Прямой термоядерный привод
Direct Fusion Drive ( DFD ) — концептуальный низкорадиоактивный ракетный ядерного двигатель синтеза , предназначенный для производства как тяги , так и электрической энергии, подходящий для межпланетных космических кораблей . Концепция основана на Принстонском реакторе с обращенной конфигурацией поля , изобретенном в 2002 году Сэмюэлем А. Коэном. Он моделируется и экспериментально тестируется в Принстонской лаборатории физики плазмы , учреждении Министерства энергетики США , а также моделируется и оценивается Princeton Satellite Systems (PSS). [1] [2] Сообщается, что по состоянию на 2018 год проект прямого термоядерного двигателя, реализуемый НАСА, вступил в стадию моделирования, что представлено как второй этап развития концепции. [3]
Принцип
[ редактировать ]Direct Fusion Drive (DFD) — это теоретическая двигательная система космического корабля, получившая свое название из-за своей уникальной способности генерировать тягу непосредственно за счет ядерного синтеза , минуя необходимость промежуточного процесса выработки электроэнергии. Используя магнитное удержание и механизм нагрева, DFD приводится в действие смесью гелия-3 (3He) и дейтерия (D или 2H), в результате чего получается двигательная установка, характеризующаяся высокой удельной мощностью, переменной тягой, удельным импульсом и минимальным излучением. выбросы двигательной установки космического корабля. [4]
В DFD плазма , совокупность электрически заряженных частиц, включающая электроны и ионы, сливаются вместе при высоких температурах (100 кэВ), выделяя огромное количество энергии. Плазма удерживается в торообразном магнитном поле внутри линейной соленоидальной катушки. [5] и нагревается вращающимся магнитным полем до соответствующих температур плавления. [4] Тормозное и синхротронное излучение, испускаемое плазмой, улавливается и преобразуется в электричество для связи, поддержания станции космического корабля и поддержания температуры плазмы. [6] В этой конструкции используется радиочастотная (РЧ) «антенна» особой формы. для нагрева плазмы [7] В конструкцию входит аккумуляторная батарея или дейтерий -кислородная вспомогательная силовая установка для запуска или перезапуска установки. [4]
Захваченная излучаемая энергия нагревает жидкость He-Xe, которая течет за пределами плазмы, до 1500 К (1230 ° C; 2240 ° F) в борсодержащей структуре. Эта энергия проходит через генератор цикла Брайтона с замкнутым контуром , чтобы преобразовать ее в электричество для использования в питании катушек, питании ВЧ-нагревателя, зарядке аккумулятора, средствах связи и функциях поддержания станции. [4]
Генерация тяги
[ редактировать ]Добавление топлива к краевому потоку плазмы приводит к созданию переменной тяги и удельного импульса при передаче и ускорении через магнитное сопло ; этот поток импульса мимо сопла преимущественно переносится ионами , когда они расширяются через магнитное сопло и за его пределы и, таким образом, действуют как ионный двигатель . [4]
Разработка
[ редактировать ]Строительство экспериментального исследовательского устройства и большая часть его первых операций финансировались Министерством энергетики США . Недавние исследования — Фаза I и Фаза II — финансировались программой Института перспективных концепций НАСА (NIAC). [7] В период с 2001 по 2008 год был опубликован ряд статей по этой концепции; первые экспериментальные результаты были опубликованы в 2007 году. Многочисленные исследования миссий космических аппаратов (Фаза I) были опубликованы, начиная с 2012 года. В 2017 году Princeton Satellite Systems сообщила, что «исследования нагрева электронов с помощью этого метода превзошли теоретические предсказания, а эксперименты по измерению ионов нагрев в машине второго поколения продолжается». [4]
С 2018 года концепция перешла на этап II — этап моделирования. [8] [9] Полноразмерная установка будет иметь размеры примерно 2 м в диаметре и 10 м в длину. [10] PSS сообщил, что нагрев электронов в PFRC-2 превзошел теоретические предсказания, достигнув 500 эВ при длительности импульса 300 мс. Эксперименты по ионному нагреву продолжаются по состоянию на 2020 год. [11]
Стефани Томас — вице-президент Princeton Satellite Systems и главный исследователь Direct Fusion Drive. [12]
Прогнозируемая производительность
[ редактировать ]По оценкам Princeton Satellite Systems, привод прямого термоядерного синтеза может производить от 5 до 10 Ньютонов. [4] тяга на каждый МВт вырабатываемой термоядерной мощности, [9] с удельным импульсом (I sp ) около 10 000 секунд и доступной электрической мощностью 200 кВт. [8] Примерно 35% термоядерной энергии идет на тягу, 30% на электроэнергию, 25% теряется на тепло и 10% рециркулируется на радиочастотный нагрев. [4]
Моделирование компании показывает, что эта технология может доставить космический корабль массой около 1000 кг (2200 фунтов) к Плутону за четыре года. [8] возможность запуска миссий в дальний космос. [13] DFD генерирует дополнительную мощность, поэтому по прибытии может обеспечить полезную нагрузку мощностью около 2 МВт. Это дает больше возможностей для выбора инструментов и лазерной/оптической связи . [4] [8] и может даже передавать до 50 кВт мощности с орбитального аппарата на спускаемый аппарат через лазерный луч, работающий на длине волны 1080 нм. [4]
Princeton Satellite Systems заявляет, что эта технология может расширить научные возможности планетарных миссий. [8] Эту энергетическую/двигательную технологию было предложено использовать в миссии орбитального корабля и спускаемого аппарата Плутона . [4] [8] или в качестве интеграции на космический корабль «Орион» для транспортировки пилотируемой миссии на Марс . более быстрой [14] [15] (4 месяца вместо 9 при нынешних технологиях). [10] Предполагается, что DFD доставит научную полезную нагрузку на Титан через 2,6 года. [16]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Элвис, Мартин (2021). Астероиды: как любовь, страх и жадность определят наше будущее в космосе . Издательство Йельского университета. п. 158. ИСБН 978-0-300-25838-7 . OCLC 1264136457 .
