Точильный станок энергомаш тс 6010с: ТС-6010С Энергомаш Станок заточной настольный. Паспорт, схема, описание, характеристики

$\begingroup$

Мне интересно, рассматривало ли какое-либо космическое агентство возможность использования шлифовального станка в качестве двигательной установки для межпланетного космического корабля. Эта система не будет использоваться для подъема космического корабля с поверхности планеты, а будет использоваться исключительно как межпланетная/межзвездная двигательная установка.

Принцип работы прост (см. рисунок ниже). Этот шлифовальный станок будет расположен на корме космического корабля. Металлическая стружка, слетающая с шлифовального круга этой шлифовальной машины, будет создавать движущую силу для космического корабля в соответствии с третьим законом движения Ньютона. Величина движущей силы, производимая в любой момент времени, будет достигаться за счет увеличения/уменьшения скорости вращения шлифовального круга.

Источником электроэнергии для электродвигателя шлифовального станка может быть небольшая атомная электростанция на борту космического корабля. Источником «топлива» могут быть длинные стальные стержни или большие камни. Источник горных пород можно было получить, разработав поле астероидов или маленькую луну. Наконец, я думаю, что алмазные шлифовальные круги, вероятно, были бы наиболее идеальными для использования из-за их прочности и долговечности.

Будет ли шлифовальный станок простой и работоспособной двигательной установкой для межпланетного космического корабля?

• космический корабль
• силовая установка
• конструкция двигателя
• физика
• альтернативная конструкция

$\endgroup$

17

$\begingroup$

Основная инженерная проблема при реализации вашего предложения заключается в том, что для того, чтобы быть конкурентоспособным с химическим ракетным двигателем, шлифовальный круг должен вращаться с чрезвычайно высокой скоростью. Типичная химическая ракета может иметь удельный импульс от 250 до 450 секунд; поэтому скорость истечения составляет примерно 2500-4500 м/с. В конкурентной силовой установке край колеса должен двигаться как минимум с такой скоростью. 92$, где $\rho$ — плотность, $r$ — радиус, $\omega$ — угловая скорость, $v$ — скорость. Таким образом, скорость вращения лезвия ограничена величиной $v < \sqrt{TS / \rho}$, где $TS$ — предел прочности на разрыв материала, из которого состоит шлифовальный круг. Из всех материалов, которые мы в настоящее время знаем, как производить в макроскопических масштабах, углеродное волокно имеет самую высокую предельную прочность на растяжение на единицу массы около 4000 кН-м/кг. Это дает максимальную скорость 2000 м/с. Это меньше, чем скорость истечения даже простой, относительно неэффективной химической ракеты. 93$. Тогда мы теоретически могли бы достичь скорости истечения более 7500 м/с, что превосходно. В этом сценарии ваш шлифовальный круг на самом деле начинает выглядеть как действительно хорошая идея.

$\endgroup$

8

$\begingroup$

Не знаю, задумывался ли об этом кто-нибудь.

На мой взгляд, это не очень хорошая идея по крайней мере по следующим причинам:

1. Это эквивалентно механическому отбрасыванию вещей назад.
   Смотрите это видео для слишком простого примера. Это явно не лучший способ для движения вперед, так как удельный импульс очень низкий. Здесь речь пойдет именно об импульсе $$p=mv$$, где $m$ – “реакционная масса”, т.е. масса измельчаемого материала, отбрасываемого предмета или химического топлива. $v$ — скорость реакционной массы относительно космического корабля. Скорость искр $v$ порядка нескольких м/с (такая же скорость, что и у кромки шлифовального круга. С химическим ракетным топливом она составляет несколько км/с. Таким образом, при том же количестве $m$ реактивной массы, которую вы несете, классическая тяга дает вам примерно в 1000 раз больше импульса, чем шлифование.0024
2. Произведенный импульс является своего рода стохастическим. Как видно на вашем рисунке, искры образуют конус, а не прямую линию. В то время как восходящее и нисходящее движения статистически компенсируют друг друга, их вертикальные составляющие — пустая трата времени. Хотя, по общему признанию, это также относится к химическим ракетным двигателям (и ионным двигателям?), просто выбросить кое-что за борт было бы более эффективно в этом отношении.

