Ядерный импульсный двигатель или внешний импульсный плазменный двигатель — гипотетический метод движения космического корабля , использующий ядерные взрывы для создания тяги . [1] Он возник как проект «Орион» при поддержке DARPA по предложению Станислава Улама в 1947 году. [2] Более новые конструкции, использующие инерционный термоядерный синтез, стали основой для большинства более поздних конструкций, включая проект «Дедал» и проект «Лонгшот» .
Расчеты потенциального использования этой технологии проводились в лаборатории с конца 1940-х до середины 1950-х годов. [3]
Проект Orion был первой серьезной попыткой спроектировать ядерную импульсную ракету. Проект был сформирован в General Atomics в конце 1950-х и начале 1960-х годов с идеей реагирования небольших направленных ядерных взрывчатых веществ с использованием варианта конструкции двухступенчатой бомбы Теллера-Улама на большую стальную толкающую пластину, прикрепленную к космическому кораблю с помощью амортизаторов. Эффективные направленные взрывчатые вещества максимизировали передачу импульса, что привело к удельным импульсам в диапазоне 6000 с (59 км/с) секунд, или примерно в тринадцать раз больше, чем у главного двигателя Space Shuttle . С усовершенствованиями теоретически максимальный удельный импульс мог бы быть возможен в 100 000 с (980 км/с) (1 МН·с/кг). Тяги составляли миллионы тонн , что позволяло космическим кораблям размером более 8 × 106 тонн, построено из материалов 1958 года. [4]
Эталонный проект должен был быть изготовлен из стали с использованием конструкции подводной лодки с экипажем более 200 человек и взлетным весом транспортного средства в несколько тысяч тонн . Этот одноступенчатый эталонный проект должен был достичь Марса и вернуться через четыре недели с поверхности Земли (по сравнению с 12 месяцами для текущей химической эталонной миссии NASA). Тот же корабль мог бы посетить луны Сатурна за семимесячную миссию (по сравнению с химическими миссиями, длившимися около девяти лет). Известные инженерные проблемы, которые возникли, были связаны с экранированием экипажа и сроком службы толкающей пластины.
Хотя система казалась работоспособной, проект был закрыт в 1965 году, в первую очередь потому, что Договор о частичном запрещении испытаний ядерного оружия сделал его незаконным; на самом деле, до заключения договора США и Советский Союз уже по отдельности взорвали в космосе, т. е. на высоте более 100 км, в общей сложности не менее девяти ядерных бомб, включая термоядерные (см. высотные ядерные взрывы ). Этические вопросы осложняли запуск такого транспортного средства в пределах магнитосферы Земли : расчеты с использованием (спорной) линейной беспороговой модели радиационного поражения показали, что осадки от каждого взлета вызовут смерть приблизительно от 1 до 10 человек. [5] В пороговой модели такие чрезвычайно низкие уровни тонко распределенной радиации не имели бы связанных с этим вредных последствий, в то время как в моделях гормезиса такие крошечные дозы были бы пренебрежимо малы. [6] [7] Использование менее эффективных чистых ядерных бомб для достижения орбиты, а затем более эффективных, более мощных и грязных бомб для путешествий значительно сократит количество радиоактивных осадков, вызванных запуском с Земли.
Одной из полезных миссий было бы отклонение астероида или кометы, приближающихся к Земле, что было драматично показано в фильме 1998 года « Глубокий удар» . Высокая производительность позволила бы даже позднему запуску быть успешным, и транспортное средство могло бы эффективно передавать большое количество кинетической энергии астероиду простым ударом. [8] Перспектива неминуемого столкновения с астероидом устранила бы опасения по поводу нескольких прогнозируемых смертей от радиоактивных осадков. Автоматизированная миссия устранила бы проблему проектирования амортизатора, который бы защищал экипаж.
«Орион» — один из немногих межзвездных космических кораблей, который теоретически можно построить с использованием имеющихся технологий, как обсуждалось в статье Фримена Дайсона 1968 года «Межзвездный транспорт» .
