Ядерный импульсный двигатель - Nuclear pulse propulsion

Не путать с Импульсная ядерная тепловая ракета.
Художественная концепция Проект Орион «базовый» космический корабль, работающий на ядерной импульсной силовой установке.

Ядерный импульсный двигатель или же внешний импульсный плазменный движитель это гипотетический метод двигательная установка космического корабля который использует ядерные взрывы за толкать.[1] Впервые он был разработан как Проект Орион к DARPA, после предложения Станислав Улам в 1947 г.[2] Новые дизайны с использованием термоядерный синтез с инерционным удержанием были базой для большинства пост-Орион конструкции, в том числе Проект Дедал и Проект Longshot.

Проект Орион

Основная статья: Проект Орион (ядерная силовая установка)
Ядерно-импульсная двигательная установка. Заряд взрывчатого вещества абляционно испаряется метательное взрывчатое вещество, отталкивая его от заряда и одновременно создавая плазму из метательного взрывчатого вещества. Затем пропеллент ударяет по пластине толкателя в нижней части космического корабля Орион, передавая импульс «толкающей» энергии.

Проект Орион был первой серьезной попыткой создать ракету с ядерным импульсом. Работы по проектированию выполнялись на General Atomics в конце 1950-х - начале 1960-х гг. Идея Орион должен был реагировать на малые направленные ядерные взрывные устройства, используя вариант Теллер-Улам двухступенчатая конструкция бомбы против большой стальной пластины толкателя, прикрепленной к космическому кораблю с амортизаторами. Эффективные направленные взрывчатые вещества увеличивали передачу импульса, что приводило к удельные импульсы в диапазоне 6000 секунд, что примерно в тринадцать раз больше, чем Главный двигатель космического челнока. С уточнениями теоретический максимум 100 000 секунд (1 МН · с / кг) может быть возможен. Уколов были миллионы тонны, что позволяет космическим кораблям крупнее 8×106 тонн будет построено из материалов 1958 года.[3]

В эталонный дизайн должен был быть построен из стали по типу подводной лодки с экипажем более 200 человек и взлетной массой в несколько тысяч человек. тонны Этот низкотехнологичный одноступенчатый эталонный проект достигнет Марса и обратно через четыре недели от поверхности Земли (по сравнению с 12 месяцами для текущей эталонной миссии НАСА с химическим приводом). Тот же аппарат может посетить спутники Сатурна за семимесячную миссию (по сравнению с миссиями на химическом топливе продолжительностью около девяти лет).

В ходе проекта был обнаружен и решен ряд инженерных проблем, в частности, связанных с защитой экипажа и сроком службы толкающей пластины. Система оказалась полностью работоспособной, когда проект был закрыт в 1965 году, основная причина заключалась в том, что Договор о частичном запрещении испытаний сделали его незаконным (однако до заключения договора США и Советский Союз уже взорвали не менее девяти ядерных бомб, включая термоядерные бомбы, в космосе, то есть на высотах более 100 км: см. ядерные взрывы на большой высоте ). Были также этический проблемы с запуском такой машины в пределах Земли магнитосфера: расчеты с использованием оспариваемой линейная беспороговая модель радиационных повреждений показали, что в результате каждого взлета погибнет от 1 до 10 человек.[4] В пороговой модели такие чрезвычайно низкие уровни тонко распределенного излучения не будут иметь связанных с этим вредных эффектов, в то время как в моделях гормезиса такие крошечные дозы будут ничтожно полезными.[5][6] С возможным использованием менее эффективных чистые ядерные бомбы для достижения орбиты, а затем более эффективные грязные бомбы с большей мощностью для путешествий значительно снизили бы количество осадков, вызванных запуском с Земли.