Тем не менее, мне нравится этот вопрос за нестандартное мышление. Кстати, чтение названия напомнило мне этот отрывок из книги Дж. Д. Кларка «Зажигание!»:

Ф. А. Цандер в Москве […] предположил, что космонавт может увеличить запас топлива, подражая Филеасу Фоггу. Когда топливный бак опустел, космонавт мог просто измельчить его и добавить полученный порошок алюминия к оставшемуся топливу, теплотворная способность которого соответственно увеличилась бы!

Я думаю, что это на самом деле пробовали, но оказалось, что это не работает, потому что частицы алюминия слишком долго горят, т.е. они продолжают гореть после того, как покинули камеру сгорания. (Некоторые?) Твердое ракетное топливо основано на алюминии, но это другое.

Редактировать: Недавние новости об опасном космическом мусоре заставили меня снова задуматься над этим вопросом. Таким образом, я добавляю третий недостаток измельчающего двигателя: он будет производить тонны неотслеживаемых высокоскоростных частиц со стохастическими характеристиками движения . Конечно, можно позаботиться о том, чтобы свести к минимуму ожидаемую опасность. Но с учетом того, что в течение следующего десятилетия на орбиту будут выведены тысячи дополнительных спутников, использование измельчающих двигателей на околоземной орбите может быть опасным.

$\endgroup$

13

$\begingroup$

Силы, участвующие в вращении колеса на высоких скоростях, огромны. При скорости обода 1600 км/ч колеса Bloodhound SSC испытывают нагрузку в 50 000 G. Даже малейший дисбаланс (скажем, из-за отрыва абразивной частицы) может привести к катастрофе.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Даже если бы это было возможно с точки зрения материалов, я подозреваю, что энергоэффективность была бы ужасной. Откуда взяться этой (вращательной) энергии, чтобы вращать что-то быстро? Если вы используете электродвигатель, вы можете просто модифицировать его, чтобы сделать плазменный привод и использовать его напрямую. В вашем устройстве большая часть этой энергии превращается в тепло (колеса) за счет трения. Предположительно, вы могли бы повторно использовать это тепло в значительной степени, но то, что нужно сделать, уже добавляет еще один уровень сложности.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Движение происходит за счет ускорения реактивной массы.

В этом случае шлифовальный круг служит двум целям:

1. медленное и примерно равномерное отделение мелких частиц заготовки от массы
2. ускоряет эти биты за счет механического трения, подобно тому, как ракета для запуска теннисных мячей использует согласованная пара встречных вращающихся колес для запуска коробки, полной теннисных мячей, по одному за раз в контролируемом направлении и с контролируемой скоростью.

Как указывает @Muze, используя , согласованная пара встречных вращающихся колес также будет важна в космическом полете.

Шаг 1: требует большого объема работы, и нет причин делать это в космосе. Вы можете производить частицы на земле, так что ваш топливный «бак» будет системой подачи, распределяющей гранулы или порошок. Их можно подвешивать в жидкости для облегчения подачи и во избежание электростатического слипания.

Если вам нужно производить его в космосе, например, если вы повторно используете нижнюю ступень в качестве реактивной массы в стиле Горация (отсылка к Монти Пайтону), то вы можете сначала измельчить или иным образом формовать на более низкой скорости с помощью отдельного колеса. Частицы можно было переплавить, чтобы сделать их сферическими, а затем отсортировать по размеру для следующего шага.

Шаг 2: будет концептуально выполняться с помощью механизма, похожего на механизм запуска теннисного мяча. Два встречных колеса с подачей частиц в небольшой зазор между поверхностями двух колес. Частицы должны быть монодисперсными, что означает, что все они должны быть одинакового размера и немного меньше зазора для хорошего трения. Либо частицы, либо колеса должны быть достаточно упруго сжимаемыми, чтобы обеспечить хорошее сцепление с поверхностью для ускорения, и при этом поверхности не должны легко повреждаться во время процесса.

Вы также можете очень слегка наклонить колеса так, чтобы, если у вас есть отсортированный диапазон размеров частиц, все они могли быть введены с соответствующей шириной зазора.

