Wie könnte sich ein U-Boot-ähnliches Fahrzeug in einer Superflüssigkeit selbst steuern und antreiben?

Peristaltische Pumpen.

Superfluide Flüssigkeiten sind nicht komprimierbarer als andere Flüssigkeiten. So können Sie peristaltische Pumpen verwenden , um es zu bewegen. Zum Beispiel von vorne nach hinten. Ähnlich wie ein Propeller oder Jet.

Eine einzelne Pumpe erzeugt Schub in diskreten Paketen, aber eine Reihe von ihnen kann für ein reibungsloses Segeln sorgen. Richten Sie sie in die Richtung, aus der Sie wegstoßen müssen, wie das Manövrieren von Jets auf einem Raumschiff, und Sie sind im Geschäft.

Sie können auch Heizelemente wie NASA verwenden , aber sie schnurren einfach nicht gleich.

Ein Propeller funktioniert immer noch, nur ohne Reibungsverluste.

Das Drehen des Propellers bedeutet, dass die Flüssigkeitsmasse nach hinten beschleunigt werden muss, wodurch das Blatt nach vorne gedrückt wird. Null Viskosität bedeutet nicht Null Masse.

Propeller sind besser im Wasser als Melasse, da Wasser viel geringere Reibungsverluste (und Leistungsverluste) aufweist. In Luft funktionieren sie wegen der viel geringeren Luftdichte nicht so gut, aber eig. Flugzeuge beweisen, dass sie in einer Flüssigkeit mit ziemlich niedriger Viskosität gut funktionieren, wenn Sie sie beschleunigen, um die geringe Luftmasse auszugleichen.

Propeller erzeugen Schub in Supraflüssigkeiten, siehe Google Books - Suprafluidität und Supraleitung

Die Art der Strömung innerhalb des Windkanals wird durch den Propeller angezeigt, der aus zwei dünnen Glimmerflügeln besteht ... Im Folgenden wird erklärt, wie dies speziell im Fall von Suprafluiden gilt. Es wird auch darauf hingewiesen, dass dieser Effekt von Turbulenzen abhängt (damit die gestörte Strömung nicht erneut auf die Rückseite des Schwarzen auftrifft, um eine Nettoimpulsübertragung von 0 zu bewirken - tatsächlich wäre der Nettoschub null, wenn er langsam genug wäre , dh sobald Sie den laminaren Strömungsbereich erreichen)

Sie enthalten auch ein Diagramm der experimentellen Ergebnisse, in dem der Nettoschub gegen die Geschwindigkeit aufgetragen ist.

Ein geschlossener Schraubenantrieb wäre bei sehr langsamen Geschwindigkeiten selbst in einer Supraflüssigkeit wirksam

Für einen weniger technischen Beweis, dass der Propeller funktionieren würde, wie wäre es mit einem Bild einer Heliumpumpe. Beachten Sie die Verwendung eines Impellers, um das Helium zu drücken.

Das Fahrzeug könnte eine auszuwerfende Reaktionsmasse tragen und dadurch mit Newtons Drittem navigieren.

Präambel

Ich habe alle Antworten zu diesem Thema sehr geschätzt. Es gab viele hervorragende Diskussionen. Ich werde antworten, indem ich aus meinen beiden Favoriten, peristaltischen Pumpen, schöpfe und Helium in einen gasförmigen Zustand erhitze und erschöpfe, um Schub zu erzeugen.

Ich werde versuchen, etwas Mathematik dafür zu produzieren. Wo ich in der Lage bin, werde ich allgemeine Fallformeln für alle bereitstellen, die diese Idee verwenden möchten. Wenn Kommentatoren eine meiner Formeln erstellen oder korrigieren können, werde ich sie entsprechend aktualisieren. Mit dieser Präambel fange ich an.

Das grundlegende Motordesign

Peristaltische Pumpen versorgen eine Kammer mit einem zentralen Helium-Fusionskern und einer Reihe von Metallgittern mit Flüssigkeit.

Aus dieser Kammer wird das Helium über mehrere Richtungsdüsen geleitet.

