Атмосферный дайвер

Татарин>> Если шар опоясать окружностью, лежащей в плоскости нормальной к направлению света, то ни одна из точек окружности не будет лежать в тени.
Fakir> Мир устроен так мерзко, что околокруговые орбиты высокого наклонения имеют свойство проворачиваться. Откуда и появляются солнечно-синхронные орбиты.
Да. И скорость этого проворота почти ровно 1 градус в сутки, около 0.04 градуса на оборот. Имея бесплатное рабочее тело, повернуть почти-бесплатно, "аэродинамически" - нефиг делать.

Татарин> характерный свободный пробег

Вот вырезка из Стандартной Атмосферы.
Последняя колонка — пробег.

h (км)	P (мбар)	T (°К)	rho (кг/м3)	N (м–3)	H (км)	l (м)
90	2.8e–3	210	5.0e–6		9.0e13	6.5	0.021
100	5.8e–4	230	8.8e–7		1.8e13	7.4	0.09
110	1.7e–4	260	2.1e–7		5.4e12	8.5	0.4
120	6e–5	300	5.6e–8		1.8e12	10	1.3
150	5e–6	450	3.2e–9		9.0e10	15	18

Xan> Последняя колонка — пробег.
Еще ниже спуститься?

Xan>> Последняя колонка — пробег.
s.t.> Еще ниже спуститься?

Зачем?
Даже на 150 км заборник длиной в сотню метров вполне будет работать.

Татарин>> характерный свободный пробег
Xan> Вот вырезка из Стандартной Атмосферы.
Xan> Последняя колонка — пробег.
Ну да, я считал (и потребные мощности, и скорость набора воздуха), исходя из давления в 1 миллионную атмосферы.
И полагая что высота - около сотни км. Очевидно, что реально потребная высота около 80-85км.
Но не вижу, что эти 15км меняют в схеме.

Xan> Берём глубокий стакан. Тогда молекулы, ударившись о дно, потом ударятся о стенки. Несколько раз. И остынут.
Xan> И получится слой газа, в который будут влетать следующие молекулы.
Как интересно.
А этот "слой" у дна он в каком агрегатном состоянии будет?
И под каким давлением? И что ему помешает улететь вперед через открытую дыру?

Татарин> И полагая что высота - около сотни км. Очевидно, что реально потребная высота около 80-85км.

Я выше писал, что на 150 км мощность нагрева 760 ватт/м2
Это столько тратится на заборник.
А мощность солнечных батарей умноженная на КПД МГД двигателя врядли больше 100 ватт/м2 батареи.
То есть, заборник должен быть раз в десять меньше по площади, чем батарея.
А сама батарея тоже сопротивление создаёт. Если у неё ребро будет в 1/10 от площади, то у неё вся мощность уйдёт в трение.
Ну, предположим, сделали батарею тоненькой — ребро 1/100 от площади.
Тогда на сопротивление уйдёт 10/100 часть, а на заборник 9/100 солнечной мощности.

Ещё раз: у солнечной есть полезная площадь, на которую солнце светит, и вредная площадь (ребра), которая создаёт сопротивление.
Это сопротивление должно съедать небольшую долю вырабатываемой мощности.
А большую часть должно съедать сопротивление заборника.
Поэтому летать надо достаточно высоко.
На высоте 120 км и ниже уже врядли получится.

Татарин>> И полагая что высота - около сотни км. Очевидно, что реально потребная высота около 80-85км.
Xan> Я выше писал, что на 150 км мощность нагрева 760 ватт/м2
Xan> Это столько тратится на заборник.
Xan> А мощность солнечных батарей умноженная на КПД МГД двигателя врядли больше 100 ватт/м2 батареи.
30% КПД МГД-двигателя? Ну, допустим.