Однако, как указывает @Greg, а затем @ Thorondor демонстрирует количественно, заставить ваши колеса вращаться со скоростью 10 махов или быстрее (для (массового) удельного импульса или Isp, скажем, 300 или около того) является реальной проблемой материалов.

Одной из возможностей для пропеллента может быть жидкая суспензия латексных или полимерных сфер максимальной концентрации (в основном HCP), которую можно получить с высокой монодисперсностью при наличии достаточных средств. Если у вас не так много места для топлива, то, возможно, наносферы металлов, оксидов металлов или нитридов могут быть получены пиролизом.

Horiba Scientific

GIF из Tennis ball machine DIY – часть 1. Более подробно аналогичный механизм можно увидеть в работе механики Tennis Tutor Ball Machine.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Большой проблемой будут силы снаружи колеса, разрывающие его на части.

Мы должны привязать числа к чему-то, и проще всего привязать число к угловой скорости. Центрифуги для обогащения урана типа Zippie работают со скоростью около 1500 оборотов в секунду, поэтому они являются хорошим эталоном. (Некоторые турбокомпрессоры работают быстрее, до 4800 оборотов в секунду, но они довольно малого диаметра, поэтому проще в изготовлении). 1500 об/сек это около 9500 рад/сек. Поскольку $v=r\omega$, мы можем найти радиус колеса $r=\frac{v}{\omega}$. Давайте нацелимся на довольно низкую скорость: 500 м/с. Химические ракеты имеют скорость выхлопа в диапазоне 2500-4500 м/с, но мы можем установить более низкую скорость, потому что мы всегда можем заправиться позже. Это говорит о том, что нам нужны колеса радиусом порядка 50 см.

Точная структура центрифуги в стиле Zippie является строго охраняемым секретом, но Википедия дает условный размер центрифуги 20 см или меньше. Это означает, что наше колесо будет выдерживать силы, примерно в четыре раза превышающие силы ядерной центрифуги по обогащению. Имейте в виду, что этими центрифугами тщательно управляют, запечатывают в вакуумных камерах и левитируют на магнитных подшипниках. Силы ускоряющей массы с краем одного из этих колес будут намного больше. Что еще более важно, они будут смещены от оси, что всегда сложно для центрифуги.

Таким образом, свойства материала, которые нам нужны, раздвигают границы того, что используется в центрифугах для обогащения, только для того, чтобы получить одну десятую ISP ракеты. Таким образом, реальный вопрос будет заключаться в том, существуют ли планы миссий, в которых полезна 1/10 ISP ракеты, но другие технологии недостаточны.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

В процессе измельчения будет потрачено огромное количество энергии. Только крошечная часть будет преобразована в кинетическую энергию: остальное будет потрачено впустую в виде тепла, плюс ваша дробилка изнашивается, и вам потребуются всевозможные сложные механизмы, чтобы поддерживать ее работу.

Вы можете уменьшить износ и энергию, необходимую для измельчения частиц, используя более прочный материал.

Но тогда вы могли бы просто решить не измельчать частицы в первую очередь и выбрасывать порошок обратно с помощью прялки без необходимости его измельчения.

Но тогда можно просто ионизировать порошок, выбрасывать частицы электрическим полем и полностью избавиться от колеса. Это было бы намного эффективнее.

Тогда вы можете заменить порошок на ксенон для большей эффективности.

Теперь у вас есть ионный двигатель, и они уже есть у нас.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Есть два соображения: первое — интернет-провайдер, который обсуждается в нескольких ответах. Другой – энергоэффективность – сколько джоулей входной энергии в конечном итоге преобразуется в кинетическую энергию в выброшенной массе топлива.

Если вы рассматриваете типичную ракету, энергоэффективность на удивление высока – IIRC около 70% доступной химической энергии преобразуется в кинетическую энергию массы топлива, выбрасываемого вдоль оси тяги (остальное – это излучаемое отработанное тепло или компоненты топлива). скорость перпендикулярна оси тяги).

Использование электростанции, напр. Ядерная энергия для выработки электроэнергии для привода двигателя включает в себя несколько этапов преобразования, каждый из которых несет потери.