Ядерная фотонная ракета

В традиционной ядерной фотонной ракете бортовой ядерный реактор будет генерировать настолько высокие температуры, что излучение черного тела из реактора будет обеспечивать значительную тягу. Недостаток заключается в том, что требуется много энергии для создания небольшой тяги таким образом , поэтому ускорение очень низкое. Фотонные излучатели , скорее всего, будут изготовлены из графита или вольфрама . Фотонные ракеты технологически осуществимы, но совершенно непрактичны при нынешних технологиях, основанных на бортовом ядерном источнике энергии.

Энергетические требования и сравнения

Мощность на тягу, необходимая для идеально коллимированного выходного луча, составляет 300 МВт / Н (половина этой суммы, если он может быть отражен от корабля); очень высокой плотностью энергии Для обеспечения разумной тяги без чрезмерного веса потребуются источники энергии с . Удельный импульс фотонной ракеты определить труднее, поскольку на выходе нет массы (покоя) и не расходуется топливо; если мы возьмем импульс, приходящийся на инерцию фотонов, то удельный импульс составит всего лишь c , что впечатляет. Однако, учитывая массу источника фотонов, например, атомов, подвергающихся ядерному делению , удельный импульс снижается до 300 км/с ( c /1000) или меньше; Учитывая инфраструктуру реактора (некоторые из которых также масштабируются в зависимости от количества топлива), ценность еще больше снижается. Наконец, любые потери энергии не из-за излучения, которое перенаправляется точно в кормовую часть, а вместо этого отводится опорами двигателя, излучается в каком-то другом направлении или теряется через нейтрино или что-то в этом роде, будет еще больше снижать эффективность. Если бы мы установили, что 80% массы фотонной ракеты = расщепляющееся топливо, и признаем, что ядерное деление преобразует около 0,10% массы в энергию: тогда, если фотонная ракета весит 300 000 кг, то 240 000 кг из этого количества будет атомным топливом. Следовательно, расщепление всего топлива приведет к потере всего 240 кг массы. Тогда 300 000/299 760 кг = м _я / м _ж 1,0008. Используя уравнение ракеты , находим v _f = ln 1,0008 × c , где c = 299 792 458 м/с. Тогда v _f может составлять 239 930 м/с, что составляет около 240 км/с. Фотонная ракета, работающая на ядерном топливе, может ускоряться максимум примерно до 1/10 000 м/с² (0,1 мм/с²), что составляет 10 ⁻⁵г . Изменение скорости будет составлять 3000 м/с за год движения фотонной ракеты.

Если фотонная ракета начинает свой путь на низкой околоземной орбите от Земли 11,2 км/с может потребоваться один год работы , то для достижения скорости отрыва , если аппарат уже находится на орбите со скоростью 9100 м/с. После выхода из гравитационного поля Земли ракета будет иметь гелиоцентрическую скорость 30 км/с в межпланетном пространстве. Тогда в этом гипотетическом случае потребовалось бы восемьдесят лет постоянного фотонного движения, чтобы получить конечную скорость 240 км/с.

Можно получить еще более высокий удельный импульс; у некоторых других фотонных двигательных устройств (например, солнечных парусов ) фактически бесконечен, поскольку не требуется никакого переносимого топлива. Альтернативно, такие устройства, как ионные двигатели , имея значительно меньший удельный импульс, дают гораздо лучшее соотношение тяги к мощности; для фотонов это соотношение равно $1/c$ , тогда как для медленных частиц (то есть нерелятивистских; учитывается даже мощность типичных ионных двигателей) соотношение $2/v$ , что значительно больше (поскольку $v\ll c$ ). (Это в некотором смысле несправедливое сравнение, поскольку фотоны должны создаваться , а другие частицы просто ускоряются , но, тем не менее, импульсы на перенесенную массу и на приложенную энергию — практические величины — такие же, как заданы.) Таким образом, фотонная ракета является расточительной. когда мощность, а не масса имеет большое значение, или когда можно сэкономить достаточно массы за счет использования более слабого источника энергии, эта реактивная масса может быть включена без штрафов.

Лазер можно использовать в качестве фотонного ракетного двигателя и решить проблему отражения/коллимации, но лазеры абсолютно менее эффективны при преобразовании энергии в свет, чем излучение абсолютно черного тела, хотя следует также отметить преимущества лазеров по сравнению с источником абсолютно черного тела, в том числе однонаправленный управляемый луч, а также масса и долговечность источника излучения. Ограничения, налагаемые уравнением ракеты, можно преодолеть, если космический корабль не несет реакционную массу. В концепции Beamed Laser Propulsion (BLP) фотоны передаются от источника фотонов к космическому кораблю в виде когерентного света. Роберт Л. Форвард был пионером концепций межзвездного движения, включая движение фотонов и движение ракет на антивеществе . Однако BLP ограничен из-за чрезвычайно низкой эффективности генерации тяги за счет отражения фотонов. Один из лучших способов преодолеть присущую неэффективность создания тяги фотонного двигателя за счет усиления передачи импульса фотонов путем повторного использования фотонов между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения.

Источники питания

Реальные текущие или краткосрочные конструкции реакторов деления могут генерировать до 2,2 кВт на килограмм массы реактора. ^{[ нужна ссылка ]} Без какой-либо полезной нагрузки такой реактор мог бы привести в движение фотонную ракету со скоростью почти 10 ⁻⁵ м/с² (10 ⁻⁶г ; см . g -сила ). Возможно, это могло бы обеспечить возможность межпланетных космических полетов с околоземной орбиты. термоядерные реакторы, возможно, обеспечивающие несколько большую мощность. Можно также использовать ^{[ нужна ссылка ]}

Конструкция, предложенная в 1950-х годах Ойгеном Сенгером, использовала аннигиляцию позитронов - электронов для получения гамма-лучей . Сенгер не смог решить проблему того, как отражать и коллимировать гамма-лучи, образующиеся в результате позитронно-электронной аннигиляции; однако, экранируя реакции (или другие аннигиляции ) и поглощая их энергию, можно создать аналогичную двигательную систему черного тела. Фотонная ракета с питанием от антивещества -материи (несмотря на защиту) получит максимальный c удельный импульс ; по этой причине фотонная ракета с приводом от аннигиляции антиматерии потенциально может быть использована для межзвездных космических полетов. ^{[ нужна ссылка ]}

Теоретически, другие конструкции, такие как космический корабль, использующий микрочерную дыру Кугельблица, также могут быть использованы для межзвездных путешествий, учитывая эффективность черных дыр в преобразовании материи в энергию. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Внешние ссылки

Применение ядерных фотонных двигателей для исследования дальнего космоса Андрей В. Гулевич, Евгений А. Иванов, Олег Ф. Кухарчук, Виктор Я. Пупко и Анатолий Викторович Зродников. Материалы конференции AIP
«Межзвездные миссии сближения с использованием двигательных установок деления», Ленард, Р.С., и Липински, Р.Дж., в материалах Международного форума по применению космических технологий , 2000 г.
О преобразовании инфракрасного излучения фотонного двигателя ядерного реактора в параллельный пучок , Гулевич А.В.; Левченко В.Е.; Логинов Н.И.; Кухарчук, О.Ф.; Евтодиев Д.А.; Зродников А.В., в материалах Международного форума по применению космических технологий , 2002 г.
Долговечный космический реактор для движения фотонов , Савада, Т.; Эндо, Х.; Нечаев А., в материалах Международного форума по применению космических технологий , 2002 г.