Одной из полезных задач этой краткосрочной технологии было бы отклонение астероида, который мог бы столкнуться с Землей, что драматично показано в фильме 1998 года. Существенное воздействие, хотя в этом конкретном фильме это была комета. Чрезвычайно высокая производительность позволила бы осуществить успешный даже поздний запуск, а аппарат мог эффективно передавать большое количество кинетической энергии астероиду простым ударом.[7] и в случае неизбежного столкновения с астероидом несколько предсказанных смертей от выпадать вероятно, не будет считаться запретительным. Кроме того, автоматизированная миссия устранила бы наиболее проблемные моменты конструкции: амортизаторы.

Орион - один из очень немногих межзвездных космических двигателей, которые теоретически могут быть построены с использованием доступных технологий, как обсуждалось в статье 1968 года, Межзвездный транспорт к Фриман Дайсон.

Проект Дедал

Основная статья: Проект Дедал

Проект Дедал был исследованием, проведенным между 1973 и 1978 годами Британское межпланетное общество (BIS), чтобы спроектировать вероятный межзвездный беспилотный космический корабль, который мог бы достичь ближайшей звезды за время работы одного ученого-человека или около 50 лет. Десятка ученых и инженеров во главе с Алан Бонд работал над проектом. В то время слияние исследования, похоже, делают большие успехи, и в частности, термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF) оказался пригодным для использования в качестве ракетного двигателя.

ICF использует небольшие гранулы термоядерного топлива, обычно дейтерид лития (6Ли2H) с малым дейтерий /тритий спусковой крючок в центре. Гранулы бросаются в реакционную камеру, где они поражаются со всех сторон. лазеры или другая форма излучаемой энергии. Тепло, генерируемое лучами, сжимает гранулу до точки, где происходит плавление. Результат - горячий плазма и очень маленький "взрыв" по сравнению с бомбой минимального размера, которая потребовалась бы вместо этого для создания необходимого количества деления.

Для Дедала этот процесс выполнялся в рамках большого электромагнит который сформировал ракетный двигатель. После реакции, в данном случае зажигаемый электронными лучами, магнит направил горячий газ назад для создания тяги. Часть энергии была направлена ​​на работу систем и двигателя корабля. Чтобы сделать систему безопасной и энергоэффективной, Дедал должен был питаться от гелий-3 топливо, которое пришлось бы собирать из Юпитер.

Медуза

Концептуальная схема космического корабля "Медуза", показывающая: (А) капсула полезной нагрузки, (В) лебедочный механизм, (С) дополнительный основной тросовый кабель, (D) стояки и (E) парашютный механизм.
Последовательность действий Медуза двигательная установка. На этой диаграмме показана последовательность действий Медуза космический корабль (1) Запуск в момент срабатывания взрывно-импульсной установки, (2) Когда взрывной импульс достигает купола парашюта, (3) Отталкивает купол, разгоняя его от взрыва, когда космический корабль разматывает основной трос с лебедкой, генерируя электричество по мере его расширения и ускоряя космический корабль, (4) И, наконец, поднимает космический корабль к куполу и использует избыток электроэнергии для других целей.

В Медуза конструкция - это тип ядерной импульсной двигательной установки, которая имеет больше общего с солнечные паруса чем с обычными ракетами. Это было предусмотрено Johndale Solem[8] в 1990-е годы и опубликованы в Журнал Британского межпланетного общества (JBIS).[9]

А Медуза космический корабль развернет перед собой большой спинакерный парус, прикрепленный отдельными независимыми тросами, а затем запустит вперед ядерную взрывчатку, чтобы взорваться между собой и его парусом. Парус будет ускоряться за счет плазменного и фотонного импульса, выходя из тросов, как когда рыба убегает от рыбака, и вырабатывая электричество на «катушке». Затем космический корабль использовал бы часть генерируемого электричества, чтобы развернуться к парусу, постоянно плавно ускоряясь при движении.[10]

В оригинальной конструкции несколько тросов подключены к нескольким двигателям-генераторам. Преимущество по сравнению с одиночным тросом заключается в увеличении расстояния между взрывом и тросами, что снижает повреждение тросов.