Xan> То есть, заборник должен быть раз в десять меньше по площади, чем батарея.
Xan> А сама батарея тоже сопротивление создаёт. Если у неё ребро будет в 1/10 от площади, то у неё вся мощность уйдёт в трение.
Xan> Ну, предположим, сделали батарею тоненькой — ребро 1/100 от площади.
Возьми любую СБ - не для космоса, а просто любую, которую и не думали тоньше делать, а думали делать прочнее, чтоб не поломали при монтаже джамшуты всякие. Толщина у неё - десяток мм, площадь - квадратные метры. Это уже 1-к-100, но ни разу не тоненько - просто первая попавшаяся.
А ведь при увеличении площади СБ, площадь ребра-то у неё растёт как квадратный корень.

У нас потребная мощность, допустим 300кВт, площадь - порядка 1000кв.м. Если мы берём размерности недоспутника 20м х 50м, получается, что даже при толщине ребра 1см, ребро у нас 0.2м2, и на него приходится (по логике) 100м2 воздухозаборника. Потратить 0.2% на паразитное сопротивление - приемлимо, есть куча факторов, вносящих бОльший вклад.

И чем больше недоспутник, тем меньший вклад внесёт лобовое сопротивление конструкций... ну, вплоть до момента, когда аэродинамические и тепловые нагрузки станут достаточно существенны, чтобы влиять на массу.

Xan> На высоте 120 км и ниже уже врядли получится.
Не вижу на то объективных причин.

При давлении 1мбар плотность воздуха порядка 1мг/м3.
1Е-6 кг * (8000м/с)³/2 = 256 Вт/м2 воздухозаборника.

Откуда взялись 700Вт на бОльших высотах? зачем столько мощности?

Татарин> 1Е-6 кг * (8000м/с)³/2 = 256 Вт/м2 воздухозаборника.
Татарин> Откуда взялись 700Вт на бОльших высотах? зачем столько мощности?

Однажды в начале перестройки товарищи уч0ные решили подработать — взялись облучать для дезинфекции что-то медицинское на имеющемся у них ускорителе электронов.
Посчитали, сколько им на это потребуется времени, получилось, что за месяц запросто, подписали договор.
А когда начали облучать — совершенно внезапно!!! — дозиметр показал в десять раз меньшую дозу.
Взялись проверять расчёты и обнаружили потерянный нолик в количестве 1 (одна) штука.
Пришлось, чтоб выполнить договор, менять геометрию и пахать в три смены без выходных.

Татарин> При давлении 1мбар плотность воздуха порядка 1мг/м3.

А ты щедрая душа, аж три нолика потерял!!!
Но тут тебе повезло, на высоте 100 км плотность почти такая — 0.88 мг/м3.

Татарин> 1Е-6 кг * (8000м/с)³/2 = 256 Вт/м2 воздухозаборника.

Учимся считать на счётных палочках и на видоузовском калькуляторе!
Его, конечно, надо использовать в "инженерном" режиме. А не в "обычном".
Пишем строчку:

0.88e-6 * 7800y3 / 2 =

"y" (игрек) у калькулятора значит "в степени".

Копируем строчку в буфер обмена и вываливаем её в Калькулятор.
Получаем:

208802.88

Это ватты на м2.
Ну, можно твою строчку в него сунуть:

1e-6 * 8000y3 / 2 = 256000 Вт/м2

Опять ты три нолика потерял!

Но это ещё не рекорд, у ЖульВерна есть (выдуманная) история про крутого математика, который аж шесть ноликов потерял.
Там выстрелом из огромной пушки хотели земную ось наклонить.

Xan> Берём глубокий стакан.

Стакан - это хорошооо! Если хотя бы наполовину полный.

Xan> Тогда молекулы, ударившись о дно, потом ударятся о стенки. Несколько раз. И остынут.

Угу. Фиг там.
С куда более высокой вероятностью они улетят обратно. "На волю, всех на волю!" © герцог

Xan> И получится слой газа, в который будут влетать следующие молекулы.
Xan> В самой атмосфере пробег 9 см на 100 км, 40 на 110, 1.3 метра на 120 и 18 метров на 150.
Xan> Для заборника в несколько метров размером уже будет получаться газ.

Не-бу-дет.

