Ядерный импульсный двигатель
Ядерное импульсное движение или внешнее импульсное плазменное движение — это гипотетический метод движения космического корабля используются ядерные взрывы , в котором для тяги . [1] Он возник как проект «Орион» при поддержке DARPA по предложению Станислава Улама в 1947 году. [2] Новые конструкции, использующие термоядерный синтез с инерционным удержанием, легли в основу большинства более поздних проектов, включая проект «Дедал» и проект «Лонгшот» .
История [ править ]
Лос- editАламос
Расчеты потенциального использования этой технологии проводились в лаборатории с конца 1940-х до середины 1950-х годов. [3]
Проект Орион [ править ]
Проект «Орион» был первой серьезной попыткой создать ядерную импульсную ракету. была разработана В конце 1950-х - начале 1960-х годов в компании General Atomics идея реагирования на небольшие направленные ядерные взрывчатые вещества с использованием варианта конструкции двухступенчатой бомбы Теллера-Улама на большую стальную толкающую пластину, прикрепленную к космическому кораблю с помощью амортизаторов. . Эффективная взрывчатка направленного действия максимизировала передачу импульса, приводя к удельным импульсам в диапазоне 6000 с (59 км/с) секунд, что примерно в тринадцать раз больше, чем у главного двигателя космического корабля «Шаттл» . После доработок теоретический максимальный удельный импульс может составить 100 000 с (980 км/с) (1 МН·с/кг). Тяги исчислялись миллионами тонн , что позволяло космическим кораблям размером более 8 × 10 6 тонн будет построен из материалов 1958 года. [4]
Эталонный проект должен был быть изготовлен из стали по конструкции подводной лодки с экипажем более 200 человек и взлетной массой корабля в несколько тысяч тонн . Эта одноступенчатая эталонная конструкция достигнет Марса и вернется с поверхности Земли через четыре недели (по сравнению с 12 месяцами для нынешней эталонной миссии НАСА с химическим двигателем). Тот же корабль мог бы посетить спутники Сатурна в течение семимесячной миссии (по сравнению с миссиями на химическом топливе продолжительностью около девяти лет). Возникшие заметные инженерные проблемы были связаны с защитой экипажа и сроком службы толкающей пластины.
Хотя система казалась работоспособной, проект был закрыт в 1965 году, главным образом потому, что Договор о частичном запрещении ядерных испытаний сделал его незаконным; Фактически, еще до заключения договора США и Советский Союз уже по отдельности взорвали в общей сложности не менее девяти ядерных бомб, включая термоядерные, в космосе, т. е. на высотах более 100 км (см. Высотные ядерные взрывы ). Этические Земли проблемы осложнили запуск такого корабля в магнитосфере : расчеты с использованием (оспариваемой) линейной беспороговой модели радиационного повреждения показали, что осадки от каждого взлета могут привести к гибели примерно от 1 до 10 человек. [5] В пороговой модели такие чрезвычайно низкие уровни тонкораспределенной радиации не будут иметь сопутствующих вредных последствий, тогда как в моделях гормезиса такие крошечные дозы будут незначительны. [6] [7] Использование менее эффективных чистых ядерных бомб для выхода на орбиту, а затем более эффективных и более грязных бомб с большей мощностью для путешествий значительно сократило бы количество осадков, вызываемых запуском на Землю.
Одной из полезных миссий могло бы стать отклонение астероида или кометы, находящегося на пути столкновения с Землей, что драматически показано в фильме 1998 года « Столкновение с глубиной» . Высокая производительность позволит добиться успеха даже при позднем запуске, а корабль сможет эффективно передавать большое количество кинетической энергии астероиду путем простого удара. [8] Перспектива неминуемого столкновения с астероидом устранила бы опасения по поводу нескольких прогнозируемых смертей от радиоактивных осадков. Автоматизированная миссия устранила бы проблему разработки амортизатора, который защитил бы экипаж.
«Орион» — один из очень немногих межзвездных космических кораблей, которые теоретически могут быть построены с использованием доступных технологий, как обсуждалось в статье 1968 года «Межзвездный транспорт» Фримена Дайсона .
Проект Дедал [ править ]
Проект «Дедал» представлял собой исследование, проведенное в период с 1973 по 1978 год Британским межпланетным обществом (BIS) с целью разработки межзвездного беспилотного космического корабля, который мог бы достичь ближайшей звезды примерно за 50 лет. дюжина учёных и инженеров под руководством Алана Бонда Над проектом работала . В то время исследования в области термоядерного синтеза , казалось, добились больших успехов, и, в частности, термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF) оказался пригодным для использования в качестве ракетного двигателя.