Для тяжелых грузов производительность может быть улучшена за счет использования лунных материалов, например, обертывания взрывчатого вещества лунным камнем или водой, которые, вероятно, ранее хранились на стабильной Земле-Луне. Точка Лагранжа будут впоследствии приобретены Медуза космический корабль.[11]

Медуза работает лучше, чем классическая конструкция Orion, потому что его парус улавливает больше взрывного импульса, его ход амортизатора намного длиннее, а все его основные конструкции находятся в напряжении и, следовательно, могут быть довольно легкими. Медуза-типа были бы способны удельный импульс от 50 000 до 100 000 секунд (от 500 до 1000 кН · с / кг).

Медуза широко известен публике по документальному фильму BBC На Марс с помощью атомной бомбы: секретная история проекта Орион.[12] Короткометражный фильм показывает представление художника о том, как Медуза космический корабль работает, "бросая бомбы в парус, который идет впереди".[13]

Проект Longshot

Основная статья: Проект Longshot

Project Longshot был НАСА - спонсируемый исследовательский проект, выполняемый совместно с Военно-морская академия США в конце 1980-х гг.[14] Longshot был в некотором роде развитием базовой концепции Дедала, поскольку он использовал ICF с магнитной воронкой в ​​качестве ракеты. Ключевое отличие заключалось в том, что они чувствовали, что реакция не может привести в действие и ракету, и системы, и вместо этого включили обычный двигатель мощностью 300 кВт ядерный реактор для управления кораблем. Добавленный вес реактора несколько снизил производительность, но даже при использовании LiD-топлива можно было бы достичь Альфа Центавра Солнечная система, ближайшая к нашей, за 100 лет (приблизительная скорость 13 411 км / с на расстоянии 4,5 световых года, что эквивалентно 4,5% скорости света).

Катализируемый антиматерией ядерный импульсный двигатель

Основная статья: Катализируемый антиматерией ядерный импульсный двигатель

В середине 1990-х годов исследования в Государственный университет Пенсильвании привело к концепции использования антивещество катализировать ядерные реакции. Короче, антипротоны будет реагировать внутри ядра уран, вызывая выделение энергии, которая разрывает ядро, как в обычных ядерных реакциях. Даже небольшое количество таких реакций может запустить цепная реакция для поддержания которой в противном случае потребовался бы гораздо больший объем топлива. Тогда как "нормальный" критическая масса за плутоний составляет около 11,8 килограмма (для сферы при стандартной плотности), с реакциями, катализируемыми антивеществом, это может быть меньше одного грамма.

Было предложено несколько конструкций ракет, использующих эту реакцию, некоторые из которых будут использовать реакции деления для межпланетных миссий, а другие - с использованием ядерного синтеза (по сути, очень маленькой версии бомб Ориона) для межзвездных миссий.

Ракета с магнито-инерционным термоядерным двигателем MSNW

Ракета с магнито-инерционным термоядерным двигателем MSNW
Космический корабль с реактивным двигателем на термоядерном синтезе.jpg
Концептуальный рисунок космического корабля с ракетным двигателем, работающего на термоядерном реакторе, прибывающий на Марс
ДизайнерООО «МСНВ»
ЗаявлениеМежпланетный
Положение делТеоретическая
Спектакль
Удельный импульсОт 1606 до 5722 с (в зависимости от усиления термоядерного синтеза)
Время горенияОт 1 дня до 90 дней (оптимально 10 дней при приросте 40)
Рекомендации
Рекомендации[15]
Примечания
  • Топливо: Дейтерий-тритиевые криогенные таблетки
  • Пропеллент: Литий или алюминий
  • Требования к питанию: От 100 кВт до 1000 кВт

НАСА финансируется ООО «МСНВ» и Вашингтонский университет в 2011 году изучить и разработать термоядерная ракета через инновационные передовые концепции НАСА NIAC Программа.[16]

