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【科教】你真的了解KSPI么?

4年前

编辑标注:教程备份计划。本文来自坎巴拉太空计划吧,原文链接:https://tieba.baidu.com/p/4902666193 由@哆啦囧2世发布,版权归属原作者。

本文于2016-12-17 发布,部分内容可能过期。搬运时对文章内部的一些文字错误进行修正,调整了目录顺序以便于阅读。

in space, energy is cheap but matter is expensive.

在宇宙中,能量是廉价的,物质则是昂贵的。 ——Projectrho;Atom Rocket网站

前言

KSPI是对原版科技的一个扩展,鼓励玩家利用更高级的科技和当地ISRU系统进行星际殖民,其内容是一些近代的太空用核动力和一些还暂时停留在图纸上的设计,这个mod能让你能体会到不同科技的先进性和优缺点

目录

本帖长期开坑不定期缓更,将分析讲述几个内容,以下是本帖教程大概会讨论的话题:

编辑注:话题列表极其混乱,请查看页面顶端的网页目录

一些基础常识

l 飞船设计概念

l 系统概念

l 简单的公式【用简单易懂的方法来分析些复杂的公式】

(被大部分人遗忘的)热能推进篇:

l 固态核心核推–NTR

l 你可能不知道的关于NTR的一些特殊功能;

燃料与工质:

l 太空中燃料与工质的选择

l 分析各种工质的利弊

l 如何获取工质?

添加内容:

l 一些以往KSPInterstellar 教程贴说的不周到的纠正与吐槽

l 聚变与裂变的区别和优缺点——聚变一定是最好的么

l 各种推进方式的成本与可靠分析

l 设计技巧(随机插入更新)

l 细细分析KSPI中各种不同反应堆。散热板与反应堆和发电量之间的关系

大部分资料来源于 w .projectrho.com/public_html/rocket/engines.php

基础机械常识

核能发电机的核心–散热板:

如果你的火箭有多个GW级的发电厂,一个荒谬的大推力火箭推进系统,或定向能武器,你将需要巨大的散热系统来清除所有的余热。否则,你的火箭将熔化甚至汽化。

热能有三种散发方式,但不幸的是,在太空中只有一种方法有效,那就是热辐射散热。KSPI里的发电机用的是固态温差发电为主,这意味着温差越大,发电量和发电效率越高,简单的说,同一个反应堆,你的散热板越多越大,散热率越高,与反应堆的温差越大,稳定工作效率越高。

图:当功率恒定时,散热板温度与散热板质量的区别(散热效率)

你玩KSPI开电推时一定注意到了,运行一段时间后电推功率会下降。这是因为,散热板的散热功率取决于温度,待机状态反应堆功率低,散热负荷小(Waste heat),冷却液处于冷却状态。开启电推后一段时间,工质被加热,但散热板还没达到平衡功率(反应堆热功率),这段过程中反应堆因为温差下降而导致功率下降。

如果飞船的散热板被摧毁或未安装,将会无法发电,热量会积累导致反应堆强制停机甚至熔毁。追加散热板是可以加快散热并提高发电效率与电推的推力,但也会让飞船变重··这之间需要取舍。最新版本的发电机引入了热电偶的热端和冷端的区别。

(简单的)计算 Delta-V的方法

I love the smell of delta-V in the morning. Smelled like … trajectory.

在早上,我喜欢Delta-V的气味,闻起来像是…弹道.

—— RocketCat sez

相信玩KSP的对火箭公式一定不陌生,这里我就简单的几笔概括下公式吧

火箭方程式 Δv = Ve * ln[R] 或 Δv = isp*9.81 * ln[R] ,

R为飞船的质量比

R = 总质量/ 空重

R = (工质质量/空重) + 1

例子:当质量比为2时,燃料占了飞船总重量的50%

一个简单的方法得到空重和总重,从KSP下面可以得到飞船本身的总质量,记录下来,然后把燃料箱全部拉空就能得到空重,很简单吧?

看了上面那个公式估计有人要吐槽LZ,说好的简单呢??

_(:зゝ∠)_…

是时候放点干货了

简单的方法来根据排气速度(比冲)来快速应急估算飞船的DV:

比冲(s)可以简单的乘以10来得到大概的排气速度(M/s) [但为了精确还是建议乘以9.81]。当飞船的质量比为e(也就是正好为2.71828…)飞船的DV正好等于排气速度,当质量比为7.4(e^2)DV正好为排气速度的两倍, 质量比为20时(e^3) 差不多是排气速度的3倍

不过,受限于坎星人的油箱质量比为8(质量比最大值取决于油箱的质量比,不可能超过),想取得7.4相当困难…(飞船会极重,除非座椅加蚂蚁~) 至于20的质量比那就是人类的黑科技咯~

额外阅读:燃料占飞船质量的百分比

Pf = 1 - (1/R)

比如质量比为5的10吨重的飞船,

Pf=1-(1/5)=80%,也就80%的质量都是燃料(8吨),而剩下的20%为结构(2吨)。

Pf=1-(1/5)*100% = 0.8*100% =80%

关于飞船设计的经验

热推进还是电推进?

KSPI里的反应堆给出的都是热功率,然后接上发电机可以按一定比例转化成电功率和废热,再进行电推进,这个过程效率其实效率低下,但一般会获得可观的比冲~

参考比冲:1000s-20000s

而热推进则是直接让工质通过反应堆,反应堆得到冷却同时加热工质,废热被工质带走,会有很高的推力但较低的比冲,典型的是NTR和化学能,一些反应堆如气态核心温度极高,同时也有较大的比冲和推力。热推进的好处是废热产出少,不依赖散热板,以及总体推重比相对较高,推力稳定可靠~

参考比冲:250s-2000s

聚变推进也是热推进的一种,但是本身启动并维持聚变却需要电能。而电弧引擎和电阻引擎(ARC罐子和蓝色的RCS)是一种消耗电能来替代反应堆发热的推进器,总体效率最低(推力与耗电不成正比),但优点是轻便并高比冲,且不需要稳定功率(可爆发)。KSPI里的裂变极限是气核推进,兼具高比冲和高推力的黑科技引擎········

除此之外,固态核心因为受限于熔点比冲不能更高了,但可以更换工质获得更好的密度比冲或推力。

1.19.2版本更新介绍

2018-6-2 20:55:56

好久不见,最近KSP更新不断,在经过了1.43版本后对各个反应堆进行了大平衡,各个反应堆的介绍UI重做,其更新和变化重做程度不亚于隔壁土豆某游的“健康行动”,包含了大量的fix and repair。首先新版本总的来说是变难了,添加了更多的科技节点,也意味着需要的科技更高,难度也高。受改动较大的有反物质和发电机,以及微波激光接收器。

总体来说:

1. 发电机线小改

总体靠后一个节点,最大效率提高,TEG被加强到理想热机最大效率99%(人类把烧水科技树点到顶峰)

2. 升级更加写实且科技树互相影响

首先是核动力上下两条线互相buff对方的反应堆,比如球床堆。正电子反应堆和开气核需要散热板科技达到最大水平,PJ和碎片床需要等离子推进技术。 发电机和光伏板可以升级对应的反应堆、引擎、与发电机。

3. 本期的重点:反物质反应堆大幅加强,分工明确

Antip,受益加强最大的是正电子反应堆,明确了其在热推进上的设定,全升级甲烷能喷到一万多的比冲还有高推力十分暴力,削了发电力和续航时间(你得地面试飞,或者经过计算看看燃料和工质够么)

AIM堆也受到了加强,堆温提高接粒子喷口比冲不错,在发电能力上直接接MHD得到较大功率,适合做能量站或发电堆,一克反应物可以续很久。

Beam堆这个版本反而不好用···原因是被狭义化的定位以及比冲过高(你没看错),过高的反物质消耗····满功率喷一秒,少一万(成本),经常是看见反物质都消耗完了大半罐液氢还在的情况····

4. R&D****升级与UI重做

clip_image009[1]

如图所示,新的界面里我们更直观的看到升级效果和所需要对应的其他科技,以及能干什么不能干什么之类的,反应堆是否支持这种反应堆或喷口。

5. 正电子反应堆重做

给我拿十斤氘核,细细地切做质子,不要有半点中子在上面。—— 知乎某神回复

新版本的正电子反应堆大幅加强,同时提高了堆温和温度,作为一款(廉价)反物质堆更有了颜面。

咱们可以看出标准尺寸的正电子堆在点出散热板科技后鬼畜的推力和比冲····

=

采用实体热喷口时推力功率被削,但因为总功率加强所以依然强力。

正电子的加强是为了弥补Beam Core在改版后不再兹瓷粒子喷口的反物质热推进的缺口,由于功率加强其正电子消耗十分迅速,所以要注意工质和燃料(反物质)的配比:

通过MJ和反应堆界面可以估算计算出工质和燃料的可用时间,理想状态下两个应该都同时用完,次优是工质先用完。设计时要避免正电子先用完,不过你有其他发电手段并且采用电推继续消耗工质的话问题就不大。

顺便,由于正电子功率一般都够大了,所以我个人认为1.25m直径的正电子足够满足大部分情况的推力咯,这是个兼具比冲和推力的完美引擎~

6. 可进一步的小型化

正电子反应堆的另一个重大更新是可以缩小到0.625m的特别小的尺寸,比冲堆温不变功率等比例缩小,但在同尺寸反应堆里依然强势,能塞进一些狭小的空间,利用这点你可以去做一些大胆的想法···

7. AIM****反应堆及喷口

反物质催化迷你聚变堆,

通俗一点讲“反物质先裂变再聚变堆”。 工作原理是先用一点点反物令少量的铀达到裂变临界质量,然后再点燃包裹的聚变燃料,在简化的磁场内完成约束定向输出一气呵成。

相比托卡马克因为其简化的设备和没有复杂的点火设施所以比功率很高,不需要锂6,自带的铀能用很久,多带些氘和氦三即可。

每GW功率所消耗的反物质也是极少(相对其他两者),一克的反物质可以以6GW的功率运行 一年半(坎星年),同时主要功率主要产出是CP这种易于控制和利用的能量。

AIM****接热喷口(实体喷口、等离子喷口)/ 热能直喷

AIM在更新后堆温大幅提高,所以在直接热推进方面还是表现得不错的,其等质量比冲与推力稍微低于正电子这种专用反物质堆推,但是三四倍大于同等规模的聚变反应堆。

其比冲相比聚变直喷没有明显优势,主要优势是在于推重比以及低功率消耗和低废热。上图为常用聚变堆和AIM的推进性能对比。

“换档”系统与优势

什么,飞船还可以换档,你以为是是开车啊

哼哼哼,这你就不懂了~

老司机教你如何设计能换档的飞船

首先,

关于起飞星球需要的DV万能公式【忽略大气】

Δvo = sqrt [ (G * Pm) / Pr ]

where:

Δvo = deltaV to lift off into orbit or land on a planet from orbit (m/s) -从表面到轨道需要的DV

