ДР Цертуса 2011

(no subject)

Настоящим объявляю, что все мои персональные данные, тексты, фотографии, рисунки, переписка и т.п. являются объектами моего авторского права (согласно Бернской Конвенции), и оповещаю «ЖЖ» (LiveJournal, Inc / SUP Media) о том, что разглашение, копирование, распространение моей личной информации в коммерческих целях равно как и любые другие противоправные действия по отношению к моему профилю в социальной сети строго запрещены.

Для коммерческого использования всех вышеупомянутых объектов авторского права в каждом конкретном случае необходимо мое письменное разрешение.

Гёттинген
17 января 2015 г.
Александр Куклев
ДР Цертуса 2011

Mach 5

Конечно, обидно что в качестве летательного аппарата, с которого можно было бы запустить орбитальную ракету приходится называть устройство, которому уже 55 лет. Неужели ничего нового вообще не происходило?

Происходило, но медленно. Есть один занятный проект-долгострой — Skylon. Очередной орбитальный самолёт, который делают с 1989 года. Для него делают двигатель, который умеет работать и с воздухозабором снаружи и на жидком кислороде из бака, и обладает хорошей тягой и сносным КПД прямо во всех диапазонах скоростей от нулевой и до первой космической. Как и всё с подходом one size fits all, это мегапроект, который вероятнее всего устареет прежде чем успеет взлететь. Однако от него возникло интересное ответвление:

С 2008 по 2012 год Еврокомиссия проводила крупный аналитический проект https://en.wikipedia.org/wiki/LAPCAT — поиск возможных концепций для сверхзвуковых самолётов обозримого будущего. И тогда, проанализировав всё, что бывает, они обнаружили, что практически единственный реальный вариант двигателя для такого самолёта — собственно адаптированный для самолётных нужд движок от Skylon — A2 Scimitar (https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_Engines_A2). Крейсерская скорость над морем 5.2 маха, крейсерская скорость над заселённой землёй 0.9 маха, от Лондона до Нью-Йорка за час, от Брюсселя до Сиднея три. В высокоскоросном режиме летит на 28000 метров. Топливная эффективность в высокоскоросном режиме выше чем у Конкорда на смотря на вдвое большую скорость. Топливная эффективность в дозвуковом, конечно, не как у Дримлайнера, но тем не менее выше чем у Ту-154.

Ну и ракету с этого запускать люто прекрасно, оно может лететь 6370 км/ч на высоте 28000 м, причём вполне можно перед запуском полететь практически вертикально вверх. (Если Rocket Lab Electron запускать с такой хрени, то оно сможет выводить на орбиту минимум полторы, а то и две тонны.)

Одна беда у всей этой шараги — топливом является жидкий водород.
ДР Цертуса 2011

Другой подход

Кроме SpaceX есть ещё один ну очень интересный игрок на том же рынке — Rocket Lab. Они делают малюсенькую ракету Electron, которая выводит на орбиту всего 150кг. Ракета диаметром 120 сантиметров, высота первой ступени (которую, весьма вероятно, вот вот научатся делать многоразовой) всего 12 метров, сухая масса — 950кг, меньше чем у автомобиля, даже если это Mini Cooper. Летит эта первая ступень на 9 двигателях Rutherford по 35 кг штука. Вторая ступень 240см в высоту, 250кг сухого веса (1 двигатель Rutherford). Полностью загруженная топливом и полезным грузом ракета весит 12.7 тонн.

У них две стартовых площадки (и они строят третью), у них роботизированная фабрика, которая делает готовую ракету менее чем за неделю от начала и до конца, расчётная мощность фабрики 50 ракет в год. Им удаётся поддерживать очень-очень низкие затраты на всё вокруг ракеты, прямо сейчас, когда они ещё не добились многоразового использования первой ступени, они берут по 6 миллионов долларов за старт, и это им окупается. Обеспечив многоразовость и отбив начальные инвестиции, они наверняка смогут опустить цены до менее чем миллиона (для конечного покупателя). Кстати, затраты на топливо тут тоже практически нулевые — Для вывода тех 150кг на орбиту потребляется чуть больше 11 тонн топлива с окислителем (керосин с жидким кислородом), это около $3500. Это меньше 1% цены старта при вообще любом раскладе.

