找回密码
 注册SCIFIFANS!
首页 科幻专区 科幻创作 电喷发动机开拓小行星采矿业

电喷发动机开拓小行星采矿业

10
回复
886
查看
[ 复制链接 ] TA的其它主题

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
<

用邮箱/用户名来登录sci-fifans!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?注册SCIFIFANS!

x
太空年代,人类的探索之路愈发广阔。随着科技的不断进步,太空采矿业成为人类探索宇宙的重要一环。在这样一个时代,一艘巨型货船正准备起航,前往小行星带进行采矿任务。

这艘巨型货船配备了最新的电喷发动机,它的独特之处在于漫长的加速过程。由于小行星带的距离非常遥远,为了经济性得到验证,船只必须进行持续加速,以尽量减少燃料的消耗。因此,在起航之前,船上的科学家们进行了精确的计算和调整,确保能够最大限度地利用电喷发动机的性能。

当巨型货船启航时,电喷发动机缓慢而稳定地开始工作。它产生的推力微小而持久,带动着船体向前推进。船员们静静地守望着船尾,目送着地球渐行渐远。他们知道,只有经过漫长的加速过程,才能到达目的地。

在飞向小行星带的旅途中,船员们度过了许多孤独的日夜。他们用食物、书籍和影片填补时间,同时也对未来的太空采矿业满怀期待。他们知道,这次任务的成功将为人类开辟一片新的疆域,带来巨大的经济利益。

经过数月的飞行,巨型货船终于进入了小行星带的范围。船员们准备开始采矿任务,并紧张地等待着第一批矿石的回收。他们经过了漫长的加速过程,对电喷发动机的经济性有了充分的验证。

当第一批矿石成功回收后,船员们充满喜悦。他们知道,他们的努力没有白费。这艘巨型货船成为了太空采矿业的里程碑,也为人类的探索之路注入了新的活力。

随着时间的推移,更多的巨型货船相继起航,前往太空中的各个角落进行采矿任务。电喷发动机的经济性得到了进一步验证,使得太空采矿业发展迅速。人类开始在宇宙中获得丰富的资源,为地球上的发展提供了无尽的可能。

而那艘最初的巨型货船,成了太空采矿业的象征。它的加速过程虽然漫长,但每一次的加速都是为了实现人类的梦想。它的船员们将永远被铭记,他们用智慧和勇气开创了一个全新的时代。

帖子地址: 

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
注:AI生成的文章

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
飞行器加速度G与喷射速度V、每秒喷射物质质量M的乘积MV成正比,也就是与每秒喷射物的动量F成正比。

当消耗喷射物(推进工质)占全飞行器质量分数K%相同时,飞行器deltaV与喷射物速度V成正比,K也是货运飞行器经济性的主要因素。如果全程K低于30,即可认为有显著的潜在经济性。

飞行器功率W与喷射速度V、每秒喷射物质质量M的乘积1/2MV^2成正比,也就是与每秒喷射物的动能w成正比。

考虑合适的V:
如果需要全程K低于30,需要V足够高,而W一定时,w相对一定,1/2MV^2相对一定,F=2w/v,F随V反比例减少,也就是G与V成反比。

典型的月球轨道至小行星轨道全程deltaV约为7500-8500(米/秒),加上回程约8000-9000,合计按17千米/秒计算,设K=30,根据闵可夫斯基公式可计算得出V约为47.7千米/秒。

假设飞船全质量10000吨,其中2500吨为太阳能薄帆,按平均每平米质量约10kg计算,约为25万平方米。按平均700瓦/秒接受能量,电转化效率40%,电喷动力系统总效率60%计算,电喷总功率约为42000千瓦。

按电喷速度50千米/秒,得每秒电喷工质约为33.6克,对应G=0.000168米/秒^2,每天约为14.5米/秒。

第一阶段加速估计为6500米/秒,加速时间约为448天,按均速31千米/秒,航程约11.2亿千米。
第二阶段调速入小行星轨道约为1500米/秒,加速时间约为100天,按均速28千米/秒,航程约2.5亿千米。