Um sich mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten fortzubewegen, wird das Netz durch direktes Erhitzen von einem Helium-Fusionskern in der Kammer und einem elektrischen Stromstoß erhitzt, wodurch das Helium (gewaltsam) an seinen Verdampfungspunkt gebracht wird.

Wichtig ist, dass wir ein Material verwenden können und möglicherweise sollten, das bei kryogenen Temperaturen ein Supraleiter ist [1].

(Diese Quelle ist cool, schau es dir an)

Berechnungen von Effizienz und Schub für beide Modi werden im Hauptteil dieser Antwort bereitgestellt.

(Wenn jemand eine technische Zeichnung dieses Konzepts zur Verfügung stellen möchte, wäre ich sehr dankbar)

Annahmen für mein einfaches Modell

• Ich werde annehmen$G$(Erdbeschleunigungskonstante) ist$10 \, \mathrm{m\ s^{-2}}$Ich nehme an, die Temperatur des Heliums ist$1 \,\mathrm{k}$.
• Ich gehe von einem atmosphärischen Standarddruck an der Oberfläche aus (diese Annahme erfordert, dass der Heliumkörper versiegelt ist, da ich mir kein plausibles Element vorstellen kann, das gasförmig bleiben würde, um Druck bereitzustellen$0.5 \, k$, vielleicht befinden wir uns in einer Art künstlich geschaffener Helium-U-Boot-Arena bei einem üppigen Alien-Turnier?
• Ich werde die Dichte von flüssigem Helium als nehmen$125 \, \mathrm{Kg\ m^{-3}}$[0]
• Ich gehe davon aus, dass das U-Boot in maximal 100 m Tiefe arbeitet (aufgrund spröder Rumpfmaterialien bei niedrigen Temperaturen).
• Angesichts des oben Gesagten bin ich implizit davon ausgegangen, dass der Rumpf standhalten kann$1.25\times 10^5 \, \mathrm{Kg\ m^{-3}}$, unter Verwendung der Formel Druck$= R \times G \times H =$Dichte$\times$Gravitationskonstante$\times$Höhe der Flüssigkeit über dem Gefäß.

Wichtig ist die allgemeine Gleichung für den Druck$P = R \times G \times H$.

Effizienz und Schub im pumpenbetriebenen Modus

Ich war nicht in der Lage, eine Ressource zu finden, die die Effizienz von peristaltischen Pumpen für flüssiges Helium bietet. Ich bin jedoch bereit anzunehmen, dass sie sehr effizient sind und vernachlässigbare Wärme an das Helium abgeben. Dies wird impliziert, ohne dass hier Zahlen angegeben werden. [2]

Ich werde faul sein und 90% Effizienz bieten. Bei einem Betrieb in einer praktisch reibungsfreien Umgebung gehen wir davon aus, dass Beschleunigungseigenschaften für einen allgemeinen Fall gelten

• $p$ist Macht
• $m$ist Masse
• $V$ist Geschwindigkeit
• $0.9$ist der Effizienzfaktor

Da diese Zahlen stark variieren können, je nachdem, wie sehr Sie mit den Armen winken und Weltraum-Zukunfts-Materialien sagen möchten, habe ich die Zahlen dem Leser überlassen. Der Hauptpunkt ist, dass die Effizienz sehr hoch ist.

Hier stoßen wir jedoch auf Probleme, Peristaltikpumpen sind ziemlich langsam, eine Industriemaschine, die ich bezogen habe, weist Raten auf$40\, \mathrm{Lmin^{-1}}$, gleichwertig$0.667 \times 10^{-3}\, \mathrm{m^3\ s^{-1}}$Einwiegen bei$40\, \mathrm{Kg}$. [3]

Angenommen, das Material kann durch eine sehr enge Öffnung geleitet werden, da es ein Suprafluid ist, können wir ihm eine ziemlich hohe Geschwindigkeit verleihen.

Nehmen wir den Fall einer Flächenöffnung$0.001\, \mathrm{m^2}$.

Die Geschwindigkeitsgleichung lautet$V = \frac{Q}{A}$Wo:

• $V$ist Geschwindigkeit
• $Q$ist der Volumenstrom
• $A$ist die Fläche (durch die der Fluss fließt)

So$V = \frac{0.667 \times 10^{-3}}{0.001} = 0.667\, \mathrm{ms^{-1}}$

Bei dieser Austrittsgeschwindigkeit erfährt das Fahrzeug eine Kraft von$0.667 \times 0.667 = 0.445\, \mathrm{N}$

Das ist ziemlich schlecht für a$40\, \mathrm{Kg}$Motor. Sogar unter Ausnutzung der Tatsache, dass unsere Flüssigkeit eine Viskosität von 0 hat.

Das heißt das$1\, \mathrm{Kg}$des Motors wird produzieren$11.1 \times 10^{-3}$Newton Schub :( Erbärmlich.

(Wenn meine Berechnungen oder Quellen hier falsch sind, lassen Sie es mich bitte wissen)

Effizienz und Schub im strahlbetriebenen Modus mit Heliumverdampfung

Aus dem Obigen geht ziemlich klar hervor, dass wir besser den großen roten Schalter mit der Aufschrift RAKETEN AKTIVIEREN umlegen , es sei denn, wir finden große Metallbrocken, die sehr langsam herumtreiben

Aber bevor wir das tun, lassen Sie uns herausfinden, was wir an Effizienz verlieren werden, wie hoch unsere Leistungsaufnahme ist und welche Art von Beschleunigung wir erwarten können.

Ich habe mich früher nicht mit Rumpf- oder Ausrüstungsgewichten beschäftigt, weil es ziemlich klar war, dass die Leistung glanzlos sein würde, egal wie man sie schneidet.

Teilen wir uns eine (metrische) Tonne zu, mit der wir arbeiten, und teilen sie auf Rumpf, Pumpen, Heizung, Energie und Steuerungssysteme auf. Nur um uns einige Zahlen zu geben, mit denen wir arbeiten können, Ihre Laufleistung kann variieren, und ich übernehme in keiner Weise die Verantwortung für irgendjemanden, dessen U-Boot in der Tiefe in einem Heliumsee zusammenbricht.

Ich werde bleiben$200\, \mathrm{Kg}$in meinem superstarken magischen Zukunftsmaterial hart an$0.5\, \mathrm{k}$Rumpf.

Mit meinem Rest$800\, \mathrm{kg}$, Ich werde legen$300\, \mathrm{Kg}$in einen Super-Duper all die Kraft, die Sie essen können, Space Tech Triple Alpha Helium-Reaktor (ich meine, wir haben viel Helium, also warum nicht verwenden), zumal dies Kohlenstoff produziert, das ist richtig, jede Entschuldigung für einen rußigen Auspuff. [4]

ich werde nehmen$240\, \mathrm{kg}$der Pumpe, was mir eine einfache Berechnung ermöglicht$\frac{240}{60} = 4\, \mathrm{L}$oder$0.5\, \mathrm{Kg}$Helium pro Sekunde zu verarbeiten.

Wenn das erledigt ist, fügen wir a hinzu$50\, \mathrm{kg}$KI, um es zu kontrollieren, weil wir nicht so verantwortungslos sind, organische Stoffe auf diese Todesfalle zu setzen.

$160\, \mathrm{kg}$werden physikalischen Steuersystemen, Schubvektorsteuerung usw. zugeteilt.

der endgültige$50\, \mathrm{Kg}$wird unser Wärmeableitungs- und Heizelement sein.

Während das meiste davon frivol war, ist der wichtige Faktor, dass wir es haben$0.5\, \mathrm{Kg}$Helium pro Sekunde in Gas und Energie umzuwandeln. (Um in diesem Modus langsamer zu fahren, würden wir die Drehzahl der Pumpen verringern und unseren Kraftstoffverbrauch reduzieren.)

Die Reaktionen für diese Art der Fusion sind wie folgt (wörtliches Zitat von Wikipedia):

He + He → Sei (–91,8 keV)

Sei + He → C (+7,367 MeV)

Die Nettoenergiefreisetzung des Prozesses beträgt 7,273 MeV (1,166 pJ).

Als Nebeneffekt des Prozesses verschmelzen einige Kohlenstoffkerne mit zusätzlichem Helium, um ein stabiles Isotop aus Sauerstoff und Energie zu erzeugen:

C + He → O (+7,162 MeV)

Leider ist mir nicht klar, aus welcher Menge Sauerstoff wird, auch wenn es bei diesem unglaubwürdigen Waffen-und-Hoffnung-Tech-Reaktor anders sein könnte.

In Bezug auf Joule, eine blinde Annahme von$10\%$von Kohlenstoffmolekülen zu Sauerstoffmolekülen, dann:

31 He → 9C + O$\left( 7.237\times 10 + 7.162 = 79.532 \mathrm{MeV}\right)$

Umrechnung in Joule Ausbeute pro Gramm$1.2742436502359998\times 10^{-11} \approx 1.27\times 10^{-11}$Joule pro 31 Moleküle (Online-Rechner [5])

Das Molekulargewicht von Helium ist$4.0026$[0] Grob gesagt enthält also ein Gramm Helium die Avogadros-Konstante/4

Also$\frac{1}{4}\left( 6.02214085\times 10^{23}\right) = 1.505535213×10^{23}$Atome Helium pro Gramm.

Multiplizieren Sie das mit der Ausbeute pro Atom$1.505535213\times 10^{23} \times \left(1.2742436502359998\times 10^{-11} \times \frac{1}{31}\right)$gibt$61884473701$Joule pro Gramm. Lassen Sie uns runden$6.19\times 10^{10}$Joule.

Als nächstes müssen wir herausfinden, wie viel Wärme benötigt wird, um unser Helium zu verdampfen. Ich vermute, wenn meine Berechnungen richtig sind, können wir wahrscheinlich ein Plasma schaffen, ohne ins Schwitzen zu geraten.

$2326\, \mathrm{J\ kg^{-1}}$wird hier gegeben, um Helium zu verdampfen [0]

Angesichts dieser Zahl kann 1 Gramm geschmolzenes Helium verdampfen$2.66\times 10^7 \mathrm{kg}$von Helium.

Mit diesen Größenordnungen haben wir den Raum zum Atmen, um eine Temperatur für unser Abgas auszuwählen, die unseren Wünschen entspricht. Nehmen wir an, wir wollen Helium bei Raumtemperatur ausschöpfen, um die Berechnungen etwas einfacher zu machen.

Wir heizen$0.5\, \mathrm{kg}$von Helium (mehr oder weniger), was äquivalent ist$\frac{500}{4} = 125\, \mathrm{mol}$

Unter Verwendung eines wissenschaftlichen Taschenrechners [6] finden wir heraus, dass das Abgas-Helium ein Volumen von etwa 6200 l für den Druck von hat$125000\, \mathrm{kg\ m^{-2}}$bei geringster Betriebstiefe.

Wie ich es verstehe (und ich muss möglicherweise korrigieren), wird der Schub durch den auf den Kraftstoff übertragenen Impuls berechnet. Für ein gegebenes Volumen und eine gegebene Masse pro Sekunde wird der übertragene Impuls also durch die Auslassöffnung beeinflusst.

Zur einfachen Berechnung gehe ich von einer Aperturfläche von aus$0.5\, \mathrm{m^2}$

Wir haben Raum, wie zuvor diskutiert, um eine nahezu willkürliche Ausgangswärme zu erzeugen.