G = 0.00000000006673 or 6.673e-11 (gravitational constant, don’t ask) -引力常数

Pm = planet’s mass (kg) -星球质量

Pr = planet’s radius (m) -星球半径

sqrt[x] = square root of x -X平方根

如果不想计算可以自己找已有的DV表,你只需要理解有这么个概念就好。

什么,还是太复杂?那么就来一个非常偷懒的简易估算公式好了

星球最低的轨道高度的轨道速度乘以110% ~130%(越大越可靠),可以得到大概的表面入轨消耗DV【飞船推重比在2左右,更高的话值更小】。

如果想精确些的话···环绕速度/加速度=燃烧时间 | 燃烧时间X表面重力 =重力损失量

好,公式扯够了,下面来讲讲MOD里面实际的东西(正片开始)

“换档”设计与双模式核推(Bi-Modal NTR)

Shifting Gears “换档”

大家一定对换档这个词语不陌生,比如汽车在低档位时加速快,上高速后再切换高档位巡航,而发动机总功率基本不变。这个系统也同样适合太空推进系统,比如常见的例子如VASIMR电推和双模式核推

总的来说就是在输入(反应堆)功率不变的情况下,调整比冲,获得不同的推力,有时候也是为了减小燃料箱体积而采用高密度工质作为推进使用,或者在起飞阶段采用大推力模式抵抗重力,之后采用高比冲巡航加速到其他目标星球等。

简单的说:降低比冲获得更高推力,降低推力获得高比冲。一个推进系统同时有两种推力比冲互补的可以被理解为能换挡的推进器。

核推篇——LANTR(Lox-Augmented Nuclear Thermal Rocket)液氧补燃(双模式)核推

既然核推使用的工质是液氢,那我们干嘛不像化学火箭那样加入氧化剂来释放潜在的化学能呢?液氧的密度比液氢大很多,意味着相同质量的工质所采用的罐子体积更小,能大幅度减小飞船体积。而液氧也是电解水的产物之一,极易获取。

采用这种模式类似化学能+核引擎二合一,能同时提高推力和功率,代价是一定的比冲。在KSPI中默认的固态核推便有此功能

上图为如何切换到LOX补燃模式

图中燃料箱的配置是,几个大的球形氢箱配中间的圆柱形液氧箱。生涯模式必须解锁高级核推进(后面一个节点)即可获得其他种类的工质。

Bi-Modal NTR 双工况热核推进器

一般情况下,你的核推系统都只是在特定轨道工作几分钟,之后任务剩下的绝大部分时间都是待机模式,同时,在一次任务的其余时间,你的飞船也需要电力来运行生命支持,无线电,雷达,计算机和其他附带的东西。

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既然你有一个NTR核推,核推本质是一个裂变反应堆,那为什么不好好利用一下呢??

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那么我们让反应堆做双份工作,在变轨时提供热推力,其他待机时间提供稳定的电力带动其他系统,一举两得,岂不美哉?

绑上热交换机和温差电堆,接上管道和散热板,一个多功能NTR系统就造好了(o゜▽゜)o☆

这让你的飞船只需要一套循环热控系统和发电机,不需要其他的太阳能板等这类的额外设备(取而代之的是巨大散热板),生产的电能除了能解决Jool等深空远航电力问题,还能驱动电推等大功率设备。很巧妙,不是么(* ̄▽ ̄)y?

如何在KSPI里造出一台热电混合的双工况NTR?

在KSPI的核推上加一台热电机和两个散热板即可,So eazy~ 绿绿再也不用担心我的电疗

(上面的金色无人模块只是为了好看,不必增加)

热电转化率一般为15%30%左右,而你的NTR反应堆净功率一般是150300MW左右,也就是说,你会获得几十MW的电能,而你的生命维持系统一般只需要几KW(1Ec/s)便足以,相当于把V8引擎装在玩具车上,所以常规飞船用这个系统都有点杀鸡用牛刀了。

PS:默认的反应堆不需要如上系统也自带有10-50KW(Ec/s)左右的电功率,所以小型飞船和短途飞船可以不增加这个系统以减轻重量。

Trimodal NTR 三工况核热推进系统

所谓三剑客嘛,就是把上面两种升级结合起来.当你KSPI的科技解锁高级热核获得补燃推进后,再解锁热电机,配合上小型电推等对应科技就可以造了,你可能需要较大的散热板来提高热机效率保证发电量。但是呢,更大的散热板也会让整个系统更重~ 所以这之间你需要取舍平衡。

当你有了上述两种升级后,你的推进系统可以在500s-800s 到2000+之间的比冲中切换,推重比也有大于1和小于0.05两个档位,各司其职,足以满足大部分环境下成功工作。最新版本核推被和谐,无法再用这个办法发电,必须用反应堆或带喷口的反应堆才能发电。默认核推自带小功率的发电机,能支持基础系统如冷冻的运行。

如何设计一个三模式NTR飞船

(或名,如何用一个普通原始基础又落后的固态核心来周游坎星系)

首先,选择一个主要的大燃料箱作为飞船主体。这里为了展示我选择了大氢箱,当然,采用其他工质也可以。

巨大的罐子才有着两吨不到的液氢,可以看出纯液氢除了比冲很高以外其他都是缺点。

然后是设计载荷和控制系统,你想用什么载荷都可以,个人建议采用无人飞船来发挥最大优势。当然短途航行运输人员也可以,为了测试性能我最后采用了5吨重的标准载人舱系统。

第三步,也是关键的一步,设计综合推进系统。其包括电容器(可选,非必须),热电偶发电机,核推,散热板。电机的体积可调,质量不变,建议把电机调成和核推同样尺寸(不要太大或太小)

当然最重要的是…

别忘记加散热板!别忘记加散热板!!别忘记加散热板!!!

重要的事情说三遍

最后一步,选择副推进系统和辅助燃料,也就是两个小电推和副燃料。Vasimr是一个很灵活的电推,可以进一步切换比冲,并兼容绝大部分工质,比冲能在25000s~600s之间调节。使用这个组合后你的飞船达到上万的DV,想去那都随心所欲咯

至于缺点嘛,即使是缩小后的VASIMR还是有点重,每个大概0.3吨,且科技树靠后,属于后期引擎···

不过考虑到生涯爬树党(比如说我_(:зゝ∠)_),这里还是用了个比较简单且像NTR一样常见(人手一个烂大街那种)的电弧推进器,使用液氢能达到2800s的比冲,同样也兼容大部分工质,最主要的是又轻又便宜推力又大(≧3≦)/。缺点就是比冲相对偏低且不可变,但作为第一个电推还是相对不错的。短距离旅行比如地月系可以采用该引擎。

如果需要对接的话,可以加一个Arc Service Tank,一个多功能电弧RCS,效果和上面的电弧引擎差不多但性能要差一些,因为罐子本身相当重,建议采用小号的罐子,燃料可以选高密度且核推兼容的燃料。Arc tank在电力不足时会自动降低比冲来保证推力···为了避免你可以剪短喷射时间或者限制最大推力让能耗平衡。

副燃料箱

有几种组合方式,常用的三种组合分别是

l 单一工质——整体只采用一种工质(无副工质)

l 双(多)工质——一般为高比冲工质(如液氢)为主,然后高密度较低比冲的工质为辅(联氨,甲烷,水等)一般为大燃料箱配小燃料箱

l 化学平衡式—— 两个有一定依赖性的工质,为补燃NTR特殊的专有模式,或者需要化学火箭助推的情况下采用,一般为液氢液氧,甲烷液氧等

其他组合我会在后面的帖子详细介绍,这次重点讲补燃NTR的燃料配平。

首先我们先计算出补燃的DV,约为2000m/s。

接下来是模拟氧化剂烧完后的情况,从上图得知,我们有1250L X2 的液氧,也就是2500L。核推的补燃模式燃料配比是4:1,通过液氧计算消耗的氢,2500L/20%=12500L的氢。

把“烧空”的液氧拿开(如果无法或不打算分离则拉空),从主燃料箱减掉对应的液氢,再把核推切换到液氢模式,我们就能得到大概的后续DV,最后把两个加载一起就是总的DV,约为3000m/s。

还有一个喜闻乐见的情况,在采用可分离副燃料箱的时候,你可以这么弄,会直接显示两级的DV。图中的情况相当于,核推在氢氧模式工作,烧完氧化剂后分离罐子,剩下的液氢全部由电推来食用得到的DV。

设计完成后,用一个小分离器和大整流罩把你的推进系统罩起来做个级间环(原版可做哦).

最后,造一个基(shi)本(fen)够(qing)用(zhen)的运载火箭,就可以上天了

PS:因为上面级相当轻的缘故,第一级3600DV直接单级入轨,末端过载达到7G妥妥的暴力火箭.

发射,入轨,海妖,Ooops,一气呵成。

核推基础设计篇——完

小贴士:

在太空中能用电推就尽量采用电推变轨,如果要获得最多的DV就优先消耗低比冲的工质,除非你需要预留该工质进行如捕获降落等需要大推力的情况

编辑注:这里大概是另一个章节开始了但是作者没写。

一个飞船的推进系统由五个主要部分组成,分别是

①燃料 ——反应堆里的燃料棒,含大量能量

②发电机 ——把燃料的能量转化成功率

③推进剂/工质 ——做功的物质/用来承载能量

④能量转化系统 ——将能量施加到工质上

⑤喷口/推进定向—— 把高速的工质往特定的方向喷出

* 特别注意燃料≠工质。化学引擎的工质既是燃料,除此之外的高级推进则不然

** 部分热推进可以受到化学反应的功率buff,比如LOX加力核推

作弊小抄—简要描述各种系统的特性

接下来的内容比较长篇大论,如果觉得太长不看的话可以看本楼进行简要快速说明

燃料和反应堆

l 裂变适合热推进,功率密度大,体积小,缺点是反应堆无法关闭(无法再次开启),燃料难以获得,废热高

l 聚变适合电推,特殊的聚变反应堆有自由电子驱动磁推或发电机,优点是可以关闭重启(长期任务优势),聚变的缺点是可靠性不行,运行需要能量(意味着最低功率是限定的),启动需要能量等