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
由以上简略概算易知,在K相对固定的情况下,若要提高飞行器加速度,缩短航程,需要增加电喷射流速度V,而这意味着要增加飞船射流的功率密度。假设飞船质量为200吨,其中50吨为太阳能薄帆,因规模较小,可合理认为平均每平米质量可降低至2.5kg,约为2万平方米,电喷功率约为3300千瓦。

按电喷速度50千米/秒,得每秒电喷工质约为2.65克,对应G约为0.00066米/秒^2,每天deltaV约为57米/秒。

第一阶段加速估计为6500米/秒,加速时间约为114天,按均速31千米/秒,航程约3.05亿千米。
第二阶段调速入小行星轨道约为1500米/秒,调速时间约为26天,按均速28千米/秒,航程约0.64亿千米。

为了在小质量情况下维持太阳能薄帆的姿态,可考虑在帆背面加微型滑轨,滑轨上安装微型电喷器,可按需转移微型电喷器,维持太阳能帆姿态。

在0.00066米/秒^2加速度下,50吨太阳能帆仅受到约33牛顿的拉力,2万平米的阳光压力约为0.3-0.8牛顿,原则上不需要频繁使用微型电喷器。

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
下面估计散热问题:飞行器在10000吨级别时,忽略太阳帆热量,仅考虑电喷发动机散热,约为28000千瓦。假定飞行器采用了600K时每平方米辐射能力约1千瓦的散热片,则当散热片为600k时,散热能力约28000平方米,显然占用质量太高。假定散热片可稳定工作在1800K(约1530摄氏度,显然需要强力热泵和耐热至少2200摄氏度的特种材料),则面积缩减为约350平方米,按热泵150吨(每千克泵热0.2千瓦),每平米散热板100kg,散热介质15吨(每克介质散热速度18J/秒),隔热材料100吨计算,散热模块质量约300吨。此方案需要大量昂贵的高耐热高稳定材料,并可能需要维持散热介质超高压。

假定散热片可稳定工作在1200K(约930摄氏度,需要强力热泵和耐热至少1600摄氏度的材料),则面积缩减为约1750平方米,按热泵120吨(每千克泵热0.25千瓦),每平米散热板200kg,散热介质30吨,(每克介质散热速度9J/秒),隔热材料150吨计算,散热模块质量约650吨。

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
飞行器在200吨级别时,散热量约为2240千瓦,按以上较廉价方案,约需140平方米散热片,可合理认为每平米散热片质量控制在75kg,散热片约10.5吨,热泵约10吨(每千克泵热0.25千瓦),隔热材料按10吨估计,散热介质约1.5吨(每克介质散热速度15J/秒),散热模块质量约32吨。可见在功率密度增加以后,散热模块质量大量增加,散热成为首要问题。

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
由以上概算可知,功率密度提高后,必须重视散热问题,一是提高总效率,减少无效废热,二是提高辐射散热板温度,提高散热能力。下面估计超级核发动机的情况:

已知福特级高浓度核原料核发动机动力系统约1500吨,实际输出功率约40万千瓦(带动气轮机)+25万千瓦(带动发电机),假定可安装于10000吨级飞行器,并按30%的总效率供应电喷发动机。电喷发动机功率则提高为约20万千瓦。

按电喷速度50千米/秒,得每秒电喷工质约为160克,对应G=0.0008米/秒^2,每天约为69米/秒。

功率密度提高后,达到了与200吨级太阳能电喷飞行器相当略超过的加速度性能。

但散热量也飙升到约46万千瓦。

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
本帖最后由 太空年代人类 于 2023-11-13 16:08 编辑