Ракета использует форму магнито-инерционный синтез для создания термоядерной ракеты прямой тяги. Мощные магнитные поля заставляют большие металлические кольца (вероятно, сделанные из лития, где набор для одного импульса имеет общую массу 365 грамм) схлопываются вокруг дейтерий -тритий плазма, сжимая ее до состояния термоядерного синтеза. Энергия этих реакций синтеза нагревает и ионизирует металлическую оболочку, образованную раздавленными кольцами. Горячий ионизированный металл вылетает из сопла магнитной ракеты с большой скоростью (до 30 км / с). Повторение этого процесса примерно каждую минуту приведет к движению космического корабля.[17] Реакция синтеза не является самоподдерживающейся и требует электрической энергии для индукции синтеза. При электрических потребностях от 100 до 1000 кВт (в среднем 300 кВт) конструкции космических аппаратов включают солнечные панели для выработки электроэнергии, необходимой для термоядерного двигателя.[15]

Этот подход использует сжатие фольги для создания термоядерной реакции надлежащего масштаба энергии, которая будет использоваться для космического движения. В рамках экспериментального эксперимента в Редмонде, штат Вашингтон, для сжатия будут использоваться алюминиевые вкладыши. Однако фактическая конструкция ракеты будет работать с литиевыми гильзами. MSNW выпустила визуальную симуляцию процесса, чтобы продемонстрировать принципы работы двигателя.[18][19]

Тактико-технические характеристики двигателя сильно зависят от Коэффициент усиления термоядерной энергии достигается реактором. Ожидается, что прирост составит от 20 до 200 раз, при расчетном среднем значении 40. Чем выше коэффициент усиления плавления, тем выше скорость истечения, более высокий удельный импульс и более низкие требования к электроэнергии. В таблице ниже суммированы различные характеристики для теоретического 90-дневного перехода на Марс с коэффициентами усиления 20, 40 и 200.

Параметры FDR для 90 переносных ожогов Марса[15]
Общий выигрышПрирост 20Прирост 40Прирост 200
Масса лайнера (кг)0.3650.3650.365
Удельный импульс (ы)1,6062,4355,722
Массовая доля0.330.470.68
Удельная масса (кг / кВт)0.80.530.23
Масса топлива (кг)110,00059,00020,000
Масса начальная (кг)184,000130,00090,000
Требуемая электрическая мощность (кВт)1,019546188

К апрелю 2013 года MSNW продемонстрировала подкомпоненты систем: отопление дейтерий плазма до температур термоядерного синтеза и сконцентрировали магнитные поля, необходимые для создания термоядерного синтеза. Они планировали собрать две технологии вместе для тестирования до конца 2013 года.[15][20][нуждается в обновлении ]