Скорости набегающего потока (который и не поток) очень конкретно сверхзвуковые. Торможение возможно только через ударную волну. Толщина скачка уплотнения ~ 10 пробегов.

И даже за таким скачком - если условий хватит для его формирования - будет еще не газ, а чистая порнография. Которую опять-таки хрен удержишь.

Xan> А вот потом его надо будет сжимать большим количеством ступеней в огромное число раз. Каждый раз охлаждая.

Угу, даже если бы не было всех вышеперечисленных принципиальных трудностей - это бы стало уже изрядной проблемой.

Fakir> С куда более высокой вероятностью они улетят обратно.
Формой стакана не решается?

Xan>> Для заборника в несколько метров размером уже будет получаться газ.
Fakir> Не-бу-дет.

Бу-дет.

Fakir> Толщина скачка уплотнения ~ 10 пробегов.

Пробегов перед фронтом или после фронта?
Воздух будет уплотняться раз в десять (См. Ударная волна ядерного взрыва), при этом будет диссоциировать, так что число частиц в объёме будет во много десятков раз больше. А пробег — меньше.

Кстати, не маленький пробег — это хорошо, быстрее тепло передастся стенкам, которые излучат.

Xan>> А вот потом его надо будет сжимать большим количеством ступеней в огромное число раз. Каждый раз охлаждая.
Fakir> Угу, даже если бы не было всех вышеперечисленных принципиальных трудностей - это бы стало уже изрядной проблемой.

Ну так эта тема для мечтателей же!!!


Fakir>> С куда более высокой вероятностью они улетят обратно.
s.t.> Формой стакана не решается?

Чем больше отношение длины к диаметру, тем лучше.

Xan> Чем больше отношение длины к диаметру, тем лучше.
не, я о том, чтобы внутри винтовых перегородок наставить, чтобы больше соударений было, но без обратного отражения.

Xan>> Чем больше отношение длины к диаметру, тем лучше.
s.t.> не, я о том, чтобы внутри винтовых перегородок наставить, чтобы больше соударений было, но без обратного отражения.

Если сталкивается уже "остывшая" молекула с вновь прилетевшей, то они обе (с большой вероятностью) полетят вглубь стакана.
Школьная задачка про упругое соударение одинаковых шариков.
Даже если старая молекул летит против потока, при столкновении с новой часть энергии может пойти на возбуждение молекул и удар уже не будет упругим, когда одна из молекул могла бы вылететь.

Давление в стакане по всей длине будет одинаковым:

P = rho * v²

Хотя в тонкой трубе влетающие молекулы будут передавать часть своего импульса на стенки, так что в тонкой давление будет меньше.

В заднем конце трубы плотность остывшего воздуха будет примерно в 600 раз больше, чем за бортом.

Татарин> Возьми любую СБ - не для космоса, а просто любую...
Можно немножко глупых вопросов?
Если я правильно понял рассуждения про полярную орбиту, то аэродинамическая сила будет стремиться развернуть лопухи СБ перпендикулярно направлению гравитации?
Разве СБ в этом случае не будет иметь отличный от нуля угол, да еще наверное и меняющийся, по отношению к набегающему потоку? Затраты на разворот девайса, чтобы СБ были всегда перпендикулярны солнечным лучам учтены?

Xan> Хотя в тонкой трубе влетающие молекулы будут передавать часть своего импульса на стенки
так я про стенки и говорю, увеличить количество столкновений со стенками, нагородив их побольше внутри. Например, как в многоступенчатом компрессоре поставить, так чтобы отдав часть энергии корпусу, молекула продолжала уходить внутрь.

Wyvern-2> А на фига сжимать/собирать воздух?
Чтобы снабжать им ОС.

Alexandrc> Если я правильно понял рассуждения про полярную орбиту, то аэродинамическая сила будет стремиться развернуть лопухи СБ перпендикулярно направлению гравитации?

СБ должны быть строго вдоль потока, чтоб не создавать сопротивления.
То, что они будут не совсем перпендикулярны — плевать, потери небольшие, второго порядка малости.
При 15 градусах неперпендикулярности, например, потери всего 3.4 процента.