* * *

Теоретически ракету с такими параметрами можно запускать не с земли, а с самолётика вроде B-70 Valkyrie (так сказать, нулевой многоразовой ступени). Сейчас при старте с земли Electron достигает скорости 3000 км/ч на высоте 27 километров. Я неспроста сказал B-70 Valkyrie, потому что это в точности та штука, которая может тащить 15 тонн груза и лететь со скоростью 3200 км/ч на высоте 25000 км, причём ненадолго она может задрать нос и обеспечить скорость под 3000 под углом около 45° вверх и забрамшись почти до 30км высоты. Ежели делать это ещё и над экватором, то таким образом за счёт старта экономится вроде как до половины Delta-v бюджета полёта до LEO, плюс сопло, оптимизированное под ту стартовую высоту даёт более приличный удельный импульс, то есть можно будет брать не 150кг полезного груза, а скажем 300кг. Или я обсчитался?
ДР Цертуса 2011

Diminishing Returns

Использование многоразовых первых ступеней ракет позволяет снизить цену запуска полезной нагрузки на орбиту (низкую околоземную) в десять раз, до менее чем тысячи долларов за кг. Если сделать многоразовыми обе ступени (в смысле full and rapid reusability, а не как это было у шаттла), как SpaceX планирует это сделать в рамках Starship, позволит снизить цену ещё в три с полтиной раза — до менее чем 300 долларов за кг.

Как вы думаете, какую долю составляет цены топлива и окислителя?

В ноябре Илон Маск рисовал вот такую радужную картину: “we consider our operational costs would probably be around $2 million per flight. That includes a cost of fuel and oxygen at around $900,000”. При этом планируется, что выводится не меньше 100 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту в варианте, что ракета возвращаемая, т.е. цена топлива составляет всего $9 за килограмм. При максимально оптимистичном сценарии доводки тяговооруженности (thrust-to-weight ratio) ожидается 150 тонн полезной нагрузки, т.е. 6 долларов на килограмм за топливо, это настолько мало, что дальнейшая оптимизация КПД двигателей вряд ли имеет хоть какой-то смысл по части снижения конечной цены запуска.

Теоретический потенциал снижения удельной цены топлива всего максимум двукратный (пока двигатели остаются химическими):
– переход на непрерывное детонационное сгорание сулит улучшение удельного импульса на 10%-20%, и в предположении что тяговооруженность от такого перехода не пострадает заметно, это даёт возмоность выводить на орбиту примерно в полтора раза больше, чем без оного;
– аналогично, если удалось бы внедрить клиновоздушные сопла, удалось бы выводить на орбиту процентов на 40 больше, в предположении, что проблему с охлаждением можно как-то решить, не калеча тяговооруженность и многоразовость изделия.

Реализация обоих пунктов программы как раз даёт чуть более чем двукратное увеличение выводимой полезной нагрузке при том же количестве затраченного топлива. Если умудриться реализовать такую жемчужину инженерной мысли, будут затраты на топливо и окислитель порядка 3 долларов за кг.

Вообще же цена вывода полезного груза складывается из следующих факторов:
1) отбивание вложений в R&D.
2) затраты на наземные facilities;
3) операционные издержки (кроме топлива);
4) амортизация ракеты;
5) цена топлива.

