Термоядерная ракета
 | Было предложено объединить тему тепловая ракета» « Ядерная в эту статью. ( Обсудить ) Предлагается с июля 2024 г. |
Термоядерная ракета — это теоретическая конструкция ракеты с термоядерным двигателем , которая могла бы обеспечить эффективное и устойчивое ускорение в космосе без необходимости нести большой запас топлива. Для этой конструкции требуются термоядерные технологии, выходящие за рамки нынешних возможностей, а также гораздо более крупные и сложные ракеты.
синтеза Импульсная двигательная установка термоядерного - это один из подходов к использованию энергии ядерного синтеза для обеспечения движения.
Основным преимуществом термоядерного синтеза является его очень высокий удельный импульс , а его основным недостатком является (вероятно) большая масса реактора. Термоядерная ракета может производить меньше радиации, чем ракета деления , что уменьшает необходимую защитную массу. Самый простой способ создания термоядерной ракеты — использовать водородные бомбы , как это предложено в проекте «Орион» , но такой космический корабль будет массивным, а Договор о частичном запрещении ядерных испытаний запрещает использование таких бомб. По этой причине ракеты на базе бомб, скорее всего, будут ограничены использованием только в космосе. Альтернативный подход использует электрическое (например, ионное ) движение с электрической энергией, генерируемой термоядерным синтезом, вместо прямой тяги.
Выработка электроэнергии по сравнению с прямой тягой
[ редактировать ]Методы движения космических кораблей, такие как ионные двигатели, требуют для работы электроэнергии, но они очень эффективны. В некоторых случаях их тяга ограничена количеством энергии, которую можно генерировать (например, массовый драйвер ). Электрический генератор, работающий на термоядерной энергии, мог бы привести в движение такой корабль. Одним из недостатков является то, что обычное производство электроэнергии требует низкотемпературного поглотителя энергии, который труден (т.е. тяжел) в космическом корабле. Прямое преобразование кинетической энергии продуктов термоядерного синтеза в электричество смягчает эту проблему. [ 1 ]
Одна из привлекательных возможностей — направить термоядерный выхлоп в заднюю часть ракеты, чтобы обеспечить тягу без промежуточного производства электроэнергии. Это было бы проще с некоторыми схемами удержания (например, магнитными зеркалами ), чем с другими (например, токамаками ). Он также более привлекателен для «современного топлива» (см. анейтронный синтез ). Двигательная установка на гелии-3 будет использовать синтез атомов гелия-3 в качестве источника энергии. Гелий-3, изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном , может быть слит с дейтерием в реакторе. В результате выброса энергии может быть выброшено топливо из задней части космического корабля. Гелий-3 предлагается в качестве источника энергии для космических кораблей главным образом из-за его распространенности на Луне. По оценкам ученых, на Луне присутствует 1 миллион тонн доступного гелия-3. [ 2 ] Таким образом можно было использовать только 20% энергии, вырабатываемой реакцией DT; в то время как остальные 80% высвобождаются в виде нейтронов, которые, поскольку их нельзя направить магнитными полями или твердыми стенками, будет трудно направить в сторону тяги и, в свою очередь, может потребоваться защита . Гелий-3 производится путем распада трития бета - , который может быть получен из дейтерия, лития или бора.
Даже если самоподдерживающаяся термоядерная реакция не может быть произведена, возможно, можно будет использовать термоядерный синтез для повышения эффективности другой двигательной системы, такой как двигатель VASIMR . [ нужна ссылка ]
Альтернативы заключения
[ редактировать ]Магнитный
[ редактировать ]Для поддержания реакции синтеза плазма должна быть изолирована. Наиболее широко изученной конфигурацией для земного термоядерного синтеза является токамак , форма термоядерного синтеза с магнитным удержанием . В настоящее время токамаки весят очень много, поэтому соотношение тяги к массе кажется неприемлемым. [ сомнительно – обсудить ] предложил НАСА В 2001 году Исследовательский центр Гленна сферический тороидальный реактор с малым удлинением для концептуального проекта корабля «Дискавери II». полезную нагрузку массой 172 метрические тонны с экипажем «Дискавери II» мог доставить на Юпитер за 118 дней (или 212 дней на Сатурн ), используя 861 метрическую тонну водородного топлива, а также 11 метрических тонн термоядерного топлива гелий-3 - дейтерий (D-He3). [ 3 ] Водород нагревается обломками термоядерной плазмы для увеличения тяги за счет уменьшения скорости истечения (348–463 км / с) и, следовательно, увеличения массы топлива.