Проект «Дедал» был исследованием, проведенным в 1973–1978 годах Британским межпланетным обществом (BIS) с целью разработки беспилотного межзвездного космического корабля, который мог бы достичь ближайшей звезды примерно за 50 лет. Над проектом работало около дюжины ученых и инженеров под руководством Алана Бонда . В то время исследования в области термоядерного синтеза, казалось, добились больших успехов, и, в частности, инерционный термоядерный синтез (ICF) казался пригодным для использования в качестве ракетного двигателя.
ICF использует небольшие гранулы термоядерного топлива, обычно дейтерида лития ( 6 Li2H ) с небольшим дейтериевым / тритиевым триггером в центре. Гранулы бросаются в реакционную камеру, где они со всех сторон подвергаются воздействию лазеров или другой формы лучевой энергии. Тепло, генерируемое лучами , взрывообразно сжимает гранулу до точки, где происходит термоядерный синтез. Результатом является горячая плазма и очень небольшой «взрыв» по сравнению с бомбой минимального размера, которая потребовалась бы для создания необходимого количества деления.
Для Дедала этот процесс должен был проходить внутри большого электромагнита , который формировал ракетный двигатель. После реакции, зажженной электронными лучами, магнит направлял горячий газ в заднюю часть для тяги. Часть энергии направлялась на работу систем и двигателя корабля. Чтобы сделать систему безопасной и энергоэффективной, Дедал должен был работать на топливе гелий-3, собранном на Юпитере .
Конструкция Medusa имеет больше общего с солнечными парусами , чем с обычными ракетами. Она была задумана Джондейлом Солемом [9] в 1990-х годах и опубликована в журнале Британского межпланетного общества (JBIS). [10]
Космический корабль «Медуза» развернет перед собой большой парус, прикрепленный независимыми тросами, а затем запустит ядерную взрывчатку вперед, чтобы она детонировала между собой и своим парусом. Парус будет ускоряться плазмой и фотонным импульсом, вытягивая тросы, как рыба, убегающая от рыбака, вырабатывая электричество на «катушке». Космический корабль будет использовать часть вырабатываемого электричества, чтобы подтянуться к парусу, постоянно плавно ускоряясь по мере движения. [11]
В оригинальной конструкции несколько тросов были соединены с несколькими двигателями-генераторами. Преимущество перед одним 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, путем обертывания взрывчатого вещества лунной породой или водой, предварительно хранящейся в стабильной точке Лагранжа . [12]
Medusa работает лучше, чем классическая конструкция Orion, потому что ее парус перехватывает большую часть взрывного импульса, ход ее амортизатора намного длиннее, а ее основные конструкции находятся в напряжении и, следовательно, могут быть довольно легкими. Корабли типа Medusa 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 после документального фильма BBC « На Марс с помощью атомной бомбы: тайная история проекта «Орион»» . [13] Короткометражный фильм показывает художественное представление о том, как работает космический корабль «Медуза» , «сбрасывая бомбы в парус, который находится впереди него». [14]
Проект Longshot был спонсируемым NASA исследовательским проектом, который проводился совместно с Военно-морской академией США в конце 1980-х годов. [15] Longshot был в некотором роде развитием базовой концепции Daedalus, в том смысле, что он использовал магнитно-направленный ICF. Ключевое отличие заключалось в том, что они считали, что реакция не могла питать как ракету, так и другие системы, и вместо этого включили обычный ядерный реактор мощностью 300 кВт для работы корабля. Дополнительный вес реактора несколько снизил производительность, но даже при использовании топлива LiD он смог бы достичь соседней звезды Альфа Центавра за 100 лет (приблизительная скорость 13 411 км/с на расстоянии 4,5 световых лет, что эквивалентно 4,5% скорости света).
В середине 1990-х годов исследования в Университете штата Пенсильвания привели к концепции использования антиматерии для катализа ядерных реакций. Антипротоны будут реагировать внутри ядра урана , высвобождая энергию, которая разрывает ядро на части, как в обычных ядерных реакциях. Даже небольшое количество таких реакций может запустить цепную реакцию , для поддержания которой в противном случае потребовалось бы гораздо больше топлива. В то время как «нормальная» критическая масса для плутония составляет около 11,8 килограммов (для сферы при стандартной плотности), в реакциях, катализируемых антиматерией, она может быть значительно меньше одного грамма.