Пункт 1 сейчас в цену не входит вообще, эти затраты переложены на инвесторов и NASA. Пункты (2) и (3) это про обеспечение массовости, оптимизацию процессов и бизнес, и только чуть-чуть про инженерные вопросы. Вот (4) это во многом реально про инженерные вопросы: про то, как выжать из железяк максимально возможное количество повторных запусков, и при этом держать цены межпусковой подотовки низкими.
ДР Цертуса 2011

ECx

С 2023 года на немецких железных дорогах должны появиться поезда ECx (EuroCityX), призванные постепенно заменить старые ICшки. В них наконец сделано то, о чём я давным-давно мечтал: размещение вагонных тележек между вагонами, широкие входы без ступенек и широкие тамбуры в каждом вагоне (и отсутствие каких бы то ни было ступенек внутри поезда), достаточно широкие проходы в вагонах, чтобы нормально могли проехать детские коляски и инвалиды. Как в ICшках и должно быть, места для велосипедов, колясок и т.д. Купейной зоны, правда, нет — только купе для родителей с маленькими детьми.

Но почему, почему умер проект Talgo 22, который должен был быть ровно тем же самым, только ещё и со вторым этажом, благодаря которому возвращаются уютные купе и более чем в полтора раза увеличивается число сидячих мест в поезде... Если я правильно помню, у Talgo 22 выходило более 1200 сидячих мест на 350-метровый поезд, как раз то что нужно для нагруженных линий вроде Гамбург-Мюнхен и Берлин-Франкфурт.
ДР Цертуса 2011

Конференц-купе

Оказывается, в 1994-1996 годах немецкие железные дороги экспериментировали с купе первого класса в поездах ICE — такназываемых конференц-купе. Это купе с большим удобным столом посередине и четырьмя креслами по сторонам от него. Главные особенности таких купе состояли в том, что
(1) купе надо бронировать заранее целиком, т.е. там не сборная группа людей, а от 1 до 4 человек, которые заранее решили вместе ехать и работать;
(2) купе звукоизолировано, недоступно для любопытных взглядов и в него никто кроме тех, кто купе зарезервировал, и персонала поезда войти не может.

К сожалению, идея “не взлетела”, слишком рано было.[1] Позже её пытались воскресить, добавив туда проектор и обеспечив возможность превращать одну из стен купе в один большой экран для проведения телеконференций, демонстрации презентаций, а также режима “кинотеатр” (для чего планировалось обеспечить возможность плотно зашторивать внешние окна, создавая полумрак). Ещё обсуждалась возможность сделать все четыре кресла подвижными (в т.ч. поворотными) и складывающимися, если они не нужны, чтобы переговаривающие чувствовали себя свободнее, как если бы сидели за столом на обычных офисных стульях на колёсиках, а если не все 4 места нужны, появлялся простор “походить”.[2] Моя бы воля, я бы (раз уж имеется возможность обеспечить полумрак и наличиствует прайваси) ещё предусмотрел режим “спальня”, при котором всё ненужное складывается, а вместо него откуда-нибудь достаётся свежезастеленная удобная кровать. :-)

Но увы, никто не пытался воскресить купе первого класса. А жаль.

[1] http://dipbt.bundestag.de/dip21/btd/13/023/1302314.asc
[2] https://www.ice-treff.de/index.php?id=51912
ДР Цертуса 2011

Интуиционистская лемма Цорна

Как известно, в интуиционистских теориях типов определимы только вычислимые тотальные `f : A -> B`. Теория типов не утверждает, что внутри типа функций `A -> B` не живёт ещё каких-нибудь (невычислимых) функций, но вот конкретно предьявить можно только тотально-вычислимые. А это означает, что у нас не может быть Тьюринг-полноты, т.е. как бы не была совершенна наша конкретная интуиционистская теория типов, найдутся такие (Тьюринг-)вычислимые функции из `A` в `B`, которые мы не сможем выразить термом `f : A -> B`. Тем не менее, в некоторых интуиционистских теориях типов, поддерживающих индуктивно-индуктивные фактортипы (гомотопическая теория типов и её близкие родственники) можно определить монаду ℧ частично-вычислимых функций, т.е. функций, которые могут в процессе вычисления значения “зависнуть”. И тут уж верно, что термом `f : A -> ℧(B)` можно выразить любую вычислимую функцию из `A` в `B`. Но этот тип, разумеется, содержит кроме тотально-вычислимых функций ещё и функции, которые на каких-то аргументах могут зависать.[1]