Орбиты прецессируют из-за эллиптичности Земли. Интересны солнечно-синхронные орбиты, которые из-за своей прецессии остаются всё время повёрнуты под одним углом к солнцу.
В частности, есть орбиты, которые все время не заходят в тень Земли. Солнечным батареям приятно.
Но это только для орбит существенно выше 150 км. Не помню сколько.

Alexandrc> Затраты на разворот девайса, чтобы СБ были всегда перпендикулярны солнечным лучам учтены?

Это уже мелкие техподробности!

Xan> Предполагается огромных размеров МГД двигатель, который использует пролетающий мимо уже ионизированный воздух. И магнитное поле Земли.

Ну да, одна беда - поле не всегда направлено так, как хотелось бы

Xan> Надо только проволочки протянуть и ток пустить.

Да-да, мелькают и такие тросовые конЧепты
Не всегда даже совсем бредовые.

Xan> В частности, есть орбиты, которые все время не заходят в тень Земли. Солнечным батареям приятно.
Xan> Но это только для орбит существенно выше 150 км. Не помню сколько.
Alexandrc>> Затраты на разворот девайса, чтобы СБ были всегда перпендикулярны солнечным лучам учтены?
Xan> Это уже мелкие техподробности!

Если забирать воздух только на половине витка, то орбита может быть эллиптической - с подъемом на ночной стороне за пределы атмосферы.

Xan> Пробегов перед фронтом или после фронта?

Это толщина самого фронта.
Величины пробегов при этом промежуточные.

Xan> Кстати, не маленький пробег — это хорошо, быстрее тепло передастся стенкам, которые излучат.

Это плохо. Потому что толком не сплошная среда.

Xan> Ну так эта тема для мечтателей же!!!

Дык топикстартер почти всерьёз, в чём и дело-то.

Wyvern-2> А на фига сжимать/собирать воздух? Отличное - враг хорошего.

Рабочее тело. Заправка. Бензоколонка на орбите.

Wyvern-2> Низколетящий спутник с долгим сроком полета...

Неуловимый Джо.

Xan> В частности, есть орбиты, которые все время не заходят в тень Земли. Солнечным батареям приятно.
Xan> Но это только для орбит существенно выше 150 км. Не помню сколько.

Одна беда - бестеневые орбиты начинаются с 1200 км. Что кагбе в контексте - ...

Татарин> Собссно, объясни, почему именно не возникает сжатия?

Потому что на таких скоростях набегающего (недо)потока сжатие возможно только через скачок уплотнения. Потому что при таких плотностях для формирования скачка нужны значительные размеры (какие именно - я не готов точно ответить; подозреваю, что в такой постановке задача вообще никем не рассматривалась по очевидным причинам, и такой очень специфический недоскачок будет иметь кучу особенностей).

Но даже пусть ты соорудил эпических размеров "воздухозаборник", пусть в нём через скачок произошло сжатие и торможение. Это будет только прямой скачок - во всяком случае, моё воображение отказывает нарисовать габариты орбитальной конструкции, которая в состоянии затормозить "поток" такой дикой скорости через систему косых скачков (ВЗ типа МиГ-19). Если это прямой скачок - то за ним у тебя некий квази-газ, чуточку более плотный (примерно на порядок; большего роста плотности за счёт ударной волны не бывает), но многократно более горячий. При этом дозвуковой.

Итого: ты имеешь недо-газ, адово горячий и медленно движущийся внутрь конструкции, спереди полностью открытый в хороший такой вакуум. Который ну никак не в состоянии "подпирать" твой недо-газ.
Внимание, вопрос: ЧТО помешает минимум половине молекул/атомов нахрен улететь вперёд, в открытое море пространство?


Татарин> Что именно мешает выбрать оптимальную высоту, где, допустим, плотность выше ещё на порядок, а сжатие возникает?

Да всего-то сопротивление на порядок возрастёт, фигня какая, правда?

Слушай, а зачем тогда вообще с этой орбитой заморачиваться? Давай на десяти километрах летать!