- ^ «Двигатель прямого термоядерного синтеза, который может доставить нас на Сатурн всего за 2 года» . Популярная механика . 21 октября 2020 г. Проверено 8 января 2023 г.
- ^ Форд, Приянка. «Сообщение Совета: Гонка за углеродно-нейтральным балансом: термоядерная энергия и машинное обучение» . Форбс . Проверено 8 января 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Томас, Стефани (07 февраля 2017 г.). Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза (PDF) (Отчет).
- ^ «Ракета с прямым термоядерным синтезом» . www.npl.washington.edu . Проверено 28 ноября 2023 г.
- ^ Разин, Йосеф С.; Паджер, Гэри; Бретон, Мэри; Хэм, Эрик; Мюллер, Джозеф; Палушек, Майкл; Глассер, Алан Х.; Коэн, Сэмюэл А. (1 декабря 2014 г.). «Прямой термоядерный привод для ракетного двигателя» . Акта Астронавтика . 105 (1): 145–155. Бибкод : 2014AcAau.105..145R . дои : 10.1016/j.actaastro.2014.08.008 . ISSN 0094-5765 . S2CID 109208384 .
- ^ Jump up to: а б Палушек, Майкл (2 июня 2015 г.). «Квадратная диаграмма Direct Fusion Drive» . Принстонские спутниковые системы . Проверено 19 июня 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Холл, Лора (5 апреля 2017 г.). «Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза» . НАСА . Проверено 14 июля 2018 г.
- ^ Jump up to: а б Томас, Стефани Дж.; Палушек, Майкл; Коэн, Сэмюэл А.; Глассер, Александр (2018), «Ядерная и будущая летная двигательная установка – моделирование тяги двигателя прямого термоядерного синтеза» , Объединенная конференция по двигательной активности 2018 года , Американский институт аэронавтики и астронавтики, doi : 10.2514/6.2018-4769 , ISBN 978-1-62410-570-8 , S2CID 126347870 , получено 15 января 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Хусейн, Зейн (01 октября 2016 г.). «Как прямой термоядерный привод произведет революцию в космических путешествиях» . Браун-космонавт . Проверено 15 января 2023 г.
- ^ «Привод прямого термоядерного синтеза мегаваттного класса для увеличения скорости передачи данных в 25 раз и увеличения скорости полета к Плутону в 3 раза» . Следующее большое будущее . Проверено 13 августа 2021 г.
- ^ «Техническая анимация Direct Fusion Drive» . Принстонские спутниковые системы . 10 июля 2018 г. Проверено 19 июня 2023 г.
- ^ «Ядерные технологии призваны способствовать будущим космическим миссиям, говорит экспертная группа МАГАТЭ» . www.iaea.org . 18 февраля 2022 г. Проверено 8 января 2023 г.
- ^ Мюллер, Йозеф (8 августа 2013 г.). «Прямой термоядерный полет на Марс – доклад FISO» . Принстонские спутниковые системы . Проверено 15 января 2023 г.
- ^ Лемоник, Майкл Д. (11 сентября 2013 г.). «Отправление на Марс с помощью термоядерной энергии? Может быть» . Время . ISSN 0040-781X . Проверено 15 января 2023 г.
- ^ «Космический корабль сможет добраться до Титана всего за 2 года, используя двигатель прямого термоядерного синтеза» . Физика.орг .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Princeton Satellite Systems Inc Direct Fusion Drive Техническая анимация