Разумеется, мы можем записать вот такой тип:
Property Totality[on f : X -> ℧(Y)]:
  ∀(x : X) ¬(f(x) = ⊥)
Разумеется было бы прикольно иметь оператор
totalize(f : X -> ℧(Y) with Totality) : X -> Y
Правильно ли я понимаю, существование такого оператора это в точности интуиционистская Лемма Цорна?

(NB: Без закона исключённого третьего, из Леммы Цорна никак не доказываются Аксиома Выбора и её эквиваленты.[2])

(NB: Разумеется, наличие такого оператора “небесплатно”. Как минимум, его наличие превращает разрешимость проверки доказательств в полуразрешимость. Но вполне возможно, что оно ещё как-нибудь хитро ломает вычислимость.)

[1] https://arxiv.org/abs/1610.09254
[2] John L. Bell, “Some New Intuitionistic Equivalents of Zorn’s
Lemma”, http://publish.uwo.ca/~jbell/Some%20New%20Intuitionistic%20Equivalents%20of%20Zorn.pdf
ДР Цертуса 2011

Medical imaging

Я очень давно не писал о прорывах по части томографии.

Во-первых, Philips уже аж год назад выпустила MRT-аппарат Ingenia Ambition, в котором для охлаждения катушек используется не тысячи литров жидкого гелия, а ровно семь. И в дозаправках не нуждается. Ну то есть раз в пять лет дозаправка производится в рамках техсервиса, и это всё. В качестве побочного эффекта, аппарат жрёт на порядок меньше электричества, и не нуждается в надёжных источниках бесперебойного питания. В отличие от обычных аппаратов, в которых если питание отключить, тысяча-другая литров жидкого гелия (дорогущего и ценного невозобновимого ресурса) просто улетит в атмосферу, и надо будет заливать новый, тут ничего такого страшного не произойдёт. Просто после включения электричества назад какое-то время оно всё будет охлаждаться, и всё.[1]

Во-вторых, начали массово заходить малые MRT-аппараты “для головы и конечностей”[2]. Они маленькие, они потребляют в разы меньше электричества, на порядок меньше гелия, при этом дают картинку лучше чем обычный аппарат (потому что отверстие для конечностей и головы можно делать более узким)[3], они вызывают на порядок меньше проблем у людей с клаустрофобией. Если говорить о чуть более дорогих аппаратах с полем 3T, то они ещё и очень быстрые — буквально три минуты чтобы отснять сустав или сломанную конечность, восемь минут на подробный снимок головы. Вот выпустит Philips (или конкуренты) такой вот аппарат с ультранизким потреблением гелия, и можно будет в каждый травмпункт ставить.

В-третьих, выпустили аппарат не только с открытым столом (очень помогает людям с клаустрофобией, позволяет без проблем делать MRT людям с подключенной капельницей, позволяет проводить биопсии и хирургические операции под MRT-контролем), но и при этом с наклоняющимся столом, чтобы снимать позвоночник под естественной нагрузкой.[4]