Инерционный
[ редактировать ]Основной альтернативой магнитному удержанию является термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF), например, предложенный проектом «Дедал» . Небольшая таблетка термоядерного топлива (диаметром пару миллиметров) будет воспламеняться электронным лучом или лазером . Для создания прямой тяги магнитное поле пластину толкателя образует . В принципе, реакция гелий-3-дейтерий или реакция анейтронного синтеза могут быть использованы для максимизации энергии заряженных частиц и минимизации излучения, но весьма сомнительно, технически осуществимо ли использование этих реакций. И в детальных проектных исследованиях 1970-х годов, в двигателе «Орион» и в проекте «Дедал», использовалось инерционное удержание. В 1980-х годах Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса и НАСА изучали «Автомобиль для межпланетного транспорта» (VISTA) с двигателем ICF. Конический космический корабль VISTA мог бы доставить 100-тонный полезный груз на орбиту Марса и вернуться на Землю за 130 дней или на орбиту Юпитера и обратно за 403 дня. 41 тонна дейтерия/ трития (DT) потребуется термоядерное топливо, а также 4124 тонны водородного вытесняющего вещества. [ 4 ] Скорость истечения составит 157 км/с.
Намагниченная цель
[ редактировать ]Термоядерный синтез с намагниченной мишенью (MTF) представляет собой относительно новый подход, который сочетает в себе лучшие черты более широко изученного термоядерного синтеза с магнитным удержанием (т. е. хорошего удержания энергии) и термоядерного синтеза с инерционным удержанием (т. е. эффективного компрессионного нагрева и удержания плавящейся плазмы без стенок). Как и в случае с магнитным подходом, термоядерное топливо удерживается при низкой плотности магнитными полями, пока оно нагревается до состояния плазмы , но, как и в случае с инерционным подходом, термоядерный синтез инициируется быстрым сжатием мишени, что резко увеличивает плотность топлива и, следовательно, температуру. MTF использует «плазменные пушки» (то есть методы электромагнитного ускорения) вместо мощных лазеров, что приводит к созданию компактных реакторов с низкой стоимостью и малым весом. [ 5 ] Группа NASA/ MSFC по исследованию внешних планет человека (HOPE) исследовала космический корабль MTF с экипажем, способный доставить 164-тонную полезную нагрузку на спутник Юпитера Каллисто, используя 106-165 метрических тонн топлива (водород плюс термоядерное топливо DT или D-He3). ) через 249–330 дней. [ 6 ] Таким образом, эта конструкция будет значительно меньше и более экономичной из-за более высокой скорости выхлопа (700 км / с), чем ранее упомянутые концепции Discovery II и VISTA.
Инерционный электростатический
[ редактировать ]Другой популярной концепцией удержания термоядерных ракет является инерционное электростатическое удержание (IEC), например, в Fusor Фарнсворта-Хирша или в варианте Polywell , разрабатываемом Energy-Matter Conversion Corporation (EMC2). Университет Иллинойса разработал концепцию 500-тонного «Термоядерного корабля II», способного доставить 100 000-килограммовый полезный груз с экипажем на спутник Юпитера Европу за 210 дней. Fusion Ship II использует ионные ракетные двигатели (скорость истечения 343 км/с), приводимые в движение десятью термоядерными реакторами D-He3 IEC. Для реализации концепции потребуется 300 тонн аргона для полета туда и обратно к системе Юпитера в течение одного года. [ 7 ] Роберт Бассард опубликовал серию технических статей, в которых обсуждалось его применение в космических полетах на протяжении 1990-х годов. Его работа была популяризирована статьей в издании Analog Science Fiction and Fact , где Том Лигон описал, как фузор может стать высокоэффективной термоядерной ракетой. [ 8 ]
Антиматерия
[ редактировать ]Еще более умозрительная концепция — это ядерный импульсный двигатель , катализируемый антивеществом, который будет использовать антивещество в качестве катализатора реакций деления и синтеза, позволяя создавать гораздо меньшие термоядерные взрывы. В 1990-х годах в Университете штата Пенсильвания была проведена неудачная попытка проектирования под названием AIMStar . [ 9 ] Для этого проекта потребуется больше антиматерии, чем можно произвести в настоящее время. Кроме того, прежде чем это станет возможным, необходимо преодолеть некоторые технические препятствия. [ 10 ]
Девелоперские проекты
[ редактировать ]- Direct Fusion Drive - концептуальный ракетный двигатель
- MSNW Ракета с магнито-инерционным термоядерным двигателем
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Робицки, Дэн (7 октября 2020 г.). «Этот учёный говорит, что построил реактивный двигатель, который превращает электричество непосредственно в тягу» . Футуризм . Архивировано из оригинала 31 августа 2023 года . Проверено 19 августа 2023 г.