Позже их мощность может быть увеличена и планируется добавить[требуется разъяснение ] необходимое термоядерное топливо (дейтерий) к концу (сентябрь 2014 г.) исследования NIAC.[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бонометти, Джозеф А .; П. Джефф Мортон. "Созревание анализа внешнего импульсного плазменного двигателя (EPPP)" (PDF). Центр космических полетов НАСА им. Маршалла. Получено 24 декабря, 2008.
  2. ^ «История проекта Орион». История Ориона. 2008–2009.
  3. ^ Общая динамика Corp. (январь 1964 г.). «Краткий сводный отчет по исследованию ядерно-импульсных транспортных средств (General Dynamics Corp.)» (PDF). Национальная служба технической информации Министерства торговли США. Получено 24 декабря, 2008.
  4. ^ Дайсон, Джордж. Проект Орион - Атомный космический корабль 1957–1965. Пингвин. ISBN  0-14-027732-3
  5. ^ Привет! и другие. (1 октября 2006 г.). «Ответ авторов». Британский журнал радиологии. 79 (946): 855–857. Дои:10.1259 / bjr / 52126615. Получено 27 марта 2008.
  6. ^ Ауренго; и другие. (30 марта 2005 г.). «Доза-эффект и оценка канцерогенного действия малых доз ионизирующего излучения» (PDF). Académie des Sciences & Académie nationale de Médecine. Архивировано из оригинал (PDF) 25 июля 2011 г.. Получено 27 марта 2008. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  7. ^ Солем, Дж. К. (1994). «Ядерный взрывной перехватчик для отражения объектов на встречных курсах с Землей». Журнал космических аппаратов и ракет. 31 (4): 707–709. Bibcode:1994JSpRo..31..707S. Дои:10.2514/3.26501.
  8. ^ Гилстер, Пол (2004). Центаврианские мечты: воображение и планирование межзвездных исследований. Книги Коперника, Книжная компания Атланты. п. 86. ISBN  978-0387004365.
  9. ^ Солем, Дж. К. (январь 1993 г.). «Медуза: ядерный взрывной двигатель для межпланетных путешествий». Журнал Британского межпланетного общества. 46 (1): 21–26. Bibcode:1993JBIS ... 46R..21S. ISSN  0007-084X.
  10. ^ Солем, Дж. К. (июнь 1994 г.). "Ядерный взрывной двигатель для межпланетных путешествий: Расширение Медуза концепция повышенного удельного импульса ». Журнал Британского межпланетного общества. 47 (6): 229–238. Bibcode:1994JBIS ... 47..229S. ISSN  0007-084X.
  11. ^ Солем, Дж. К. (2000). "Луна и Медуза: использование лунных ресурсов в космических путешествиях с использованием ядерных импульсов". Журнал Британского межпланетного общества. 53 (1): 362–370. Bibcode:2000JBIS ... 53..362S.
  12. ^ Британская радиовещательная корпорация (BBC). (2003). «На Марс с помощью атомной бомбы: секретная история проекта Орион», документальный фильм.
  13. ^ Стивенс, Ник. (2014). "Медуза - продвинутый космический аппарат с ядерным импульсом ", фильм.
  14. ^ Билс, Кейт А.; и другие. «Проект Longshot - Беспилотный зонд на Альфа Центавра» (PDF). НАСА. Получено 14 марта, 2011.
  15. ^ а б c d Слау, Джон; Панкотти, Энтони; Киртли, Дэвид; Пил, Кристофер; Пфафф, Майкл (30 сентября 2012 г.). "Ядерное движение за счет прямого преобразования термоядерной энергии: управляемая термоядерная ракета" (PDF). НАСА. С. 1–31.
  16. ^ "Выборы NIAC, Фаза I 2011".
  17. ^ «Ядерная двигательная установка, основанная на индуктивно управляемом линейном сжатии термоядерных плазмоидов». Слау, Дж., Кертли, Д., Конференция AIAA по аэрокосмическим наукам, 2011 г.http://msnwllc.com/Papers/FDR_AIAA_2011.pdf
  18. ^ Архитектура проекта миссии для управляемой термоядерным реактором ракеты. Панкотти, А., Слау, Дж. Кертли, Д. и др. Конференция AIAA Joint Propulsion (2012 г.).http://msnwllc.com/Papers/FDR_JPC_2012.pdf
  19. ^ Бойл, Алан (5 апреля 2013 г.). «Ученые разрабатывают в лаборатории технологию ядерных ракет - и стремятся к Марсу». Новости NBC.
  20. ^ Дип, Фрэнси (2013-04-08). «Ракета Fusion может сбить людей на Марс за 30 дней». Популярная наука. Получено 2013-04-12.
  21. ^ Ракета, управляемая термоядерным синтезом. Слау, Дж., Панкотти, А., Кертли, Д., Пфафф, М., Пил, К., Вотроубек, Г., Симпозиум NASA NIAC (этап II) (ноябрь 2012 г.).http://www.msnwllc.com/Papers/NIAC_PhaseII_FDR.pdf

внешняя ссылка