В-четвёртых, рентгеновская оптика дозрела и можно снизить радиационную дозу, получаемую при CT (компьютерной томографии) по меньшей мере в 300 раз без потери в качестве картинки.[5] Вот сейчас радиационная нагрузка от CT-скана всего тела около 20 мЗв. Для ударного облучения (т.е. не размазанного на многие месяцы, а вот в течение одного дня) это приличная доза. С одной стороны, при лечении рака лучевой терапией дозы бывают в сотни раз больше, с другой стороны, после получения такой дозы на производстве по нормативам положен полугодовой отпуск. А вот если уменьшить в 300 раз, то это уже будет выходить, что CT всего тела облучает меньше чем один трансконтинентальный перелёт на самолёте или стандартный рентген-снимок грудной клетки, это совершенно “ни о чём”. Если, как спекулируют авторы, можно дожать технологию и снизить облучение не в 300, а в 1500 раз без потери качества, то CT можно будет рутинно применять в том числе у новорожденных детей и беременных женщин. Комбинирование CT и MRI в одном приборе позволяет одновременно на порядок снизить количество артефактов (т.к. CT и MRT подвержены совершенно разным артефактам), вдвое уменьшить время процедуры и получить картинку со значительно большим количеством данных, чем CT и MRT дают по отдельности (это и данные о плотности костей, и более детально дифференцированные ткани).[6,7]

_______
1 — https://www.philips.com.au/healthcare/product/HC781356/ingenia-ambition-excel-in-your-daily-mr-services-helium-free
2 — https://www.esaote.com/en-GB/dedicated-mri/mri-systems/p/o-scan/
3 — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29536587
4 — https://www.esaote.com/en-GB/dedicated-mri/mri-systems/p/g-scan-brio/
5 — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29162913
6 — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26429262
7 — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4930897/
ДР Цертуса 2011

Вертолётное

На слово «вертолёт» я автоматически представляю себе сейчас Eurocopter EC-135 или MD Explorer — два очень похожих вертолёта для скорой помощи и поисково-спасательных операций. Оба имеют ротор диаметром чуть больше 10 метров, длину корпуса около 10 метров, и вмещают пилота, дюжего медбрата, врача и носилки-каталку. Размер достаточно маленький, чтобы можно было садиться на дорогу или на поле, вместимость как раз чтобы подходило в качестве скорой помощи. Разница между ними в основном в том, что Eurocopter использует в качестве хвостового ротора фенестрон, а MD Explorer — NOTAR. Оба вертолёта вышли на рынок примерно в середине 90ых годов, и вообще это очень хорошие вертолёты.

Одна беда — медленновато: у обоих крейсерская скорость в районе 250 км/ч.

А ведь за те годы, что прошли с разработки этих вертолётов, научились новому. Вот-вот в серию пойдут военные американские вертолёты Sikorsky S-97 и Sikorsky–Boeing SB-1 с крейсерскими скоростями 410 и 460 км/ч соответственно, демонстратор Eurocopter X³ ещё шесть лет назад показал скорость 472 километра в час, когда же уже выйдет вертолёт скорой помощи с крейсерской скоростью больше 400 км/ч? Eurocopter, точнее, Airbus Helicopters, как они сейчас называются, уже много лет работают над таким проектом — Airbus Racer. Вроде как в 2020-ом первый полёт, очень ждём.

В Германии вертолёты скорой помощи (в основном, DLR и ADAC) базируются в 73 равномерно распределённых по стране точках: https://www.rth.info/stationen.db/stationen.map.php, в до любой точки, где случилась авария, вертолёт долетает не более чем за 15 минут (время полёта, без учёта взлёта, посадки и поиска площадки для посадки). Поднятие крейсерской скорости с 250 до 400 снизит это время до 9 минут.
ДР Цертуса 2011

Общий наркоз у маленьких детей

Плановой операции на зубах мы ждали несколько месяцев, т.к. для операции должны очень совпасть звёзды: наш детский стоматолог раз в месяц имеет операционный день в клинике, и в этот день там должны быть одновременно доступно два детских анестезиолога, т.к. для операций детям до 2 лет и 15 кг веса положено чтобы в операционной одновременно был анестезиолог-анестезиолог, и анестезиолог-реаниматолог. Типа при таком весе, если анестезиологу придётся заниматься реанимационными мероприятиями, то он может неуспеть уследить за собственно анестезией.

Букет препаратов, которые берут чтобы сделать маленькому ребёнку общий наркоз, нынче обширен.

— Дома, за час с небольшим до операции кожу в локтевом сгибе мажут мазью с местным обезболивающим лидокаин и несколькими кожеразмягчающими средствами, сверху заклеивают таким специальным очень тонким тянущимся прозрачным пластырем. Кстати, вот с момента “за час до операции” начинается запрет на то, чтобы что либо пить. Если очень хочется, можно давать чистую воду по чайной ложке (“так она не остаётся в желудке, а практически сразу всасывается, но жажду снимает”). Есть нельзя с вечера, можно только пить прозрачные жидкости без газа и без осадка (смузи, соки с мякотью и любые молочные продукты нельзя). Есть исключение для материнского молока — его можно употреблять ночью, но нужно прекратить не менее чем за два часа до операции, как раз за два часа оно заведомо переваривается (с 90% вероятностью оно переваривается за 50-80 минут, запас делается ради тех 5% случаев, когда дольше).

— В больничке пластырь снимают и ставят туда тоненький венозный катетер. Нынче они без иглы, то есть игла используется для введения, но потом сразу снимается, и остаётся только такая “резиновая” трубочка в вену, так что всё руку можно свободно гнуть и ничего не болит. Туда сразу колят очень маленькую дозу мидазалама — короткодействующего успокаивающего/седативного. Во-первых, чтоб ребёнку было менее страшно и ребёнок меньше брыкался, во-вторых из-за занятного побочного эффекта — ретроградной амнезии. Т.е. того, что было за несколько минут до укола и несколько минут после ребёнок на следующий день чаще всего не помнит.

— Потом быстренько клеят липучки для электрокардиомониторинга, и идут с ребёнком и одним из родителей (которому быстренько надевают халат, бахилы и шапку, и стерилизуют торчащие из всего этого руки) в операционную. Забавно, что ребёнок при этом отправляется в той одежде, в какой был, только обувь просят снять.

— Ребёнка укладывают на операционный стол и дают маску, а потом и ставят в катетер маленькую стартовую инъекцию пропофола, после чего ребёнок засыпает. С момента захода в дверь операционной, до момента, когда она заснула прошло меньше 30 секунд, я серьёзно. Потом два ассистента одновременно подключают кардиомонитор и ЭЭГ-монитор на голову, через 5 секунд оба монитора работают, и к катетеру подключают помпу, которая дают туда пропофол, суфентанил и ремифентанил, анестезиолог смотрит в ЭЭГ-монитор и выставляет дозировки. Ещё в катетер поставили ампулу, кажется, миорелаксанта, но я сейчас не могу вспомнить название, кажется на “ir” что-то. Ну а потом родителю предлагают выйти. И, как мы выяснили позже, в этот момент вставляют трубку для вентиляции лёгких.

Назад в комнату для просыпающихся больных нас позвали через 50 минут, девочка проснулась ещё через 15-20 минут, в не очень хорошем настроении. Медсестра сразу отключила капельницу с физраствором и сказала что можно взять на ручки. А потом пыталась георически удержать на девочке кардиомонитор и мониторилку насыщения крови кислородом, в результате чего девочка забрыкалась, взволновалась и мониторы немедленно запищали, но мимо как раз пробегал, готовящий следующего пациента, анестезиолог и сказал что можно это всё снять. Сказал, что через час можно снимать венозный катетер и ехать домой, дома пить можно сразу, а есть если она сможет нормально пить.

Ещё минутки через три, оглядевшись, девочка очень захотела грудь. Мы все вместе (я, Аня и медсёстры) пытались её всячески отвлечь от этой идеи, пока снова мимо не пробежал анестезиолог и не сказал прямо на бегу (к вящему удивлению медсестёр), что ”вот это как раз можно, пусть”. Через некоторое время он объяснил, что ему по показаниям ЭЭГ-монитора как-то понятно, когда наркоз прошёл хорошо, и тошноты не ожидается.