкости, кстати, иногда можно и отправлять буквально 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
Представление об идеальном корабле:
Интеграция в сети, наблюдение, установка вооружений, дизайн и конструирование, двигательная установка...


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


—  без уважения законов термодинамики лететь нам никуда не позволят.
Термодинамика, бессердечная ты сука!

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив