Научное Обоснование: Возможно Ли Создать «Почти Идеально» Герметичный Корабль?

В сериале я помню, как группа людей пыталась построить колонизационный корабль, и у них была большая проблема: воздух. Корабли (как и любой объект) не идеальны и имеют микротрещины в броне или по краям двух листов корпуса, через которые медленно выходит воздух.
Для обычного корабля это не является большой проблемой, потому что потери воздуха очень малы, и они могут пополнить кислород на другой станции, но для колонизационного корабля (время путешествия которого составляет несколько сотен лет) они не могут этого сделать. «дозаправить» воздухом.

Сначала я думал, что это возможно, но потом вспомнил, что однажды прочитал, что топливные баки НАСА для ракет заполняются только за несколько дней до запуска, потому что давление водорода и его небольшой размер способны проходить сквозь материю, поэтому баки обычно теряют около 1% своего топлива. Возможно, то же самое могло бы произойти и с кислородом.

У меня вопрос: можно ли сделать практически идеально герметичный корабль? (Вы можете использовать технологии старше нескольких столетий) (С почти идеально Я имею в виду, что один и тот же воздух может находиться внутри корабля несколько тысячелетий, а не оставшуюся вечность).

#научно #космические корабли #кораблестроение #кислород

Вы столкнетесь с несколькими трудностями...

Ответ Корта предоставляет математические расчеты для идеальной системы. Но ваша система не будет идеальной, герметичной сферой. Поэтому, скорее всего, газ выйдет быстрее. Частично потому, что это не идеальная сфера. И отчасти потому, что со временем что-то выходит из строя.

Показательный пример. Раньше у меня было дорогое медицинское устройство, которое было запечатано. Он был рассчитан на водонепроницаемость до 10 метров. Не так уж и много, правда. Однако после нескольких месяцев нормального использования этот рейтинг был уничтожен. Оно намокло, оно испортилось. Потому что уплотнения ослабли из-за случайного износа.

Ваша станция должна быть в состоянии выдержать все возможные нагрузки, которым подвергается ваш корабль. Это злоупотребление принимает различные формы:

• Микрометеор падает на вашей крейсерской скорости.
• Износ от трения при открытии/закрытии любых выходных порталов.
• Стареющие детали
• Ошибки конструкции
• Напряжения во время ускорения или при изменении векторов тяги.

Решение этих проблем потребует нескольких подходов.

• Используйте лучшие материалы и технологии производства.
• Спроектируйте уплотнения по глубине, чтобы в случае выхода из строя одного уплотнения другое могло выдержать давление.
• Постоянный мониторинг микроутечек, чтобы их можно было устранить до того, как они станут мегаутечками.
• возможно, разработать какие-то виды самоуплотняющихся материалов, которые смогут затекать и заполнять любые микропротечки.

И все это должно быть безумно просто в обслуживании во время полета. Никто не может просто так прилететь в Шип-Март по соседству за запчастями (Делайте покупки умно, покупайте Ship-Mart).

Я предлагаю вам сделать как минимум пять независимых корпусов. Накачайте каждый из них до некоторой степени тяжелым благородным газом. Благородный газ, потому что он не любит вступать в реакцию с другими вещами. И парциальное давление, чтобы разница давлений между космическим вакуумом и сосудом под давлением, полным людей, была меньше. Давление не должно быть около 1 атмосферы. Достаточно, чтобы ослабить давление(каламбур предназначен).

Эти внешние защитные корпуса должны иметь своего рода сотовую сетку ячеек, чтобы разрыв одной ячейки не опустошал весь корпус. Это также значительно увеличивает структурную прочность корпуса.

Или вы могли бы хранить водяной лед хотя бы в одном из этих корпусов, чтобы обеспечить радиационную защиту/подачу воды/подачу водорода+кислорода по мере необходимости.

Одним словом, нет. Идеальных тюленей в реальном мире просто не существует. К счастью, идеальных кораблей тоже нет. Даже если бы у вас были идеальные уплотнения, вы не смогли бы путешествовать по небу вечность, потому что в конечном итоге вы бы сломались при столкновении с мелкими твердыми частицами. Энтропия всегда побеждает.

К счастью, для практических целей все можно сделать. Вы упомянули водород, а водород действительно особенный. Он намного меньше всего остального и известен своими злодеяниями в условиях высокого вакуума. Обычной стали достаточно для большинства газов, но водород может диффундировать прямо через нее. Вот почему каждая вакуумная камера, которую вы видите, сделана из нержавеющей стали (и, следовательно, стоит дороже, чем мой дом!).

Самое важное, что вы можете сделать, — это минимизировать уплотнения и минимизировать тепловые эффекты. Не используйте никаких причудливых печатей, например тех, которые могут вращаться или открываться. Почти полностью сосредоточьтесь на соединениях, таких как медные уплотнения с ножевой кромкой, которые они используют в установках с высоким вакуумом. Это соединения с ножевой кромкой, которая врезается в медную прокладку, создавая очень прочное уплотнение. Этим уплотнениям можно доверять в условиях высокого вакуума, поэтому они вам подойдут.

Также не забудьте обратить внимание на тепловые эффекты. Пока корабль находится в относительном равновесии, вы не увидите слишком много микротрещин.

Для некоторой перспективы вы можете взглянуть на сообщество высокого вакуума. Это не обычные пылесосы, к которым вы привыкли. Большинство из нас имеют дело с низким вакуумом, который может снизить давление с обычных 760 Торр до 100 Торр. Сообщество специалистов по высокому вакууму предпочитает работать в области наноторр и ниже. При таком давлении (или его недостатке) все выделяет газы. Их это действительно волнует, потому что малейший приток разрушит их эксперимент. Судя по документации, можно ожидать, что нержавеющая сталь «выведет газ» при $3\cdot10^{-13} \frac{Torr\cdot Liter}{sec\cdot cm^2}$. Это означает, что вы ожидаете, что газ будет течь через сталь примерно с такой скоростью. Вы можете использовать это число, чтобы определить, как долго давление может сохраняться на вашем корабле.

Давайте составим несколько цифр. МКС имеет объем около 1000 кубических метров (1 000 000 л). Если бы мы сделали его сферой (лучшая форма для минимизации потерь), он был бы около 12 м в диаметре, то есть площадь его поверхности была бы около 2000 квадратных метров (2*10^7 см^2). Умножив/разделив их на константу для нержавеющей стали, вы получите $6\cdot10^{-12}\frac{Torr}{sec}$. Это ваша потеря давления в секунду. Это $0,000185274 \frac{Torr}{year}$ или $0,185274 \frac{Torr}{millennia}$. Если вы начнете с атмосферного давления (760 Торр), то, согласно этим приблизительным оценкам, на истощение потребуется 4 миллиона лет.

У вас будут лучшие результаты с более крупными сферами, так что вы легко сможете попасть в десятки миллионов лет. Но это не идеально.

Прочитав впечатляющий ответ Корта; Я бы предложил альтернативу - "почти" идеально запечатанную. Постройте укрытие, которое наденет корабль; как можно ближе с ограничением, состоящим только из двух частей с одним уплотнением между ними (как можно меньшего размера). Или, из соображений практичности, как можно меньше деталей с максимально заметными уплотнениями. Сделайте крышку из стекла Diamond$^1$ и нержавеющей стали. Затем создайте давление в зазоре между крышкой и кораблем, чтобы оно соответствовало давлению корабля (или немного превышало его).

Добавлено $^1$: ФП допускает использование технологий будущего; современные технологии позволяют нам наносить алмазную пленку и использовать высокое давление для создания драгоценных камней; предположительно, будущие технологии смогут изготавливать окна из чистого алмаза и толстые алмазные пленки для описанной крышки.

Суть здесь в том, чтобы использовать какой-нибудь нетоксичный общедоступный газ (наиболее распространенными являются водород, гелий, кислород, азот, неон, именно в этом порядке) для создания давления в зазоре между крышкой и стенкой корабля. Неон, вероятно, ваш лучший выбор, он нетоксичен и химически инертен, то есть не образует соединений (в отличие от азота и кислорода, которые оба образуют соединения) и имеет атомную массу 20 (против 1 и 4 для водорода и гелия соответственно). .)

Поскольку Неон выделяет газы из-под крышки, он может быть изъяты для замены. Это делает его хорошим «жертвенным» газом, т. е. мы можем выделять неон, но не допускаем утечки кислорода и других газов специального состава внутри корабля, которые обеспечивают комфортную жизнь.

До такой степени, что Неон проникает внутрь корабля; он нетоксичен, и мы можем отфильтровать его для повторного ввода в зазор (стены корабля могут иметь для этого порты; помните, что только внешняя оболочка должна иметь как можно меньше соединений).

Плюсом чехла является также ремонтопригодность; Имея всего лишь несколько простых прямых уплотнений, к которым легко получить доступ, мы можем установить там оборудование, позволяющее контролировать уплотнения на предмет утечек и относительно легко их устранять. Такое оборудование может работать в вакууме; связь может осуществляться посредством колебаний магнитного поля, акустических или радиоволн через крышку, не проникая в нее. То же самое касается другого сенсорного оборудования, которое может потребоваться кораблю: антенн, лазеров, телескопов, тарелок, вооружения и т. д.

Конечно, вся внешняя оболочка также является жертвенной. В случае повреждения космическим мусором его можно отремонтировать; но поскольку он не состоит из частей, соединенных болтами, и не имеет никаких «компонентов», кроме одиночного уплотнения (или нескольких простых уплотнений), ремонт может заключаться в твердой сварке и приплавлении стекла на постоянное место.

В доках возле планет неон можно сбросить под давлением и повторно сжижать для хранения (да, из всех элементов неон имеет самый узкий диапазон температур для сжижения; окно всего в 5,5 градусов по Фаренгейту, но наука будущего на нашей стороне!). Затем крышку можно снять; возможно, хранится в космосе, пока корабль направляется к поверхности планеты. Конечно, корабль по-прежнему будет сконструирован таким образом, чтобы он сам находился под давлением, и этого было бы достаточно в чрезвычайной ситуации (например, при разрушении покрытия в результате удара, который не пробивает корпус корабля); но он может быть сконструирован со многими компонентами, обеспечивающими маневренность, посадку, погрузку и разгрузку груза или пассажиров и так далее.

Это просто приходит мне на ум, не знаю, насколько это практично:

Как насчет дополнительного слоя корпуса? Зазор между обоими слоями может быть достаточно большим, чтобы отправить робота/человека в скафандре для выполнения ремонта/обслуживания. И использование вакуумных насосов для сбора воздуха обратно под внутренний слой.

Проблема заключается в восполнении потерянного воздуха (и, предположительно, других материалов), поэтому вам нужен способ нести достаточное количество сменных элементов, но без увеличения массы корабля (что усложняет проектирование, требует больше энергии для ускорения и замедления). или внести какие-либо изменения в курс и так далее)

К счастью, есть способ добиться этого. Поскольку корабль будет находиться в жесткой радиационной среде космоса, необходима мощная защита. Если корабль движется с заметной скоростью, межзвездная пыль, молекулы газа и т. д. будут воздействовать на корпус и медленно его разрушать. Таким образом, корабль должен быть не только массивно экранирован, но и иметь какую-то защитную броню спереди для защиты от эрозии по ходу движения. «Идеальная» форма корабля напоминала бы «тройку» для гольфа, с широким передним концом, выполняющим роль «следящего щита», и массивной цилиндрической оболочкой, покрывающей остальную часть корабля.

Типичная футболка для гольфа

Чтобы сохранить остальную массу. эта защита сделана изо льда и выполняет двойную функцию: и как щит, и как резервуар водорода и кислорода, дополняющий систему жизнеобеспечения. В холодном межзвездном пространстве тонкая металлизированная фольга, покрывающая внешнюю поверхность, вероятно, является всей необходимой защитой льда. Поскольку воды, кислорода и водорода самих по себе недостаточно, лед смешивается с другими замороженными «льдами», такими как метан, CO2, азот и т. д., поэтому вскрытие ледяного резервуара обеспечивает множество важных элементов для системы жизнеобеспечения.

Если ваша переработка достаточно эффективна, то количество массы, извлекаемой из резервуара ледяного щита, будет составлять лишь часть общего количества фактически доступного льда. Вытягивание льда сзади (рядом с местом, где, вероятно, будут располагаться двигатели) не слишком жертвует защитой остальной части корабля, и при необходимости часть избыточного тепла может быть упущена в корпус, чтобы позволить льду «течь». «подобно леднику, который покрывает или восстанавливает истонченные или поврежденные места защитного щита.

В долгосрочной перспективе материалы деградируют под воздействием окружающей среды (и, следовательно, непредсказуемым образом). Они требуют бесконечного, регулярного наблюдения и ремонта. «Интеллектуальные» материалы (например, пропитанные наномашинами) или системы структурной целостности могут автоматизировать работу по поддержанию материалов в отличной форме при условии, что они имеют свободный доступ к неограниченному запасу ремонтных материалов, соответствующую инфраструктуру для удаления отходов и способность полностью поддерживать и/или копировать себя.

Если предположить, что конструкция и материалы корабля обеспечивают нулевую потерю газа, когда их состояние находится в пределах идеального состояния, которое способна поддерживать эта система, все будет в порядке. Даже если структура или материалы допускают некоторые небольшие потери в их идеальном состоянии, системы такого типа (особенно материалы, пропитанные наномашинами) также могут обеспечить своего рода активный обратный осмос, потребляя энергию для отталкивания выходящих газов обратно в корабль.

К сожалению, чрезмерное повреждение все равно приведет к быстрой потере газа до того, как автоматизированная система обслуживания сможет его устранить, и при наличии достаточного времени такое повреждение практически гарантировано. Но, как предполагают другие, замена потерянных газов компенсирует это, и система, которая уже имеет инфраструктуру и материалы для ремонта систем сдерживания, может также использовать свои ресурсы для генерации потерянных газов.

Все это при условии, что через несколько столетий мы будем экономически эффективными микро-/наномасштабными преобразованиями материи и энергии, что, вероятно, является единственным способом решить все эти проблемы (возможно, даже одну из них) с помощью одного система.