ICF использует небольшие гранулы термоядерного топлива, обычно дейтерида лития ( 6 Что 2 H) с небольшим дейтериевым / тритиевым триггером в центре. Гранулы бросают в реакционную камеру, где на них со всех сторон воздействуют лазеры или другой вид лучевой энергии. Тепло, выделяемое лучами, взрывным образом сжимает гранулу до точки, где происходит плавление. В результате получается горячая плазма и очень небольшой «взрыв» по сравнению с бомбой минимального размера, которая вместо этого потребовалась бы для создания необходимого количества деления.
По мнению Дедала, этот процесс должен был осуществляться внутри большого электромагнита , образующего ракетный двигатель. После реакции, зажженной 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 топливом гелием-3, собранным с Юпитера .
Медуза [ править ]
Конструкция Медузы имеет больше общего с солнечными парусами, чем с обычными ракетами. Это было задумано Джондейлом Солемом. [9] в 1990-х годах и опубликовано в Журнале Британского межпланетного общества (JBIS). [10]
Космический корабль «Медуза» развернет перед собой большой парус, прикрепленный независимыми тросами, а затем запустит вперед ядерную взрывчатку, которая взорвется между ним и своим парусом. Парус будет ускоряться за счет плазменного и фотонного импульса, разматывая привязи, как когда рыба убегает от рыбака, генерируя электричество на «катушке». Космический корабль будет использовать часть вырабатываемой электроэнергии, чтобы подтягиваться к парусу, постоянно плавно ускоряясь. [11]
В оригинальной конструкции несколько тросов подключались к нескольким двигателям-генераторам. Преимущество по сравнению с одинарным тросом заключается в увеличении расстояния между взрывом и привязями, что снижает повреждение привязей.
Для тяжелых полезных нагрузок характеристики можно улучшить, воспользовавшись лунными материалами, например, обернув взрывчатку лунным камнем или водой, предварительно хранившимися в стабильной точке Лагранжа . [12]
«Медуза» работает лучше, чем классическая конструкция «Ориона», потому что ее парус перехватывает больше взрывного импульса, ход ее амортизатора намного длиннее, а ее основные конструкции находятся в напряжении и, следовательно, могут быть довольно легкими. Корабли типа «Медуза» будут способны развивать удельный импульс 50 000–100 000 с (490–980 км/с) (от 500 до 1000 кН·с/кг).
Медуза стала широко известна публике благодаря документальному фильму BBC « На Марс с помощью атомной бомбы: Тайная история проекта Орион» . [13] Короткометражный фильм демонстрирует представление художника о том, как работает космический корабль «Медуза» , «сбрасывая бомбы в парус, идущий впереди него». [14]
Проект Longshot [ править ]
Project Longshot — исследовательский проект, спонсируемый НАСА и проводившийся совместно с Военно-морской академией США в конце 1980-х годов. [15] Longshot в некотором смысле был развитием базовой концепции Дедала, поскольку он использовал ICF с магнитной воронкой. Ключевое отличие заключалось в том, что они считали, что реакция не может питать ни ракету, ни другие системы, и вместо этого включали обычный ядерный реактор мощностью 300 кВт для управления кораблем. Добавленный вес реактора несколько снизил производительность, но даже с использованием топлива LiD он смог бы достичь соседней звезды Альфа Центавра за 100 лет (скорость примерно 13 411 км/с, на расстоянии 4,5 световых лет, что эквивалентно 4,5% скорости света).
Ядерная реакция катализируемая , антивеществом
В середине 1990-х годов исследования в Университете штата Пенсильвания привели к концепции использования антивещества для катализа ядерных реакций. Антипротоны будут реагировать внутри ядра урана , выделяя энергию, которая разрушает ядро, как в обычных ядерных реакциях. Даже небольшое количество таких реакций может запустить цепную реакцию , для поддержания которой в противном случае потребовался бы гораздо больший объем топлива. В то время как «нормальная» критическая масса плутония . составляет около 11,8 килограмма (для сферы стандартной плотности), в случае реакций, катализируемых антивеществом, она может быть значительно ниже одного грамма
Было предложено несколько конструкций ракет, использующих эту реакцию: некоторые из них будут использовать реакции полного деления для межпланетных миссий, а другие - с использованием реакции деления-синтеза (фактически очень маленькая версия бомб Ориона) для межзвездных миссий.