工制

l 高密度工质比冲低推力大

l 液氢比冲最高,密度很低,推力最低,可以说除了比冲高外都是缺点···

l 一个综合性能优秀的工质是氨 NH3

l 容易获得且密度可观的工质有二氧化碳(CO2),在大气星球普遍存在,简易加工即可使用

l 水冰 (H2O) 很容易在大部分星球和远日星球上获得,且能生产很有用的液氢液氧或过氧化氢(HTP)

l 甲烷(CH4)和二氧化碳等含碳类燃料会导致喷管结焦,降低推力并过热

l 锂 (Li),一种高效的电推工质,也是聚变反应堆的增值物资

能量转化和喷管系统

l 反应堆加热推进, 最常规最简单也是最高效的推进,把反应堆的热能直接施加到工质上,效率一般在90%以上

l 除了一些设计会比较困难,大部分反应堆+喷口的引擎都是这种模式,比冲400-1000s(裂变),

l 15000s(聚变),缺点是部分推进器体积巨大且沉重

l 电阻引擎(Resistojet)(游戏中是蓝色RCS)是最初期解锁的高级电推进器,其优点是体积小,廉价,可安装任何地方,兼容绝大部分工质,缺点是比冲低(与核推差不多),效率低,总30%以下

l 电弧推进器(ArcJet,游戏中有三种)是早期解锁的多用途高推力低比冲电热推进器,利用电弧的瞬间高温(20000+K)来加热工质,可以理解为操作闪电的引擎! 在有充足的功率下,使用液氢能达到2000s的比冲,一部分工质略强于核推,兼容工质也比较多,缺点是能耗巨大,兼容工质较电阻引擎少

l 离子推进, 比冲相当高,同样兼容包括液氧在内的绝大部分工质,缺点是沉重且推力低(特定工质可以克服),后期可升级为无工质微波推进。

l 可变比冲推进(VASIMR),集合了上述电推的优点,推力可调并兼容大部分工质,缺点是大推力模式效率偏低。

l 磁流体引擎,需要特定的反应堆才可使用,采用液氢为工质,比冲超过十万秒,推力为几微牛···

l 电弧推进器(ArcJet,游戏中有三种)是早期解锁的多用途高推力低比冲电热推进器,利用电弧的瞬间高温(20000+K)来加热工质,可以理解为操作闪电的引擎! 在有充足的功率下,使用液氢能达到2000s的比冲,一部分工质略强于核推,兼容工质也比较多,缺点是能耗巨大,兼容工质较电阻引擎少。

l 离子推进。, 比冲相当高,同样兼容包括液氧在内的绝大部分工质,缺点是沉重且推力低(特定工质可以克服),后期可升级为无工质微波推进。

l 可变比冲推进(VASIMR),集合了上述电推的优点,推力可调并兼容大部分工质,缺点是大推力模式效率偏低。

l 磁流体引擎,需要特定的反应堆才可使用,采用液氢为工质,比冲超过十万秒,推力为几微牛···

(新版KSPI推荐一个允许在时间加速时开启引擎的mod,完美兼容此引擎,反应堆的寿命成为需要考虑的事情之一)。

真是个超长的小抄不是么_(:зゝ∠)_

反应堆篇

前言

“那个反应堆是最好的?”这个问题在这里就相当问“一公斤铁,一公斤棉花,一公斤木头那个重?”

没有最好的反应堆,但是有更先进的反应堆,不同的反应堆种类通过不同类型的燃料和发电(能量转化)方式会有各自的优缺点。

反应堆本质上是一个把核燃料的原子能释放出来,然后再通过复杂的系统接收并转化为方便使用的电能或其他能量,但是不同的反应堆会在转化方式上存在区别,这个区别就相当于同样重量的棉花,铁,木头扔到水里时会得到不同结果一样。供能方式的区别会带来不同的优缺点。

发电方式分为热电型和高能粒子型,热电是现实中常用并老生常谈的类型了,也是最早也最成熟的类型,一般在太空中通过温差电机实现,优点是廉价并技术成熟,缺点是需要处理大量的废热。热电的效率一般在15%-30%左右,低功率的热电发电机可以达到55%左右。高能粒子是比较未来的发电方式,其最大的优点是最小化废热产出,意味着你不再需要巨大的散热板了(但还是需要小型的来处理其他系统的废热),缺点是早期型能量转化率低,且只有特定的反应堆才能采用此方式。高能粒子发电的转化率在30%-85%左右

PS:理论上,裂变反应堆只要提高中子流量就能无限的提高反应速率,但是为了使反应可控和防止燃料棒和零件熔毁气化,一般都会有个核心温度上限(Core Tempture),加快散热就能让反应堆选择更快的释放能量,也能让温差电机产生更大的温差而生产更多的电力。

反应堆的功率

KSPI里大部分反应堆的功率为热功率,单位为MW或GW(1GW=1000MW)

但是呢,反应堆会更新换代,其功率会随着科技树提升,在质量不变的情况下功率会提高。所以要看一个反应堆的当前实际功率,你要右键然后查看Active Raw Power,单位是MJ每秒,可直接单位转化为MW。

一个反应堆是否优秀,极大部分取决于其的功率密度(MW/t)。

散热板与反应堆

该章节会简介热力学定律,反应堆与散热板之间的关系和不同的散热板的不同效果(如何选择散热板)

热力学定律

在太空中反应堆采用的是热电偶发电,这个系统的优点就是因为没有旋转部件而很可靠(当然运输冷却液的泵还是要旋转的),并且是封闭系统。在这里我需要纠正你们可能犯下的一个常识问题。我们感觉上认为“利用热电偶,可以把热能直接转化为电能。”

这个想法完全错误的! 热力学定律,热不可被摧毁,只能从一个地方转移到另外一个地方,热电偶是利用热梯度来发电(或者说温差)。举个简单浅显的例子,作为类比,想想水电大坝。水库中的水是在较高的重力梯度比水下游。水电大坝将重力梯度转换为电能.。但水在通过后不会消失,大坝也不会把水变成电。以同样的方式热电偶不会把热转换成电,热仍然存在。

PS:然而想玩转KSPI并不需要掌握上面这些定律

如何知道散热是否充足?(基础篇)

继续拿之前的双模式NTR说事,KSPI内置的计算器能自动帮助您计算散热板是否足够发电,同时给出理论发电效率(稳定情况下)

点击这个按钮开启

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以下为各种情况:

①绿字代表没问题,反应堆能稳定高效运行(如上图)

②黄字代表反应堆能在低功率长时间高效运行,但高功率时效率损失较大。

③红字代表散热严重不足,,反应堆只能以极低功率运行,高功率情况下反应堆会快速下降(几分钟到十几分钟)可能过热。

若RMD为0kw且为红字,则意味着没有安装散热板,无法发电,反应堆无论采用何种功率最终会因为废热积累而熔毁。

(最新版本特性,这个核推自带了小型散热系统,也就是那些小散热板在轻型飞船上可以省略了)

散热率与反应堆核心温度

散热板的散热率与温度有关系,温度越高,相同面积的散热量越大,从上图可以看出高温的gascore因为极高堆温,其工作效率最高,球床反应堆居中,而熔盐反应堆因为本身核心温度低,尽管需要的散热功率最小,但也是效率最低的。(不过熔盐反应堆有自己的特殊优势,后面章节将会提到)。

采用高堆温反应堆能大大减少散热板的质量和面积。大散热板=低温冷源, 高温反应堆=高温热源, 根据热机原理两个源(热源冷源)温差越大其效率越高。

散热板为什么会影响发电量?

图——模拟推进系统与冷端温度

这个取决于飞船任务类型和周期,在热电发电上散热板当然是越多越好,因为散热量增加,在热电机那可以降低冷端温度,从而取得更高的温差和发电量。当然,上图的例子因为在地面上,散热板受到空气热对流提供的加成,于是散热率看起来很高,但在真空中效率将会降得很快(100KN的电推你怕不怕)。

如何取得最佳的发电量与质量平衡?

反应堆和热电机占据了整个发电系统的绝大部分质量,发电机的质量随着功率增加而增加,反应堆因为不同类型提供了不同的热功率(部分反应堆不会提供热能)

如果要最大的推重比的话,你需要追求最高的整体系统功率密度,其中这些能帮助你选零件:

l 反应堆功率质量比:Raw Power/反应堆质量。(改变大小会改变这个比值)

l 热电机:这个数据比较复杂,估算和反应堆类型与功率有关,基本上功率越大,需要的热电机就越重【估算值为每吨对应500MW的功率】

l 散热板:随着技术升级单位质量的散热板的散热功率会提高,黑色的石墨散热板比原版的要高级

整体系统功率密度:反应堆功率X散热后power百分比÷(散热板质量+热机质量+反应堆质量)=功率密度

举个栗子,上面的双模式NTR系统全重为(0.15x2+0.75+2.12)=3.17t(其实也可以直接看MJ等mod,直接计算出全质量)。

其功率设置在100%时稳定电功率为 375x100%x8.28%=31.05MW

若功率为30%档时,稳定功率为 375x30%x22.76%=25.605MW

从这看出低功率的反应堆运行效率(核燃料的能量转化比例)要更高,但我们如果只需要加速度的话就取前者。

然后整体功率密度为:31.05/3.17≈9.8MW/t,每吨9.8MW。

————分割线————

那如果我们采用更大的散热板呢?

换了新的散热板后,系统全重约4.2吨,

类似上面的公式,我们得出:

反应堆100%时功率 375x25.7%=96.375MW

反应堆30%时功率 375x30%x35.7%=40.1MW

然后再用电功率除以质量: 96.375/4.2=22MW/t,功率密度和效率都提高了!

还有一种极端的情况,为了最大化的减轻质量,你可以采用非常小的散热板。

因为在功率较低的情况下,可以减小推力来维持比冲,在加速度不是很重要的情况下能采用这种系统来榨出最大DV,一般用于地月系的飞船,小型核动力SSTO(散热板阻力很大),或者电推仅为辅助系统时推荐采用,没有太大的电需求就用最小散热板保证反应堆不熔毁就好。

这个是利用了散热工质和一些吸热材料来吸收并暂存热量,再缓慢散热,适合于短距离飞船需要的加速时间少于3分钟,dv改变量少于1000m/s(地月系)。

为了轻量化而采用最小的散热板,可以简单算为反应堆功率x20%,比如上面那个为375x20%=75MW, 反应堆短时间内能以这个功率运行,然后花费更长的时间排出废热,相当于一个巨型温差电池,通过散热来“充电”·····

——分割线——

安装更多的散热板也可以用上面的公式求出效率,一般会有一个黄金效率点,在哪功率密度为最高

如果是轨道电站的话,因为不需要考虑加速度,所以在运输允许的情况下尽可能多的安装一些散热板,当然也别安装得密密麻麻了····

长时间运行的反应堆效率在10%-15%之间波动,散热板最少只要保证废热不积累就好。对于热冲压引擎来说,散热能力与散热无关,而是与大气密度成正比。

附图:解锁核热电推混合的基本科技图,建议在基础火箭没问题后先走电推的科技线得到科研设备。电推还需要靠后一格的高级ion推进来解锁电弧电推。电弧rcs在原来真的好用,但之后的更新把核推砍了一刀,因为解锁工质的科技点移动了,要获得实用工质得花费更多科技。

真的反应堆篇

编辑注:我真的拿到了两个反应堆篇的大标题,

反应堆是高级飞船的心脏和灵魂。KSPI提供了各种不同类型的反应堆,其因为运行方式不同各有特色,但最终目的都是将核燃料的能量以一种可以接受的速率释放出来。

编者注:关于反应堆的完全内容和教程链接如下,需要特殊渠道访问。以下内容关于各个反应堆的其特点。

https://docs.google.com/document/d/1WjPP1xNDeMuRqEx7TaXJYIm86NJeP62PsExM02RzNQ4

熔盐反应堆——Molten Salt reactor

第一个解锁(严格的说是第二个)的大型反应堆,其优点是燃料利用率高,稳定,和体积可大可小,其运行的反应堆寿命也很长,默认燃料可以坚持很久,还有一个功能副产物貌似可以用来生产其他核燃料,需配合科研舱。