- ^ Уэйкфилд, Джули (30 июня 2000 г.). «Лунный гелий-3 может питать Землю» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 31 января 2023 года . Проверено 3 октября 2010 г.
- ^ Уильямс, Крейг Х.; Дудзински, Леонард А.; Боровски, Стэнли К.; Юхас, Альберт Дж. (июль 2001 г.). Реализация «2001: Космическая одиссея»: пилотируемая двигательная установка на основе сферического тора (PDF) . 37-я совместная конференция и выставка по двигательной технике. Исследовательский центр Гленна (опубликовано в марте 2005 г.). НАСА/ТМ—2005-213559. Архивировано (PDF) из оригинала 4 июля 2023 года.
- ^ Орт, CD (20 апреля 1998 г.). Межпланетный космический транспорт с использованием двигателя инерционного термоядерного синтеза (PDF) . 9-я Международная конференция по новым ядерно-энергетическим системам. Тель-Авив: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (опубликовано в июле 1998 г.). UCRL-JC-129237. Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2011 года . Проверено 4 сентября 2011 г.
- ^ Сайлар, Рашад (2002). Синтез намагниченной мишени в перспективных исследованиях в области двигательной активности (PDF) (Технический отчет). Центр космических полетов Маршалла / Университет Алабамы . Архивировано (PDF) из оригинала 19 мая 2023 года.
- ^ Адамс, РБ; Александр, РА; Чепмен, Дж. М.; Финчер, СС; Хопкинс, Р.К.; Филипс, AD; Полсгроув, ТТ; Личфорд, Р.Дж.; Паттон, BW; Стэтхэм, Дж.; Уайт, PS; Тио, YCF (ноябрь 2003 г.). Концептуальный проект космических аппаратов для исследования внешних планет человеком (PDF) (Технический отчет). Центр космических полетов Маршалла , ERC Inc., Министерство энергетики США . НАСА/ТП — 2003–212691. Архивировано (PDF) из оригинала 31 августа 2023 года.
- ^ Уэббер, Дж.; Бертон, РЛ; Момота, Х.; Ричардсон, Н.; Шабан, Ю.; Майли, GH (2003). «Термоядерный корабль II — быстрый пилотируемый межпланетный космический аппарат, использующий инерционный электростатический синтез» (PDF) . Университет Иллинойса , Калифорнийский университет, факультет ядерной, плазменной и радиологической инженерии. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июня 2012 года.
- ^ Лигон, Том (декабрь 1998 г.). «Самый простой в мире термоядерный реактор: и как заставить его работать» . Аналоговая научная фантастика и факты . Том. 118, нет. 12. Нью-Йорк. Архивировано из оригинала 15 июня 2006 г.
- ^ Льюис, Раймонд А.; Мейер, Кирби; Смит, Джеральд А.; Хоу, Стивен Д. (1999). «AIMStar: микросинтез, инициированный антивеществом, для межзвездных миссий-предшественников» (PDF) . Акта Астронавтика . 44 (2–4). Университет штата Пенсильвания : 183–186. Бибкод : 1999AcAau..44..183G . дои : 10.1016/S0094-5765(99)00046-6 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 июня 2014 г.
- ^ Шмидт, Г.Р.; Джерриш, HP; Мартин, Джей-Джей; Смит, Джорджия; Мейер, К.Дж. (1999). Производство антивещества для краткосрочных двигательных установок (PDF) (Технический отчет). НАСА и Университет штата Пенсильвания . Архивировано из оригинала (PDF) 6 марта 2007 г. Проверено 24 мая 2013 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Грэм-Роу, Дункан (23 января 2003 г.). «Ядерный синтез может привести в действие космический корабль НАСА» . Новый учёный . Архивировано из оригинала 31 августа 2023 года . Проверено 15 августа 2021 г.
- Кассибри, Джейсон; Кортес, Росс; Станич, Милош; Зейдлер, Уильям; Адамс, Роб; Стэтхэм, Джефф; Фабисински, Лео (2012). Обоснование и путь развития термоядерного двигателя (PDF) (технический отчет). Университет Алабамы , Boeing , Центр космических полетов Маршалла , ERC Inc., ISS Inc. Архивировано из оригинала (PDF) 14 ноября 2012 года.
- Слау, Джон (25 марта 2019 г.). Холл, Лора (ред.). «Ракета с термоядерным двигателем: ядерное движение за счет прямого преобразования термоядерной энергии» . НАСА . Архивировано из оригинала 1 июня 2023 года . Проверено 15 августа 2021 г.