Магнитоинерционный синтез [ править ]
 Концептуальное изображение космического корабля с термоядерным двигателем, прибывающего на Марс | |
| Дизайнер | ООО «МСНВ» |
|---|---|
| Приложение | Межпланетный |
| Статус | Теоретический |
| Производительность | |
| Удельный импульс | от 1606 до 5722 с (в зависимости от усиления плавления) |
| Время горения | От 1 дня до 90 дней (оптимально 10 дней с приростом 40) |
| Ссылки | |
| Ссылки | [16] |
| Примечания |
|
В 2011 году НАСА профинансировало MSNW LLC и Вашингтонский университет для изучения и разработки термоядерной ракеты в рамках программы НАСА по инновационным передовым концепциям NIAC . [17]
В ракете используется форма магнитоинерционного синтеза для создания термоядерной ракеты с прямой тягой. Магнитные поля заставляют большие металлические кольца сжиматься вокруг дейтерий - тритиевой плазмы, вызывая термоядерный синтез. Энергия нагревает и ионизирует оболочку металла, образованную раздавленными кольцами. Горячий ионизированный металл выбрасывается из сопла магнитной ракеты с высокой скоростью (до 30 км/с). Повторение этого процесса примерно каждую минуту приведет к ускорению или замедлению космического корабля. [18] Реакция термоядерного синтеза не является самоподдерживающейся и требует электрической энергии для взрыва каждого импульса. Поскольку электрические требования оцениваются в пределах от 100 до 1000 кВт (в среднем 300 кВт), конструкции включают солнечные панели для производства необходимой энергии. [16]
Сжатие фольгированного лайнера создает термоядерный синтез в соответствующем энергетическом масштабе. Доказательством концептуального эксперимента в Редмонде, штат Вашингтон, было использование алюминиевых вкладышей для сжатия. Однако в конечном итоге предполагалось использовать литиевые вкладыши. [19] [20]
Рабочие характеристики зависят от коэффициента выигрыша энергии термоядерного синтеза, достигаемого реактором. Ожидалось, что коэффициент усиления составит от 20 до 200, при этом среднее значение составит 40. Более высокий коэффициент усиления приведет к более высокой скорости выхлопа, более высокому удельному импульсу и более низким требованиям к электроэнергии. В таблице ниже суммированы различные характеристики производительности для теоретического 90-дневного перелета на Марс с приростом 20, 40 и 200.
| Общий выигрыш | Выигрыш 20 | Прибыль 40 | Выигрыш 200 |
|---|---|---|---|
| Масса вкладыша (кг) | 0.365 | 0.365 | 0.365 |
| Удельный импульс (с) | 1,606 | 2,435 | 5,722 |
| Массовая доля | 0.33 | 0.47 | 0.68 |
| Удельная масса (кг/кВт) | 0.8 | 0.53 | 0.23 |
| Масса топлива (кг) | 110,000 | 59,000 | 20,000 |
| Масса начальная (кг) | 184,000 | 130,000 | 90,000 |
| Требуемая электрическая мощность (кВт) | 1,019 | 546 | 188 |
К апрелю 2013 года MSNW продемонстрировала подкомпоненты систем: нагрев дейтериевой плазмы до температур термоядерного синтеза и концентрацию магнитных полей, необходимых для создания термоядерного синтеза. Они планировали объединить две технологии для испытаний до конца 2013 года. [16] [21] [22]
Импульсная двигательная установка деления термоядерного синтеза -
Движущая установка импульсного деления-синтеза (PuFF) основана на принципах, аналогичных магнитоинерционному синтезу. Он направлен на решение проблемы экстремального напряжения, вызываемого сдерживанием двигателем, подобным Ориону, путем выброса плазмы, полученной из небольших топливных таблеток, которые подвергаются автокаталитическим реакциям деления и синтеза, инициируемым Z-пинчем . Это теоретическая двигательная установка, разработанная в рамках программы NIAC Университетом Алабамы в Хантсвилле . [23] По сути, это термоядерная ракета, в которой используется конфигурация Z-пинча, но в сочетании с реакцией деления для ускорения процесса термоядерного синтеза.
Топливная таблетка PuFF диаметром около 1 см. [24] состоит из двух компонентов: дейтерий-тритиевого (DT) цилиндра плазмы, называемого мишенью , который подвергается термоядерному синтезу, и окружающей оболочки из U-235 , которая подвергается делению, окруженной литиевой облицовкой. Жидкий литий, выполняющий роль замедлителя, заполняет пространство между цилиндром ДТ и урановой оболочкой. Через жидкий литий пропускают ток, генерируется сила Лоренца , которая затем сжимает DT-плазму в 10 раз, образуя так называемый Z-пинч. Сжатая плазма достигает критичности и подвергается реакциям термоядерного синтеза. Однако выигрыш в энергии термоядерного синтеза ( Q ) в этих реакциях намного ниже безубыточности ( Q < 1), а это означает, что реакция потребляет больше энергии, чем производит.