其缺点是功率密度低,很重。核心温度也太低,意味着同样的功率需求的散热板比其他高温反应堆更多,同时也不适合用于热推进。

PS:其核燃料(UF4)占据了全重很大一部分,短期任务你可以削减UF4来减轻反应堆以适应短期任务。该反应堆在运行时会产生Xenon Gas可以用于电推。

熔盐反应堆还可以用釷作为燃料获得更大的功率,但代价是反应堆寿命。其还有一个功能就是,可以把锂转化增值为H-3(T),一种有用的聚变燃料。建议小型化改反应堆用来生产聚变燃料和备用能源使用,也可以用于基地和电站的长期运行的反应堆,不推荐安装于ssto等飞船上(除非你没得选)。

固态核心核热引擎——Solid Core Nuclear Reactor

整个KSPI中性价比和功能性最佳的反应堆(认真脸),潜力比你想象得大得多。其成本相对较低,因为其非常简单的工作原理,基本上是把一些工质泵入许多条燃料棒之间加热然后经过喷口喷出,没其他反应堆那么复杂。其能得到常规化学引擎两倍的比冲,最大排气速度限制由反应器的熔点决定,后期升级能解锁补燃模式和更多燃料能解决其推重比和密度比冲的问题。(具体在未来的工质章节讨论)。其燃料棒无法更换,持续100%功率运行时间约为140坎星日(6小时每天),但是一般情况下采用热推进的工质一般都是在几分钟到几十分钟烧完,所以问题不大。但采用长期电推进的话则需要考虑一下工作时间了。关于如何正确食用此反应堆前面的章节已经提到过了,说实话如果你要真的采用热核电推,混合推进的话初期建议采用这个,比前面的咸鱼(熔盐)反应堆好多了,有功率密度又有多功能性。

直接循坏核能涡喷引擎 —— 简称核涡喷 Nuclear Jet

KSPI里一个专门用于大气飞行的引擎,其工作原理和飞机引擎类似,不过燃烧室被更换为核燃料棒来加热空气,以摆脱对化学能的依赖。其燃料为浓缩铀,工质为星球大气,为了防止辐射有着沉重的外壳以防护。早期型号只能采用纯大气,后期型可以泵入工质产生真空推力,因为其反应面积大和强大的涡轮泵,其推力比默认的固态核心大很多(约为默认核推的3倍多)。因为其有加压涡轮,能在低速模式下很好的运行,但是在高速状态会被增加阻力,其最大飞行速度约在3马赫左右。

此反应堆同样可以采用类似之前核推的方制作发电模块,但因为功率较大,发电机也会比较重。

其在合适的速度时出力巨大,理论上推力随着气压增加而增加的正比例关系,随着速度先增加再减少。

其早期型号只能采用惰性气体作为工质,但出力巨大,图中是采用二氧化碳作为入轨加力段。

Tory 牌核冲压喷气引擎

相当于核能喷气引擎的高速版本,功率更大,也更加重(结构简单不应该更轻么?)。因为利用了冲压效应其速度越快推力也会越大。其缺点就是,体积巨大,形状奇葩,缺少矢量,最主要的是极差的低速性能,推力随着速度降低急速下降,在0速状态下无法启动。

PS:现实中真的差点出现的引擎,米国菌方打算拿来造低空高速核巡航导弹······

冥王星计划的艺术概念图↑

不同速度不同高度不同推力的截图,其中最后一章是从两万米高空小角度俯冲下来的结果,当时在低空高马赫飞行也有着1000KN的推力。这个引擎适合高空高速巡航,其在坎星大气中选择合适的高度,可以做到大气内入轨的效果··· 你用此引擎需要当心的是高速气动和过热问题。

高速飞行时引擎会发热,安装Pre-Cooler 应该能解决此问题。在燃烧其他工质时引擎也会快速冷却。综合上述,核涡喷适合于需要起降的星球使用,同时该环绕速度(入轨速度)要求不算很高,核冲压适合配合核火箭或普通火箭启动,加速到具有基本推力然后巡航累积速度,然后再抬高爬升角。

球床反应堆和球床堆引擎

此反应堆又名粒子床反应堆,颗粒床反应堆。在现实生活中,球床反应堆的设计理念很先进,是第四代反应堆的候选堆种之一(其他还有熔盐堆和各类聚变),其特点是能在高温中运行,并且本身有完好的自稳定的机制。

其核心结构为大量球形燃料,放置在一个鸭力容器内,然后让工质在燃料球之间通过容器来获得热能(你可以理解为这是烧个球的方应堆)

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编辑注:不用谢,我放在前面了。

因为其燃料本身是个球,所以容易管理和更换,以及集中处理,降低机械应力(这意味着这个方应堆比传统的棒型燃料返应堆要更轻些)。此外他也是少数不停堆就能更换燃料的返应堆之一,在生涯模式中,这也是第二个推重比大于1的高效率引擎。

“球床反应堆的最大优点是它本身比较安全。当球状燃料的温度增加时,铀238吸收中子的速率亦会增加,令可供引致核裂变的中子减少。故此这种反应堆可产生的能量有自然的限制。反应堆的容器被设计成在没有机械帮助下,散热会多于核燃料自然产生的热能。因此从理论上,球床反应堆不可能出现核芯熔解。而且由于核燃料是被包围在燃料球之内,若果一个燃料球爆裂,亦只会释放出较少的核燃料。” (https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%90%83%E5%BA%8A%E5%8F%8D%E6%87%89%E5%A0%86

【图中的反应堆在VAB显示为2000K,但是实验时过热到了更高】

在游戏中作为反应堆其有一个特性,就是反应堆的核心温度(Core Temp)会随着过热升高,而功率会下降。反应堆发热后散热板因为温度升高所以散热量也会升高,所以是个正反馈效应。这既是优点也是缺点,首先这意味着该反应堆在散热板不足的情况下也很难过热,但也意味着作为电推发电站也会有更少的功率。你可以这么利用这个特性,故意关闭散热板来提高其核心温度,以提高热推进模式比冲。

作为双模式发电机的话,核心温度升高也对应着温差会升高,也就是热端的温度升高,会令能量转化率保存比较恒定的位置(但总量减少),故意过热也会导致反应堆损耗而永久降低最大功率。

目前理论的核动力发动机有两种:

一种是直接利用反应堆的高能粒子。这个的前提就是要有核反应堆,无论什么种类。另一种是核爆脉冲引擎。利用反应堆高能粒子又分多种类型,其中核裂变发动机分以下4种类型:

1. 固体核心核发动机:在这种发动机中,推进剂受固体燃料核心加热,估计比冲量能达到大约800秒;

2. 粒子床核发动机:在这样的发动机中,液体推进剂被泵入核燃料里面,这种方式能达到很高的热量,使得比冲量能达到大约1,000秒,推重比超过1;

3. 液体核心核发动机:这个办法是使用液态的核裂变燃料,由于不必操心裂变物质的熔点,所以能达到更高温度从而获得更大的优势,比冲量能达到大约1,500秒,推重比超过1;

4. 气体核心核发动机:这种情况下我们不用再操心裂变物质的蒸发,在这个系统中推进剂流经等离子态的裂变物质,从而达到最高的可能温度,安装一个冷却系统后,比冲量能够达到7,000秒。

利用反应堆的热量这种办法虽然节省了燃料,但必须携带许多核动力发动机多液体推进剂,结果许多节省的重量都被消耗掉了,获得的好处没剩多少。】

——摘抄自宇宙战争吧的一个远古时期帖子

额外内容:实用的东西和常见问题

最近在生涯独自研究,造了个月球基地,碰到不少问题和挑战,都被一一解决

这是我在月球的实验性建造基地,配合EL已经有生产的功能,图中的板都是为了提高反应堆效率的散热板。基地由两个反应堆兼油罐船,两个ISRU,一个采矿船和零件组装站组合而成,目前因为卡成苟而临时弃置_(:зゝ∠)_

一年前,基地刚刚开始的样子··········

基地一开始的主角,是一个带核推的矿船,作为基地的主反应堆兼发电燃料系统。基地早期的电力都来自于这个临时改装的矿船,在前面的章节已经讲过如何利用这个核推发电,这玩意光是发电量都是MW级别的,意味着能生产相当于原版60000Ec/s的电。多亏这个一万块的核推,开辟了我的基地的大半江山。

反应堆中毒: KSPI-E又一个拟真点

你们在玩KSPI时可能会遇到一个问题,比如,造了个核推,时间加速几年运行一段后,反应堆的推力与功率变小了。这是因为反应堆积累了反应毒物,导致中子被吸收而功率下降。尽管反应堆还有95%的核燃料没有燃烧。 毒物造成的功率下降类似于反比例线,关于数据我会做更多研究。Act不能被直接删除,只能通过一种特殊的机器来处理。

反应堆中毒一般发生于,反应堆长时间运行,高功率运行一段时间后,有毒废物会开始积累,超过一定阀值(核燃料的1%)后就会开始减少功率。为了方便理解,你可以类比成 烤火炉烧煤时没有及时去掉灰的情况,会燃烧不充分什么的。

会积累毒物中毒的反应堆一般为裂变堆,目前有3种:熔盐反应堆,基础型核推,闭循坏气核。(反应堆资源有Act的一般都会中毒)。球床堆等堆因为燃料容易更换,所以只会产生可以储存的核废料,但是这不会导致反应堆功率受损。

如何处理反应堆中毒?