46万千瓦的散热量是非常惊人的,假定散热片可稳定工作在2400K(约2130摄氏度,需要强力热泵和耐热至少2800摄氏度的特种材料,目前只有昂贵的钨合金等极少数选择,好消息是国内钨矿储量约500万吨,占世界三分之二以上,坏消息是钨金属属于散热上导热性极差的材料,需要在加工上想办法),则需散热片约1800平方米,每平米质量200kg,约360吨。按热泵1500吨(每千克泵热0.3千瓦),散热介质约150吨(每克介质散热速度30J/秒),隔热材料按500吨估计,散热模块总质量高达2500吨。且需要超级热泵和特种散热介质,特殊耐热材料和特种加工方法。

假定电喷模块为1000吨,散热模块2500吨,核模块1500吨,支撑结构800吨,生命维持模块和指挥舱200吨,则飞行器空重即达到6000吨,加上30%的电喷介质,仅余下10%的货舱。显然不可行。

现在将飞行器质量调整为20000吨,加速性能下降为每天约34米/秒(单航程约6.3亿千米,240天),支撑结构1700吨,生命维持模块和指挥舱300吨,则空重约7000吨,加上30%的电喷介质,约余下35%(7000吨)货舱。

对比10000吨的太阳能电喷方案,2500吨电能采集帆,1000吨电喷模块,300吨散热模块,支撑结构600吨,生命维持模块和指挥舱200吨,加上200吨的电池舱(估计可储存4万千瓦时电能,可驱动主电喷约1小时),空重约4800吨,加上30%的电喷介质,约余下22%(2200吨)货舱。此方案技术要求低很多,成本也低很多,但加速性能仅有每天约14.5米/秒(单航程约14亿千米,550天)。

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
若在小行星带建设电喷介质补给站,则单次装载电喷介质可按17%计算,则货舱分别余下48%与35%,经济性会大大提高。

若在火星轨道附近建设若干中转补给站,则单次装载电喷介质可按8%计算,则货舱分别余下57%与44%,经济性是否会提高取决于火星轨道是否有电喷介质供应能力及飞行中加注能力。

使用道具 举报

该用户从未签到

1

主题

10

回帖

56

积分

LV.1

Rank: 1

积分
56
楼主 显示全部楼层 IP:江苏宿迁
本帖最后由 太空年代人类 于 2023-11-13 17:03 编辑

下面估算亿吨级巨型货船,显然太阳能供能已不可行。考虑核能供能,按1500吨65万千瓦的模块,安装1000个(150万吨),总功率6.5亿千瓦,且假设技术进步可以达到核能电能直接转化,核能-》电能-》电喷总转化效率提高到50%,则电喷总功率约3.2亿千瓦。

暂且不考虑散热问题,按电喷速度50千米/秒,得每秒电喷工质约为256千克,对应G约为0.000128米/秒^2,每天deltaV约为11米/秒。

第一阶段加速估计为6500米/秒,加速时间约为588天,按均速31千米/秒,航程约15.8亿千米。
第二阶段调速入小行星轨道约为1500米/秒,加速时间约为136天,按均速28千米/秒,航程约3.3亿千米。

这个巨物会绕太阳飞行约2圈,约2年,才能入轨小行星带。合理做法是不入轨单个小行星,仅入轨伴飞小行星,回地球轨道也是伴飞地球而不是月球。

散热需求是3.3亿千瓦,按3000K技术极限散热温度,也需要约53万平方米散热板,若按散热温度2400k,则需130万平米。按每平米5吨计算,需要265万吨或650万吨散热板。按每千克0.33千瓦的热泵功率计,热泵质量约100万吨,散热介质30万吨(每克介质散热速度1.1J/秒),隔热材料100万吨
,整个散热模块约900万吨。

核模块150万吨,假设电喷模块700万吨,支撑结构1500万吨,生命维持和指挥模块150万吨,空重约3400万吨,加上30%的电喷介质,货舱约3600万吨(36%),若只带单程电喷介质,货舱约4900万吨(49%)。

使用道具 举报

12下一页
懒得打字嘛,点击右侧快捷回复 少女折寿中...
高级模式
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册SCIFIFANS!

本版积分规则

海雾寒将尽,天星晓欲稀 登录scififans or 立即注册