В конструкции PuFF быстрые нейтроны, высвобождаемые в результате начальной реакции синтеза, вызывают деление в оболочке U-235. Возникающее в результате тепло заставляет оболочку расширяться, увеличивая скорость ее взрыва на ядре DT и сжимая ее еще больше, высвобождая больше быстрых нейтронов. Они снова увеличивают скорость деления в оболочке, делая процесс автокаталитическим. Есть надежда, что это приведет к полному сгоранию как ядерного, так и термоядерного топлива, что сделает PuFF более эффективным, чем другие концепции ядерного импульса. [25] [26] Как и в ракете с магнитоинерционным термоядерным синтезом, производительность двигателя зависит от степени увеличения термоядерного усиления мишени DT.
Один «импульс» состоит из впрыска топливной таблетки в камеру сгорания, ее расходования в результате серии реакций деления-синтеза и, наконец, выброса выделившейся плазмы через магнитное сопло, создавая таким образом тягу. Ожидается, что для завершения одного импульса потребуется всего лишь доля секунды.
См. также [ править ]
- АИМСтар
- Ядерный импульсный двигатель, катализируемый антивеществом
- Ракета на антивеществе
- Электрическая двигательная установка космического корабля
- Ионный двигатель
- Ядерная электрическая ракета
- Ядерная энергетика в космосе
- Ядерная двигательная установка
- Ядерная тепловая ракета
- Проект Плутон
- Импульсная ядерная тепловая ракета
- Стелларатор
Ссылки [ править ]
- ^ Бонометти, Джозеф А.; П. Джефф Мортон. «Созревание анализа внешнего импульсного плазменного движения (EPPP)» (PDF) . Центр космических полетов имени Маршалла НАСА . Проверено 24 декабря 2008 г.
- ^ «История проекта Орион» . История Ориона . 2008–2009 гг.
- ^ Нэнс, Джей Си (декабрь 1966 г.). «Ядерно-импульсное движение – II» . Анналы Нью-Йоркской академии наук . 140 (1): 396–406. Бибкод : 1966NYASA.140..396N . дои : 10.1111/j.1749-6632.1966.tb50975.x . S2CID 85148140 . Проверено 2 июля 2021 г.
Исследование, обсуждаемое в этой статье, спонсировалось Центром специального вооружения ВВС, база ВВС Киртланд, Нью-Мексико, Командованием систем ВВС ВВС США по контракту AF29(601)-6214.
- ^ General Dynamics Corp. (январь 1964 г.). «Краткий отчет об исследовании ядерно-импульсного корабля (General Dynamics Corp.)» (PDF) . Национальная служба технической информации Министерства торговли США . Проверено 24 декабря 2008 г.
- ^ Дайсон, Джордж (2003). Проект «Орион»: атомный космический корабль, 1957–1965 гг . Лондон: Пингвин. ISBN 0-14-027732-3 . OCLC 51109229 .
- ^ Привет; и др. (1 октября 2006 г.). «Ответ авторов» . Британский журнал радиологии . 79 (946): 855–857. дои : 10.1259/bjr/52126615 . Проверено 27 марта 2008 г.
- ^ Ауренго; и др. (30 марта 2005 г.). Зависимость «доза-эффект» и оценка канцерогенного действия низких доз ионизирующего излучения (PDF). Академия наук и Национальная академия медицины. CiteSeerX 10.1.1.126.1681 . Архивировано из оригинала 5 февраля 2022 года . Проверено 27 марта 2008 г.
- ^ Солем, Дж. К. (1994). «Перехватчик с ядерным взрывным двигателем для отклонения объектов, находящихся на пути столкновения с Землей». Журнал космических кораблей и ракет . 31 (4): 707–709. Бибкод : 1994JSpRo..31..707S . дои : 10.2514/3.26501 .
- ^ Гилстер, Пол (2004). Мечты Центавра: воображение и планирование межзвездных исследований . Copernicus Books, Атлантская книжная компания. п. 86. ИСБН 978-0387004365 .
- ^ Солем, JC (январь 1993 г.). «Медуза: Ядерная взрывная двигательная установка для межпланетных путешествий». Журнал Британского межпланетного общества . 46 (1): 21–26. Бибкод : 1993JBIS...46R..21S . ISSN 0007-084X .
- ^ Солем, JC (июнь 1994 г.). «Ядерный взрывной двигатель для межпланетных путешествий: расширение концепции Медузы для более высокого удельного импульса». Журнал Британского межпланетного общества . 47 (6): 229–238. Бибкод : 1994JBIS...47..229S . ISSN 0007-084X .