现实中做的是把燃料棒融化,然后再处理过滤出里面的废渣,然后再浓缩提纯

在KSPI里你需要这样的一个机器来处理,这机器除了能搞燃料棒还能搞一下有用的矿物(会在后面的ISRU再讲)。

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开启ISRU界面后点击这个按钮,就会弹出这个界面代表处理开始,实际上的处理速度非常快···可能是bug

可以看到,反应堆的最大功率快速上升,同时Actinides 被丢入虚空,后你的反应堆就重新的充满了生命力有了这个机器后,你就可以给你的反应堆再续一年。处理完成后不要忘记关掉,否则会一直吃掉5MW的电力功率加速燃料消耗。

小技巧:这个机器不需要由你的飞船携带,可以放在基地或空间站里,然后有需要的核推定期飞过来与其对接,清理一次废物后重新上阵。 如果放在地面基地上的要注意中毒飞船功率下降带来的推力下降等问题。

反应堆的长时间使用和维护

(2018.3.24插入更新)

各种反应堆的中子毒化和功率损失

复习:

关于一次(或多次)变轨将会消耗多少能量

耗能=功率x燃烧时间x效率%

其中功率可以取推进功率(排气速度x推力)

一次任务消耗的能量=变轨耗能+平均反应堆待机功率

Fp = (Thrust × ExhaustVelocity ) / 2

排气速度(比冲),推力和能量的关系

我们可以把工质看成是一份一份的能量小球+单位工质的复合体。当工质(推进剂)一定时,能量越大小球最终动能越大,于是能耗更高。不过在功率一定时,比如电推,反应堆每次只能给那么多能量,那么就只能减缓丢小球的频率来保证每个小球得到的能量相同。虽然单个小球带给飞船的动量增加了,但因为单位时间处理小球量减少得多,也就是比冲越高推力越小。反之亦然,能量少比冲低相同功率相同时间,能处理更多小球推力也大。

一个简单的测试方法就是建立个地面激光站,然后把想要测试的反应堆接上发电机和激光发射器来持续时间加速运行一段时间同时观察反应堆功率变化。这里我测试了3个基础的熔盐堆在3种模式(U burnup,U Floride, Th),和一个球床堆。开启激光后时间加速。

没有机器可以不维护而永久运行下去,核反应堆会随着时间的推移而老化损耗。常见的损伤原因有中子毒化,中子脆化,燃料消耗等。

参考资料:

中子毒物(英语:Neutron poison)是一种具有大中子吸收截面的物质,由于会对连锁反应造成负面影响,而被称为“毒物”,常应用于反应堆物理计算中。[1]在反应堆中,我们尽可能希望中子由可裂变物质吸收,使之发生核分裂。然而,一些物质具有强烈的中子捕获现象,会导致降低反应器运转的反应性。

中子被短半衰期的核分裂产物吸收称为“反应堆中毒”;中子被长半衰期或稳定的核分裂产物吸收称为“反应器结渣”。

——维基百科 (中子毒物)

“中毒”的反应堆需要经过燃料再处理才能恢复正常功率:

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反应堆维护

开始时的数据

运行一段时间后的数据

经过测试对比从图中我们可以看出来了,在满功率运行了八个坎星日 (六小时一天)其累计的中子毒物(锕系元素)已经开始让反应堆功率下降些许。这个时候我们可以看见功率损失的比率:其中钍堆损失了差不多50%,而铀F模式只损失了1%,U Burnup 模式则没受到影响,球床堆依然满功率运行。同时,仔细查看数据可以得出,熔盐堆在burn up模式功率为一半,但是核燃料消耗却为十分之一,可以看出在燃尽模式下效率相对提高了5倍!

详细讲讲熔盐的Burn up模式。接下来又是2组对照,其中一个反应堆先是F模式运行再切换到B模式,积累了一定的锕系元素。和上面的数据对比可以看出burn up模式对锕系元素的抗性要强于前两者许多,前者在锕系元素15kg左右开始损失功率。而在burn up时,其锕系元素可以一直积累到120kg左右都不损失反应堆功率。可以得出即使是同一个反应堆不同的燃料和模式对阿西元素的抗性各不同。

所有反应堆随着任务时间的变化规律

clip_image068[1]

首先,在单一模式下满功率运行能生产的总能量是可以确定的,

总能量=运行时间x输出功率 x 反应堆功率%

比如我一个反应堆功率是1GW,运行了10个坎星天,那么生产的能量是

1GW* 3600s * 6h*10d=216000GJ = 2.16* 10^11J

消耗的核燃料和生产的锕系元素的质量是几乎相同

燃料消耗≈毒物产出

燃料消耗量= 燃料消耗率(g/s)x 时间(s)

毒物产出量= 毒物产出率(g/s)x 时间(s)

实际情况取决于反应堆类型,一些反应堆有一个临界值过了就开始损失功率,会根据尺寸不同变化,这个最好自己挂起测试。

反应堆功率就是: 最大功率/当前功率 x 100% 而激光发电站多是100%,而转移飞船是最小待机功率,在6%-13%之间因反应堆而异

当毒化开始时,反应堆功率损失和中毒速度呈渐进函数,或者是反比例函数。随着功率减少,反应堆燃烧的核燃料量减少,而这又减少了毒物产生速度,以此循坏影响。对于热推进,这可能导致比冲损失;对于核电推,损失功率不一定会损失比冲,但是会减少推重比。

锕系元素的处理(核燃料再加工)

为了避免中子毒物的影响,我们可以:

l 仔细规划任务的运行周期,在反应堆寿命以内完成任务目标

l 携带KSPI科学舱,进行燃料再加工

l 采用不会受到中子毒物影响的燃料或反应堆

使用KSPI科学实验室来处理核燃料,要求里面必须搭载至少一个科学家。在满足条件后右键打开选择 “处理核燃料clip_image121(RNF)”,消耗5MW来把Act锕系元素转化成DF 用尽的核燃料,同时反应堆功率恢复正常。可以选择长期开启或处理完就关闭,毕竟这玩意还是耗5MW的电的···

为了避免每个船都携带这承重的玩意儿,你可以让其成为个固定空间站,当有飞船需要就过去对接重新加工核燃料。处理完毕恢复功率后再分离,继续执行任务。举例:火星上有一个带这零件空间站,于是拖船给火星殖民地送货时顺便到空间站对接,处理更换好核燃料后继续飞往其他星球。

核推篇

闭式循环气核引擎(又名-核灯泡)

这是你第一个同时兼具了比冲与推力的引擎,能同时拥有几千的比冲和几百千牛的推力,且推重比适中。于热发动机而言,燃烧室温度越高其比冲也会越高,气核引擎克服了固芯会融化的问题(因为已经蒸发了)从而进一步提高了反应堆温度,该反应堆需要一定的小型散热板保证稳定运行。自带了喷口的一体化设计,用起来十分方便。但因为种种原因用于发电的话,会让本来就重的系统再加9吨,效率也可能少于15%。

早期型号过于沉重以至于有时候不如基础核推好用,后期型比冲提高再次有用。适合需要起降稀薄大气的飞船或重型飞船。以的话推荐采用甲烷或氨Ammonia作为工质,减小飞船体积。如何控制这种高温系统并完成散热是个工程学的挑战,也是聚变引擎的前提。

闭式气核引擎的特点

推力大,比冲较高(相比传统核推),适合作为单级的运输器,不过本身死重过大不适合轨道运输器(过后会做个系统解释)

闭式气核的设计原理

使用相对透明的石英把铀限制在一个较小的区域内,同时充满惰性气体。 靠高温铀的红外辐射加热外面相对不透明的液氢达到高温。整个反应区会达到500atm的超高压,所以也需要沉重的压力外壳。

闭循环引擎的铀是被隔离开的,所以正常运行的情况下不会像外释放大量辐射物质,但也因为有墙不能直接加热,比冲也相对开式循环低一些。

更多内容:http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#id–Nuclear_Thermal–Gas_Core–Closed_Cycle

额外小知识

热推进系统的比冲和什么有关系?

渣渣机翻(还算可以读)

从这里可以看到,气核引擎因为反应式温度已经超过5000K,达到万开尔文的温度段。所以分子氢被分成更加轻便的原子氢,分子量进一步减少而带来的比冲增加。

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开循环气核引擎(反应堆)

[最新版本的气核引擎被移除,由反应堆替代]

这个反应堆直接采用蒸发为等离子态的铀来加热氢,以获得更高的比冲。 因为结构相对简单,所以相对也更轻了一些。温度是闭循环的两倍,那比冲也差不多是闭循环的两倍。

但这反应堆有几个缺点:

一是核燃料可能会很浪费,产生放射性的尾流。(不过实际使用时核燃料比预期损失的要少很多,可能会后续版本添加这一特性)

第二个也是最关键的一点,这个引擎在高加速度下,会因为浮力效应损失反应堆功率,也意味着同时损失推力与比冲,这意味着拿这个反应堆是不可能做出高推重比的飞船的。

第三,要想达到最大比冲,必须把节流闸开到最大,如果减少油门也会同时损失比冲和推力。这点可能和前一条互相矛盾,以至于你的飞船会出现推力一下大一下小的不稳定效应。

此外,这个反应堆的可选燃料类型也较气核少很多。

ps:最最最新版本开气核引擎又被加回来了 (赞美) (不过在大气内工作时似乎有bug)

气核反应堆是比较特殊的一类推进系统,其推力和比冲取决于接的喷口

第一个是传统的物理发射接口,其推力与比冲居中,在早期生涯首先利用气核的也是这个系统。比冲在2200~3000s左右,采用再生冷却,有报告表明,比冲在3000s以内时再生冷却正好满足于条件,否则更高的比冲需要散热板等额外冷却。燃料选择也受限于氢,后期型可能会增加水,氮等工质,更高推力更低的比冲。

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采用磁约束喷管的话,因为工质被磁场约束,没有和管壁进行物理接触,所以不需要再生冷却,于是比冲会更高些。不过基于换档原理(Fp= (TxVe)/2),将会泵入更少的工质,于是推力会小一点(相比电推依然很高)。

气核反应堆的具体食用方法

与传统的火箭不同,在设计气核反应堆飞船时——需要限制飞船的推重比与加速度!

因为气核反应堆会受限于浮力效应,在大加速度时中间的铀等离子体会被甩到其他位置,然后这会造成核心功率与温度的下降(偏离中子反射源或出于保护零件)。所以,你在设计一个气核飞船时要保证g力不超过0.5g (加速度在5m/s²),超过后反应堆功率会下降。

经过试验,在加速度超过0,5g后下降,然后在0,7g处取得一个动态平衡。不过,出于某些原因,这对采用再生冷却的直接接触的传统喷嘴影响不大,单纯只是损失推力但比冲不变(除非极端恶劣的加速度下会降低比冲)。

不过采用更高级的约束喷口引擎就是另一个情况

首先,我的这个气核+78吨飞船兼工质,质量比差不多是3,能达到这个比冲这个推力

然后我把副油箱分离,因为加速度过大,触发了浮力效应,反应堆的功率与温度被迫减小,反应到推进器上则是比冲下降了。

随着飞船越来越轻,其加速度越来越大(推力下降但加速度还是上升趋势),浮力效应更明显,于是出现了,飞船越轻,工质越来越少 比冲反而越来越低的可怕情况。所以,选择比冲稳定在3000s但推力较大,也比较重的传统引擎,还是更高科技的磁约束,比冲在4000s-5000s之间波动,还得看情况与需求(以及当时的科技程度)。

同时,飞船的推重比也要控制好,在飞船工质耗尽时加速度尽量不超过0.5G太多那样子就比较合适了,于是气核也不需要设计得过大,够用就行。

等离子尘埃裂变碎片反应堆

Dusty Plasma Fission Fragment Reactor

原子时期,历史最著名的反应堆叫什么?