Dazu habe ich die Gasaustrittstemperatur als gewählt$1500 \,\mathrm{C}$. Dies ergibt . Zirka$14743 \,\mathrm{L}$

Setzen wir diesen neuen Wert in die Schubgleichung ein, erhalten wir:

$14743\, \mathrm{l\ s^{-1}}$reisen muss$29.5\, \mathrm{m\ s^{-1}}$durch eine Öffnung dieser Größe$\left( 1000\, \mathrm{l} = 1\, \mathrm{m^3}\right)$. Vermittlung$29.5\, \mathrm{m\ s^{-1}}$zu$0.5\, \mathrm{kg}$pro Sekunde erzeugt einen Schub von$14.75$Newton für a$1000\, \mathrm{kg}$Boot. Wir können also mit einer Beschleunigung von rechnen$0.0148\, \mathrm{m\ s^{-2}}$

Immer noch ziemlich niedrig. Einige Optimierungen erforderlich. Wer hätte gedacht, dass superfluide U-Boote mit Düsenantrieb so ruhig sein können.

Da diese Zahl entsetzlich ist, schlage ich vor, dass, so schön die Idee von peristaltischen Pumpen und Düsen auch ist, jeder Vernünftige die Flüssigkeit auf eine nicht superflüssige Temperatur erhitzen wird, oder sich vielleicht, wenn es wirklich klug ist, nicht in einen Flüssigkeitssee wagt Helium überhaupt.

Endlich

Es tut mir wirklich leid, dass ich bei der Parade der peristaltischen Pumpen und Düsen so gründlich geregnet habe, dass ich mich nicht auf den Weg gemacht habe, um die Mathematik einfach so zu machen. Sie waren ein großartiger Ausgangspunkt und Schlüssel zu dieser Antwort.

Es tut mir leid, dass diese Antwort am Ende derzeit ein Durcheinander ist, das Schreiben hat lange gedauert, und leider ist mein Verständnis von Physik in der Raketenwissenschaft dünn.

Quellen

[0] http://www.engineeringtoolbox.com/helium-d_1418.html

(Ja, ich habe dieses später hinzugefügt und konnte mich nicht darum kümmern, es neu zu nummerieren, ich war 3 Stunden in verdammt)

[1] http://www.symmetrymagazine.org/article/november-2008/explain-it-in-60-seconds-magnet-quench

[2] http://www.barber-nichols.com/products/pumps/cryogenic-pumps/liquid-helium-pumps

[3] http://www.hollandapt.com/Documents/Ctrl_Hyperlink/BT_Air_Powered__Fixed_and_Pump_Adapter_Systems_uid122220091201252.pdf

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Triple-alpha_process

[5] http://www.convertunits.com/from/MeV/to/J

[6] http://www.ajdesigner.com/idealgas/ideal_gas_law_volume_equation.php

Sie könnten in Superflüssigkeit keinen Propeller oder irgendein Rad verwenden - aber Sie können immer noch Düsen verwenden. Das Problem wäre, wie man die Flüssigkeit ansaugt und sie dann in die gewünschte Richtung ausstößt, aber solange Sie in der Lage sind, auslaufsichere Ventile zu implementieren, wird es kein wirkliches Problem sein.

PS Nachdem ich mich ein wenig mehr mit Suprafluidität befasst hatte, fand ich heraus, dass es eine Möglichkeit gibt, Propeller zum Laufen zu bringen, sogar in Suprafluid. Die Suprafluidität scheint durch eine Schallgeschwindigkeit in einer superflüssigen Flüssigkeit ( https://en.wikipedia.org/wiki/Superfluid_helium-4 ) begrenzt zu sein. Das bedeutet, dass sich ein Objekt, das sich schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegt, stattdessen in einer gewöhnlichen Flüssigkeit befindet von Superflüssigkeit. Wenn sich Ihr Propeller also schneller als Schallgeschwindigkeit dreht (220-240 m / s für superflüssiges He), sollten Sie gut sein.

PPS In der von Gary Walker geteilten Referenz arbeitete das Propellerexperiment mit Geschwindigkeiten, die weit niedriger waren als theoretisch vorhergesagt (wobei Schub bei Geschwindigkeiten von nur 6 mm/s erzeugt wurde). Diese Tatsache wurde in der Abhandlung reflektiert, jedoch steht eine wissenschaftliche Erklärung dieses Phänomens meines Wissens nach noch aus.