- ^ 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. Бибкод : 2000JBIS...53..362S . Архивировано из оригинала 27 февраля 2019 г. Проверено 2 декабря 2015 г.
- ^ Сайкс, Кристофер (26 марта 2003 г.), « На Марс от атомной бомбы: секретная история проекта Орион» (документальный фильм), Яромир Астл, Джереми Бернштейн, Артур Кларк, Эд Крейц, Британская радиовещательная корпорация , получено в 2021–2006 гг. -04
- ^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : Стивенс, Ник (2014), Медуза: усовершенствованный космический корабль с ядерным импульсом , получено 4 июня 2021 г.
- ^ Билз, Кейт А.; и др. «Проект Longshot: беспилотный зонд к Альфе Центавра» (PDF) . НАСА . Проверено 14 марта 2011 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Слау, Джон; Панкотти, Энтони; Киртли, Дэвид; Пиль, Кристофер; Пфафф, Майкл (30 сентября 2012 г.). «Ядерное движение посредством прямого преобразования энергии термоядерного синтеза: ракета с термоядерным двигателем» (PDF) . НАСА. стр. 1–31. Архивировано из оригинала (PDF) 31 июля 2022 года . Проверено 20 декабря 2015 г.
- ^ Холл, Лора (13 июля 2017 г.). «Ядерное движение посредством прямого преобразования энергии термоядерного синтеза» . НАСА .
- ^ Слау, Дж.; Киртли, Д. (2011). Ядерная двигательная установка на основе индуктивного линейного сжатия термоядерных плазмоидов (PDF) . Конференция AIAA по аэрокосмическим наукам.
- ^ Панкотти, А.; Слау, Дж.; Киртли, Д. (2012). Архитектура проектирования миссии термоядерной ракеты (PDF) . Совместная конференция AIAA по двигательной установке.
- ^ Бойл, Алан (5 апреля 2013 г.). «Ученые разрабатывают термоядерную ракетную технологию в лаборатории и стремятся к Марсу» . Новости Эн-Би-Си .
- ^ Дьеп, Фрэнси (8 апреля 2013 г.). «Термоядерная ракета отправит людей на Марс за 30 дней» . Популярная наука . Проверено 12 апреля 2013 г.
- ^ Слау, Дж.; Панкотти, А.; Киртли, Д.; Пфафф, М.; Пиль, Дж.; Вотрубе, Г. (ноябрь 2012 г.). Ракета с термоядерным двигателем (PDF) . Симпозиум НАСА NIAC (Фаза II).
- ^ Адамс, Роберт, Б. (2013). «Импульсное деление-синтез (PuFF) - отчет о фазе I» (PDF) . НАСА.gov . Архивировано (PDF) из оригинала 14 апреля 2022 года . Проверено 7 февраля 2021 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Адамс, Роберт, Б. «Концепция импульсного деления-синтеза (PuFF) для исследования глубокого космоса и производства электроэнергии на Земле» (PDF) . НАСА.gov . Архивировано (PDF) из оригинала 14 апреля 2022 года.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Винтерберг, Фридварт (2000). «Автокаталитические микровзрывы деления-синтеза для ядерного импульсного движения». Акта Астронавтика . 47 (12): 879–883. Бибкод : 2000AcAau..47..879W . doi : 10.1016/S0094-5765(00)00136-3 – через Elsevier Science Direct.
- ^ Адамс, Роберт, Б. (2014). «Разработка импульсного двигателя деления-синтеза (PuFF)». Двигательно-энергетический форум .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Внешние ссылки [ править ]
- Г. Р. Шмидт, Дж. А. Бунорнетти и П. Дж. Мортон, Ядерно-импульсная двигательная установка - Орион и за его пределами, технический отчет НАСА AlAA 2000-3856, 2000 г.
- Дж. К. Нэнс, «Ядерно-импульсная двигательная установка», IEEE Trans. on Nuclear Science 12, 177 (1965) [Перепечатано как Ann. Н-Й акад. наук. 140, 396 (1966)].
- «Исследование космического корабля с ядерным импульсом, том III», Отчет по контракту НАСА NAS 8-11053, General Atomics, GA-5009, 19 сентября 64 г.
- Ф. Дайсон, «Смерть проекта», Science 149, 141 (1965).
- У. Х. Роббинс и Х. Б. Фингер, HB, «Историческая перспектива программы технологий ядерных ракетных двигателей NERVA», отчет подрядчика НАСА 187154, AIAA-91-3451, июль 1991 г.