报告 尘埃堆

Fission Fragment Reactor 坐

比冲每秒有一百五十万

约束 定向排出瞬间完成

是裂变反应堆的豪杰

这是裂变科技最后一个,也是最先进的裂变反应堆,他利用的是被磨成纳米级别的核燃料作为反应物来发生裂变。除了可以把工质加热到极高的温度(比反应堆本身还热)外,还是第一个会产生带点粒子(CP)的反应堆,带电粒子可以用于直接发电来最小化废热影响(不需要冷源,不过反应堆还是要散热)。

不过,其最大优势是排气速度最高可以达到5%的光速!

通过裂变产生的反应后产物会带电,只需要再少量的氢原子混入让其混合,然后配合磁喷口就能将其重新定向并排出。 因为相比传统反应堆的热传导,少了中间介质,所以热传输的效率问题被绕开,比冲能进一步提升。

由于不是所有产物都会逃脱,那些没有逃脱的物质撞上反应堆壁而产生热能,这个废热可以通过散热板循环冷却(简易),也可以选择经过布朗循坏热机利用热梯度生产电能后再冷却工质(较重)。有了这个反应堆就可以把质量比控制到2以下了(工质小于全重50%),同时建议搭配两个同时期解锁的VASIMA引擎以获得相对较高的推力以适应捕获。

游戏中的反应堆尺寸较现实的较小较轻,同时功率更强。在VAB里显示的磁推是最大推力模式,将节流阀限制到10%可以获得更大比冲,但注意核燃料可能会优先于工质烧完。这可能将会是第一个让你意识到比冲并不是越高越好的推进系统。

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两个科技都是相当的后期的科技,不过高级电推科技非常的通用所以还算是很有解锁价值。这是为了那些需要达到光速级别的排气速度的飞船准备的终极电推。该反应堆的最大缺点是,待机功率最小为40%且不能缩小除非小绿人出仓关闭。如果打算使用无人船,建议携带额外的核燃料来给反应堆续命,(不过土星以内轨道应该都是够的了,默认燃料足矣)。

不过,为了满足某些情况特别是某些人对大推力的渴求,公司大量改进了该喷口,让其成为了类似开式气核的设计 的工质直排的能力,其会同时具备高推力与高比冲的性能,不过由于磁喷口只能接受质子(氢),所以你至少保证飞船还是有至少一吨的氢作为高比冲冲磁喷嘴的工质,并且不要让氢被其他引擎烧掉。

磁推喷口的话,建议采用2.5m直径接口1个,或者1.25m直径喷嘴4个,,这样子最后消耗的CP能量正好为45%,略大于反应堆功率,从而不会造成核燃料与你能量的浪费。这个相比气核而言不会受到加速度影响,不过如果你真的要采用这种方式的话···不如就直接用气核吧

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核蜡烛——波式反应堆引擎

一种精心设计的核热引擎,是整个KSPI里最小最轻的核引擎,能以相当好的比冲和合理的推力来推动卫星。其工作原理是类似蜡烛或固推一样缓慢的消耗其内部燃料,将工质加热到1731-2400K的高温,同时自带散热板。采用液氢的比冲为1000s左右,谜之原版燃料也有600-733s。

咋一看像是个魔改RTG什么的。这个引擎最主要的目的是减轻卫星和运载火箭整体载荷,增加末端DV与灵活性从而控制成本

此为采取了核蜡烛的卫星,在RSS环境下用了奇怪的原版燃料,相比毒燃料的化学能版本,工质少了一半,DV反而翻了一倍,用在各种卫星上简直是得不行。

PS:原版燃料比较迷啊,在RKSP里不会漏密度高比冲高显得各种黑科技,原版核推也是····

这个长的像RTG的核引擎,最大缺点就是使用年限有限,单个核推启动后无法停止。

借助高级资源条可以看出其有效运行时间是现实的2年半左右,升级后功率更大反而要更短命些(比如沙盒)。不过1-2年的时间也足够一般的转移运行和系内游玩了。因为其核燃料有限,耗尽后将会无法工作,所以请最好带上太阳能板在坏掉后发电,以及备用的化学引擎进行微调。

默认自带散热器,但有时候会坑爹的不够(不要问我是怎么知道的罒ω罒)·····最好再加一个最小的散热板板什么的稍微辅助散热,否则这货待机时会一直红红的要化掉一样·······

clip_image152

既然Candle有使用周期,那么正确的使用方法是怎么样呢?

首先设计个运载段,将携带Candle的卫星或飞船包装起来,到达目标后再分离Candle卫星,让其单独入轨。因为Candle在不启动前是不会消耗核燃料的,所以先不启动,直到目标附近才启动变轨,就能最大的规避这个缺点。比如去金星,下面段完成脱离重力,变轨微调,然后卫星段完成最后的捕获减速。合理分配就能最大化的减轻整体重量。

好咯,核裂变直接推进与所有的裂变反应堆到这就基本介绍完毕,接下来将是KSPI的第二核心引擎——

电推篇

电推最直观的特点就是推力低比冲高,在最新版本的KSPI里,所有的电推都变得可以在时间加速下使用了,这让推力小不再成为累赘的理由。以下数据是经过了长时间的调(tou)查(lan)分(mo)析(yu)得出的结果,同时结合了在RSS环境下的飞行经验得出的数据,敬请参考,欢迎补充与分享。

补燃式电弧引擎

该引擎是用磁场约束工质,然后再利用电弧加热,在电推中属于推力较大的一类了,比冲还不错,液氢能有2800s,采用其他工质会有更低的比冲和更高的推力。其特点是功率密度接受很大,单个引擎就可以接受5GW左右的电功率(良好冷却下),采用小型反应堆的话建议缩小后使用以降低负重,一般两个0.625m就能消耗完2000MW的电热发电反应堆的功率。

PS:在玩RSS时解锁这个电推就和抓住救命稻草一样的感觉_(:зゝ∠)_,原有的核推飞船简单改造一下DV就能翻倍2-3倍(或者同DV下增加5倍的载荷。)

关于用法,参考前面的发电指南已经讲了如何与Solid Core引擎结合方法,在生涯模式下你也可以利用这个组合在较为简单的系统实现巨大的DV量,使得单个Solid Core被最大化利用。

这将是你第一个换档式的系统,需要高比冲,开电推,需要高推力时就开启核推。同时,你可能也注意到了,电推本身占整个系统非常小的质量,质量大头一般是反应堆,发电机和散热板。散热板不足不会影响比冲,但是会导致整体效率变低以及间接缩短反应堆寿命,最主要的是降低推力。后期可以简单通过替换电推达到更高的比冲和更高的DV,不过注意Solid Core 的寿命导致不能持续燃烧太久····

至于缺点,该引擎的效率只有50%,也就是剩下的都会变成废热需要处理····但是作为早期第一个解锁电推,这货会比传统核推的比冲高两倍不止,所谓一美遮百丑嘛。只要能灵活利用这个电推,那其他的几种电推都能轻松上手。

接下来的篇幅主要介绍电推系统与能源系统,这次就先来复习一下散热板与反应堆的关系,也能更方便理解接下来的内容。为了便于理解我就不扯(zuang)理论(bi)了。

散热板、热电机与反应堆的关系

早期实用的太空发电主要利用的是温差发电,那么飞船就要求同时有热源和冷源。这里,反应堆就相当于热源,冷源则是流过散热板的冷却液。而温差发电利用的是两个温度之间的差,实现发电。

此为wiki参考

在KSPI中,我们需要:

一种反应堆的发热量和发热温度(除了球床)是固定的,这决定了热端温度和总热功率。(总发热)

我们要做的是选择合适的散热板与散热板面积,拿同温度的散热量去匹配反应堆。

我们得到这些规律:

相同飞船下,发热量不变,效率越高,发电量越高

相同飞船下,发热量不变,散热板越多,平均发电量越高,散热板越少,平均电量越少。

效率越高,每克的铀(或聚变燃料)发出的电就越高=散热板越多就越省核燃料。或者说,产生相同1MW功率(1MJ/1Mev)消耗的核燃料更少

反推可以得出:

相同散热板/散热条件下,热源温度不变,反应堆功率越小效率越高;意味着采用更小的反应堆,抑或是限制功率则可以得到更高的效率。这和汽车用高速路的巡航速度相比把油门踩到底飙车要更省油类似的情况。

简(tai)单(chang)的(bu)说(kan):

反应堆+大量散热板=长期高效设计(效率大于40%)

反应堆+中等散热板=在效率与加速度取得平衡(面板效率为10-40%)

反应堆+少量散热板=最轻量化(最大DV)设计,电推只能维持较短的高加速度时间(效率小于10%)

反应堆+没有散热板= Boom Shaka Laka clip_image162

此外,小型反应堆+中等散热板=简单高效的又能提高效率,又能减轻成本减轻质量的设计,适合太阳轨道巡航船

电磁动力推进器

或名磁推 (Magnetoplasmadynamic (MPD)Thruster)

clip_image154[1]

这种电推用磁场加速少量的工质,将其提高到巨大的速度。比冲理论上为万级别,取决于采用的工质,液氢能达到11000s。效率也取决于采用的工质的电离效率,以及过热效率等……

游戏里是这个样子

可以兼容大部分工质,效率比冲各不同,一般是氢氦等低原子量的最大,因为是用磁场约束所以可以“烧”液氧哦~你可以简单理解为这是一个高比冲的多功能电推即可。

要记住,电推的推力取决于反应堆功率,但比冲与反应堆没有直接关系。电推尺寸决定了能接受的最大反应堆功率,建议小船(反应堆功率小于等于1GW)缩小尺寸到。625用来减低质量,如果是大船就用默认的大小就好。

PS:最高级版本貌似有量子真空的无工质推进模式,新版貌似取消了改到EM drive上

关于磁推的更多介绍,参考 http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#id–Electromagnetic_(Plasma)–Magnetoplasmadynamic_(MPD)

Nomograms DV 列线图

又名游标尺计算图(比冲与DV版) 根据两点一线的办法,在得知两条信息的情况下求出第三个未知项目

https://pan.baidu.com/share/init?surl=c2vhuV2 密码:n0xf

来自于原子网站的创作,通过一个表,在给定比冲和确定的任务DV消耗下求出所需质量比

或者反过来,在确定的质量比和确定的比冲下求可有的DV。只需要简单的确定两点画一条线就可以得出大概数据~使用起来非常便捷快速。

在MJ抽风的时候可以用用来应急求飞船的DV什么的哦

原网站教程:http://www.projectrho.com/public_html/rocket/engines.php#nomogram

如何使用这张表呢?

举个栗子,假设我们有一个飞船,货我们打算让其DV为从地球直接起飞入轨这样

9km/s 也就是要求约9000m/s左右的DV

我们采用了比冲为1000s 的球床NTR

两点一线,咱们得到了质量比要求为2.48,方便计算以及考虑误差容错什么的咱们取2.5

质量比为2.5,或者说飞船将会有60%的质量为工质

假设咱们这个飞船的空重为10吨,那么根据质量比计算公式我们可以得飞船全重

10*2.5=25t OR, 10/(1-60%)=25t

那需要的工质为

25-10=15t

咱们需要15吨的液氢

再比如,根据确定的任务DV,确定质量比来决定需要的引擎科技。我们要霍曼转移到冥王星,这次的任务DV为30KM/s

假设咱们的运载火箭最多能送重100吨的东西到地球高轨,如果你要运输25吨的货物的话

100/25=4 或 1- (25/100)*100%= 75%

得知质量比应该取4,正好是经济的飞船质量比上限

那么拿尺子画调线对应下去,我们需要比冲为2300s左右,正好对应的科技为电弧引擎能满足任务需求

如果相同的DV你想送90吨的货物呢?

100/90 =1.111… 或 1-(90/100)*100%=10%

对应质量比,咱们需要的引擎比冲为VASIMR,也就是排气速度至少得达到300KM/s,对应的引擎为VASIMR可变比冲引擎。这个表在计算时会存在一些测量上的误差,越靠上误差越大,所以仅供参考。为了保险,建议完成选择后反向运算来验算结果是否可靠。

可变比冲等离子引擎 VASIMA

还记得前面提到过的换档的技巧么?这些特殊电推就是把这些功能整合到一起,通过改变投入的工质量和工作方式等达到可调剂的比冲和推力的目的以上三个都是KSPI内出现的“可变比冲电推”,这三个电推的本质上是一样的。

前两个是比较小的型号,性能一样,区别就是一个是侧挂一个是常规引擎型。适合一百吨以下的中小型飞船和卫星使用,也可以作为大船的辅助引擎。反应堆功率在0.1-5GW之间比较合适。如果采用10吨以下的卫星级飞船,建议吧引擎缩小到0.5m或0.625m的直径。

后一个相当于前者的放大版,更大体积,更高的比冲。因为更复杂的结构允许其吧能量丧心病狂的集中到每一个原子上,所以每份排出的工质会具备更多的能量和速度。由于本体较大,适合在发电量5GW以上的大船。这会是一个十分理想的跃迁飞船主引擎。 其中,可变比冲引擎目前是Nasa的研究重点,将会成为火星任务的主要引擎,其性能足矣遨游于太阳系行星间~

无线能源传输

以上图片为个概念示意图,实际以实物为准,请不要在家里尝试

早在20世纪初交流电发展不久后,尼古拉·特斯拉就开发了无限传输电力的概念,当时这个思想是非常前沿的!但无奈那个时期的基础技术水平不足和其他原因而作罢。现代和近未来,在有了更先进的电学技术和小型化的反应堆后,微波输电将会在航天业(特别是低成本发射与低成本变轨)上开始大有作为。其中激光或微波发射将可能成为未来主流的起降技术。

接下来的章节将会介绍KSPI中的微波网的使用和细节。

远程输电科技树介绍

生涯模式第一个能解锁的远程传输是微波线和(红色方框),也是科技要求最低的,简单的说是个大号微波炉。除了提供微波输电外还有发电机升级等实用的东西。其能提供短距离(200-5000km)的能量远程输送,橙色方框则是赞美太阳线和激光接受线,总体比较贵但是后期给力,输送距离也远。

科技树解析

本科技树更新时间为2018/3 请以最新版本为准。

最新版本的科技树微调,现在裂变反应堆的科技树后直接连上反物质和大统一FTL,也就是说可以不用点笨重的聚变反应堆就点出反物质堆和FTL线了。相比聚变系列需要的科技点少很多电力建议点出Hi-Tech解锁CP发电,当然你非要烧开水发电我也没意见~

FTL引擎科技也有所改动,现在你必须完成两条主要科技树的线后最终才能解锁Warper

其中上方的两红线对应聚变和裂变反应堆线,聚变推进线单独分开

下方绿线对应反物质生产,科学实验室升级和激光无线传输科技线,

靠下黄线则是电推线,电推线最后最终还是会解锁“反物质效率提高”科技后再解锁FTL

反物质使用科技更容易解锁咯,但是反物质存储科技更靠后了···

需要两条科技树才能最终解锁(差不多比原来多1800科技)

其中更推荐优先解锁红色的油箱线,获得各种奇葩可膨胀油箱和500bar的气球

emmmm,那么是不是没点反物质存储就不能用反物质堆了呢?

并不是,这里隆重推出正电子反应堆~

只需要解锁特殊油箱就能获得这个带电粒子陷阱

2.5m直径下能以1吨的罐子来储存160mg的正电子,里面可是满满的正能量哦(物理)

从上到下:

资源线——(小方框对应原版最强科研设备蓝盒子–负引力子探测)

激光发射线

电推线(这些远程输电一般都是为这些电推服务的,关于电推类型参考前面的内容)

红色框的发电机与微波线直接影响反应堆热转电的效率,附赠微波发射器

黄色赞美太阳线尖端光伏科技,同时也是接受前面激光的科技树(两个得搭配一下)

最底下红散热板线,也是直接影响反应堆发电量,更好的散热板有更高的面积比和散热效率

微波篇

光是高能电学做不了什么,还是得点到专业这里远程传输才能实用化,到了这里你可以建立早期短程微波网咯(地面–轨道)

关于微波发射站:

「Val 感到脸上有轻微的瘙痒感,她知道一个巨大的电场出现了。她仰头顺着天线所指的方向望去,看到夜空中的一缕薄云发出幽幽蓝光,那光很微弱,最初她以为是自己的幻觉,但当那缕云飘离那片空域后,云的微光就消失了,另外一缕飘人的云也同样发出光来…」

测试单元001号,其配备一个0.5m的电弧推进器,以氨或甲烷为工质。1GW的球形接收器,除了小太阳能板维持控制外本身没有任何大功率电源。

【坎星科技研究员第二梯队,绿岸工程第233次常规发射,授权确认完毕,30秒倒数···】

发射很成功!在一个小小的飞船上爆发出了巨大的高比冲推力!

各种性能测试良好

无大气登陆器瞬间变成党费鬼畜机动导弹

平时给人印象愚笨的电推探测器也做起了如同乌鸦坐飞机一样的机动clip_image195在KSC上空飞了几个盘旋后耗尽工质坠毁。

双方都几乎在目视范围以内,于是效率特别高

到底是什么原因让这个小飞行器如同打了鸡血般强劲呢?这里要涉及到一个功率密度比(Specific Power)MW/Kg,可以说是 功率除以每千克飞船质量,或者反过来,KG/MW 一兆瓦会分配到多少千克上。结合前面的推进功率公式,可以得出推重比大于1的情况下在特定功率下的最大比冲,大家可以试着计算一下一吨飞船在各个功率下达到10m/s²的最大比冲。

至于实验中我的飞船功率密度为990MW / 2800Kg= 0.353MW/kg, 每千克分配了0.353MW。实际上因为效率问题,实际功率为500MW,同时后来我给飞船加了点东西

3000Kg/500MW=6Kg/MW, 意思是每六千克飞船分配1兆瓦

练习题:

1, 上面两个飞船那个功率密度更大呢?请列出计算方程。

2, 用5MW,10MW,100MW,1GW,10GW来给一个一吨的物体1个g的加速度,能达到的最大比冲是多少?如果是0.1g(或1m/s²)的加速度的话比冲又是多少?(设效率100%)

地面微波实验大成功,既然微波这么好用呢,那么我们拿到太空上如何?

这下问题就来了,相比地面站,将能量发射站放在太空会有几个问题和挑战:

l 反应堆很重,会受吨位限制,或增加发射成本

l 显而易见,昂贵的反应堆上天了,地面上的可以回收再换,太空的回收难度挺大··

l 在反应堆故障或毒化后难以维护,得用配套的燃料再加工设施(又是一套系统更重了)

l 散热困难,地面上还有专门高效的大气散热设备(气冷堆),而且散热板想要多少有多少,太空受重量不能太多太大

但是在太空中也有以下好处:

l 视角更好,显而易见不受行星表面曲率的限制,范围更广

l 发射的激光或微波不再被大气吸收了,波段自由(当然对着大气内飞行器供能还是会被吸)

l 发射站可机动,相比发射场更能全方位覆盖

l 有的时候能和耗能的目标更加接近

到了太空中,我的微波电站可以切换到波长更短的D波段了,原来在大气中使用该段会加热水汽而几乎全部吸收,但是在太空中就完全没这个问题。距离轨道上空3000km左右,时长时短,太空版采用温度更高的球床反应堆,代价是热功率不稳定,过热时因为安全特性而堆芯温度和热功率下降。不过平均效率都在25-40%这样,最大1GW,平均0.5GW。

至于这个波段相比之前的Ka波段有什么好处嘛,请听我细细道来

现在开始一个测试,首先两个目标都处于坎星同步轨道附近,同时相距2.8Mm左右(2800KM,相当于坎星同步轨道到地面).使用同一个卫星的默认微波接收器,接受到微波。一开始解锁的那个微波的波段是可在发射后调频率的,但是大部分激光却没有这个功能,这需要注意。

首先是D段的微波:

然后是Ka段的微波:

能看出有什么不同么?

从上面的右键菜单中几个关键的几个数据是这些:

Receiver Diameter : 显示你接收器等效的圆面积直径

Facing Factor:面向因数,判断接收器是否以正确的角度接受激光或微波,尽可能通过调整飞船姿态让其大于0.9,如果安装可转动面的话建议采取滚转来对齐。

Spot Size(s):表示从发射站到你这里的扩散圆面的直径,或者说光斑直径。如果光斑小于接收面积则效率高,反之会大幅降低功率

Distance Eff.:距离导致的效率,最大为1(100%)

Produced Power:生产的功率

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clip_image208[1]

对比两个不同微波(左为D波段右为Ka波段)

前者获能68.4MW,后者只有17.4MW,相差了差不多三倍多,到底是什么导致了这差距呢?

咱们回到VAB里或发射器看看

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从发射器的界面里我们可以看到这些数据,其中影响传播距离的关键则是波长,在激光学和无线电学里,波长越短,其相同距离扩散得越小。

从隔壁激光武器学那借来的公式:

clip_image214

激光武器和激光输电两个的原理都一样的,只不过前者的目的是增加目标的熵用的

RT= 0.61*D *L / RL

公式的各个值代表:

RT = 在目标距离的投影半径

D =从发射到目标的距离

L =波长

RL= 发射器的半径(未知,为了便于计算所有的都设为1或相同常数)

能得到波长越小其投影面就越小,这样在相同的功率下打到接受面上要比打到真空中的能量更多,反之亦然。同时懂得一点物理,知道电磁学大统一的话,光与电磁波其实是一种东西,只是波长上有区别。微波,激光,与硬X射线,他们之间的差距和具体内容将会在下一章进行详细介绍········

激光篇

激光本质和微波差不多,在有了电磁光大统一理论后,微波,激光(红外紫外可见光),和x射线本质都是同一种东西,都携带能量,就是波长上有很大不同. 「来源 Wikipedia」

也就是说,从微波网那学到的技巧,和在玩原版时的通讯网技巧,同样也能用在能量网。

首先是基础的电推线,这个科技点将会提供初期的三个前期激光科技,同时还有KSPI版多功能科学实验室(用来解决反应堆毒化的问题)。当然在点这个前还是建议先点电推线(毕竟无限输电就是为了电推服务的嘛)

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至于接受激光的科技从这二选一,都能提供可以展开的接受天线。上面的则提供早期的两种红外和方便轻便的微波接收器,还有其他有用的电器和热机性能提高。附赠其他的微波接收器。下方则是专门提供热能为主,较大面积的热接收器和光电接收器(待测试区别)

从综合性价比考虑“专业电学”明显高于太阳能,毕竟热机效率提升等可是全局都用得上的技术,还有些可用于发射的球形微波接收器

通过SST科技点最先解锁的三个激光发射器

其大小如图对比,功率,总重量和特性各有不同:

第一个激光器(球探照灯型)各属性居中,其特性是可以缩小并依然有较高的功率和大的发射镜面(和颜值高)。良好气动可作为头部使用。

第二个激光器(枪型)的特色是功率/质量之比最高,同时自带光电转化器。但是因为镜面偏小,所以在远距离传输下比同等产品要差一些。

第三个激光器(探照灯)则是相同半径下发射面积最大,功率也是最大的,不过体积和重量都比较大,适合土豪传输大功率的卫星用。

其中,第二个会先解锁,后两个过后会解锁

早期的激光选择:

默认的Long Infrared(长波红外线)是前期较好均衡的一种激光模式,具备较高的效率和最低的大气吸收率。

至于Far Infrared除了效率高一点外没什么特别优点,适合在太空中近距离传输能量,但相比前者通用性较差。

剩下两个Short、Near Infrared则是波长更短方向性更强(更小的扩散面),适合更远距离的传输,效率偏低。

首先第一个激光器的原型,是不是很眼熟呢?

Yal 1A AIrborne Laser Aircraft conducts initial ball rotation tests at Western Test Range

没错,其原型就是来自于美国计划中的空载激光武器。现实是通过用电容释放能量脉冲击毁导弹,而KSPI里用同样的炮塔从核反应堆获得持续能量发射连续的激光,照射接受面来传输能量。在初期里传输总效率(考虑热机平均效率)在10%-15%这样子,相比之下微波的效率是25%~30%,不过因为方向性更好在距离效率下可能远超微波。

在早期只有熔盐球床堆的情况下,我比较推荐这样子的设计,总体激光器(半导体腔+炮塔镜面)加起来不到一吨(420kg+375kg),虽然最大输出功率仅为0.75GW但是对于熔盐等前期反应堆是远够了。剩下的热机效率大概取决你愿意加多少散热板,具体请参考前面热机章节(编辑注:我没找到热机章节……大概是反应堆篇的散热相关内容。

在原版星系你大概需要这么大的标准发射火箭将其送入轨,RSS里你需要三十吨载荷左右的火箭。

成功入轨并发射激光,在节约模式下(Burn UP,功率减半但核燃料效率提高)输出75MW

测试用目标为一个标准3吨重的长距离(原版)电推通讯卫星

喜闻乐见的是,哪怕是这个尺寸的火箭还是OverKill了,剩余大量多余的燃料

然后设置个由远到近的椭圆轨道,先绕一圈再去同步轨道

首先是第一次测试,发射站和接收站的距离为150KM左右,天上已经有了两个激光器,我把功率调到最大约150MW级,然后近距离发射,收获的推力和功率如图,其扩散面小于接收面的面积,所以距离效率几本为99%。因为效率还是会损失一次,所以实际变成电的功率是100MW 得到的推力如图,距离正好也为(编辑注:这里真的没数字)

时间加速到同步轨道高一点的高度,距离扩大十倍左右,因为光的物理现象扩散面圆的直径更大,超过了接收面,超出部分被射到宇宙中,于是效率正好也跌了十倍。

距离再增加两倍,光斑也增加了约两倍,效率再次减半。现在船上能量损失的更多了···

不过有一个好消息,你一般不会因为这个而损失电推的比冲,因为你永远可以通过减少质量流量来减少推力而维持比冲。

通过实验我们已经发现激光与微波的规律,之后的部分我会进行进一步的研究,做个比较实验测试更加先进或频段更高的其他激光(从红外到可见光到紫外线),有机会将会列个表格。

目前能得出的结论和建议:

l 不要把能量站丢到同步轨道,至少红外光的激光站不要。否则效率损失得不偿失。

l 接受器若想高效率则应该具备更大的接受面积,具体要多大则由你的情况来权衡。

建设太空能量网

相比把整个反应堆和发电站送上太空,在轨道上建立反射镜成立能量网可能是个更经济的选择。这里我们需要设计一个能量中继卫星,其原理和通讯中继差不多,就是能量大了好几个数量级。

我们有两个设计方案可以给反射卫星选择:微型核动力卫星 、化学太阳能常规卫星或 常规卫星+微波加力

常规卫星较便宜 (5000),而且维护设计科技都比较简单,但是依赖太阳能,且只能在坎星以内用。只能用常规燃料,比冲300-350s。【注意!大型反射镜可能遮蔽太阳能板】

有一种特殊的操作就是装配能量接收器,可以带动电推获得较高比冲来机动变轨,但是需要的低温燃料保存比较麻烦。(当然也可以用常规燃料甚至开水)

迷你核动力,具备绝对自持力的同时还有适应性,可以装备低温燃料箱(主动冷却),配备高比冲电推(2000s左右,推荐用电弧) 可能具备更多的DV同时更加轻,以及多次变轨力。缺点是反应堆与燃料寿命。(不过熔盐堆切换burn up模式会比较长寿)。略微昂贵(41000)。部分反射器允许卫星自己也主动输出少量能量。

【新版KSPI的价格还不平衡,4万的卫星,冷冻罐子和电容占了2万···】

请注意,无论是化学能还是核能都需要安装至少一对散热板,避免反射器宕机,这个持续消耗的电可能是常规动力不小的负担。(编辑注:↓注意日期)

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至于如何建立微波能量网嘛。。。

Short Answer(太长不看版): 3个同样轨道卫星如同同步卫星那样,均匀布置3个即可

完整解释:取决于能量类型,如果是地球或者坎星这样大气内发射站得用不易吸收的红外波,所以适合在低轨道,500-800km的圆轨道均匀布置三个,卫星之间呈现三角形且连线不会插到大气层内即可。

激光网络还是有点讲究的,为了讲好专门进画图做了个图o(* ̄▽ ̄*)ブ

本图视角是模拟从星球极地俯视,赤道为平面。六角星是反射卫星,黄线是各个卫星之间的连线,黑线是某卫星到地面距离(轨道高度),淡蓝是大气圈,圣蓝是卫星的轨道圈。

简单的说,设计轨道时尽可能让黄线最短,也就是轨道高度(黑线)尽可能低,但是又尽可能避免黄线切入大气层即可。如果黄线过长,系统虽然也不是会变的不能用,但是会因为距离的延长导致光斑扩散从而降低效率(反射不会重置距离。)

若觉的精度比较难或轨道比较低,星球半径大(比如地球)的话,可以采用更多卫星或更高轨道增加容错率,低轨道的多卫星其实比高轨道3卫星要稍微更高效些(成本和工作量也更大些)。

不推荐把卫星置于同步轨道,因为距离扩散问题。

第一阶段: 规划决策

首先进行计划规划,根据预算和资源,得决定放几个反射卫星? 计划放几个?卫星轨道多高?还有要什么类型的Beam作为初始传输?

第一步是射线的选择,这决定了后续一系列影响。浏览列表我们可以简单得知两种可选的射线,分为微波(microwave)和红外(Infrared)。至于其他高于红外的可见光和紫外线,X射线因为大气吸收严重50%-90%不适合在母星使用,但月面基地可以考虑。要记住发射和接受是要分别计算两次的,反射可能也有损失不过我还没研究。

微波的发射效率为90%左右,接受效率为90%-98%,总体效率相乘约为81%-90%

红外发射效率为60%,接受效率普遍55%-60%,咋一看还行,但加起来(60%*60%)就只有36%左右的效率了。

因为开始阶段只有红外和微波,而且–母星建立大功率发射站比异星容易,所以接下来将围绕母星发射站这点展开。

根据激光的特性,我们可以列出:

加强能量网功率和效率的因素

采用转换效率高的射线、采用大气吸收率和水汽吸收率小的射线(类地星球水汽很多)、缩短距离以减少衰减、增加初始反应堆功率、更大的发射接受面。

减少能量网功率和效率的因素

低转化效率射线、过长的波长、过远的距离导致扩散、过小的接受面、大气吸收效应、水汽吸收效应。

结合上述因素后比较适合做类地大气能量发射的频率是Ka-微波 和Long IR 长红外,无水汽可考虑D-Band Microwave

得到作者钦点后知道了激光与光斑的计算公式,是稍微简化的。那么我们可以通过公式

Spot size = distance-to-spot * wavelength / (aperture diameter)

咱们假设发射面和最终光斑面相同(或1:1比例关系),得到

1 = distance-to-spot * wavelength / 1

然后变化约分

distance-to-spot /1 =1/wavelength

【可能有错,临时发布作为草稿】

第二阶段,规划反射卫星的轨道高度和数量

咱们吧星球想象成个圆,然后我们反射的射线尽可能不要穿过大气避免损失。

如何设计和确认目标的轨道呢?

难度:一个初中到高中的几何题

我们首先画一个圆相当于星球,这个圆的半径是(星球半径+大气层高度)取值为R。然后当有几个卫星时就相当于把圆几等分,内部画出角度的线,然后这条线将与圆相交,长度还是R,这每个内角的度数是 360°/卫星的数量。(为了方便看,有一条线最好可以是圆的垂线,上下皆可。)

接下来在每个角的线和圆的焦点处画一条圆的切线,这个线和角到圆弧的线垂直。 然后这几条切线就能得到几何图形就是卫星的大概位置,画一个圆连起来就是个大圆,这大圆也就是各个卫星应该处在的轨道,大圆到小圆的距离就是轨道高度~就这么简单。

比如我们要发射三个卫星就是一个三角形,4个卫星就是正方形,以此类推……

如果是三个卫星,就这样画个

如果发射4个的话则是四条线4个角

接下来以4个为例,画4个延长直线垂直于角相切于圆(或其中两个角的延长)【橙色】

(这里的a和前面提到的R是一个东西,一个性质)

最后再画个大圆与4个角相交并以小圆的中心为圆心即可得到轨道图

每个卫星的相对位置为大圈焦点

距离为橙色的线(4卫星的正方形正好是 星球直径+大气高度x2)

至于轨道高度则是蓝圈到红圈的间隙h

学过点几何应该记得扇形的特性吧

试试看自己算出答案

习题:

l 如果是EVE时(大气90km半径700km)轨道高度会多高?以Mun为轨道呢(半径200km)

写出计算过程或公式。

编辑:烂尾了……

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原文标题:【科教】你真的了解KSPI么?
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原文作者:坎喵站长
原文出处:坎喵KerbCat