Было предложено несколько конструкций ракет, использующих эту реакцию: некоторые из них использовали бы реакции деления для межпланетных миссий, а другие использовали бы реакции деления и синтеза (фактически очень уменьшенную версию бомб Ориона) для межзвездных миссий.
В 2011 году НАСА финансировало MSNW LLC и Вашингтонский университет для изучения и разработки термоядерной ракеты в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts NIAC . [17]
Ракета использует форму магнитоинерциального синтеза для создания ракеты с прямой тягой. Магнитные поля заставляют большие металлические кольца сжиматься вокруг дейтериевой - тритиевой плазмы, запуская синтез. Энергия нагревает и ионизирует оболочку металла, образованную раздавленными кольцами. Горячий ионизированный металл выстреливается из магнитного сопла ракеты на высокой скорости (до 30 км/с). Повторение этого процесса примерно каждую минуту ускорит или замедлит космический корабль. [18] Реакция синтеза не является самоподдерживающейся и требует электрической энергии для взрыва каждого импульса. С электрическими потребностями, оцениваемыми от 100 кВт до 1000 кВт (в среднем 300 кВт), конструкции включают солнечные панели для производства необходимой энергии. [16]
Сжатие фольгированного вкладыша создает синтез в нужном масштабе энергии. Эксперимент по проверке концепции в Редмонде, штат Вашингтон, заключался в использовании алюминиевых вкладышей для сжатия. Однако окончательная конструкция заключалась в использовании литиевых вкладышей. [19] [20]
Характеристики производительности зависят от коэффициента усиления энергии синтеза, достигаемого реактором. Ожидалось, что усиление составит от 20 до 200, при этом среднее значение оценивалось в 40. Более высокие усиления обеспечивают более высокую скорость истечения, более высокий удельный импульс и более низкие требования к электрической мощности. В таблице ниже суммированы различные характеристики производительности для теоретического 90-дневного перехода на Марс при усилении 20, 40 и 200.
К апрелю 2013 года MSNW продемонстрировала подкомпоненты систем: нагрев дейтериевой плазмы до температур синтеза и концентрацию магнитных полей, необходимых для создания синтеза. Они планировали объединить две технологии для испытания до конца 2013 года. [16] [21] [22]
Импульсный движитель деления-синтеза (PuFF) основан на принципах, схожих с магнитоинерционным синтезом. Он направлен на решение проблемы экстремального напряжения, вызванного сдерживанием двигателем типа «Орион», путем выброса плазмы, полученной из небольших топливных гранул, которые подвергаются автокаталитическим реакциям деления и синтеза, инициированным Z-пинчем . Это теоретическая двигательная система, исследованная в рамках программы NIAC Университетом Алабамы в Хантсвилле . [23] По сути, это термоядерная ракета, которая использует конфигурацию Z-пинча, но в сочетании с реакцией деления для ускорения процесса синтеза.
Топливная таблетка PuFF диаметром около 1 см [24] состоит из двух компонентов: дейтериевого-тритиевого (DT) цилиндра плазмы, называемого мишенью , который подвергается синтезу, и окружающей оболочки U-235 , которая подвергается делению, окутанной литиевой оболочкой. Жидкий литий, служащий замедлителем, заполняет пространство между DT цилиндром и урановой оболочкой. Ток проходит через жидкий литий, генерируется сила Лоренца , которая затем сжимает DT плазму в 10 раз в том, что известно как Z-пинч. Сжатая плазма достигает критичности и подвергается реакциям синтеза. Однако прирост энергии синтеза ( Q ) этих реакций намного ниже безубыточности ( Q < 1), что означает, что реакция потребляет больше энергии, чем производит.
В конструкции PuFF быстрые нейтроны, высвобождаемые начальной реакцией синтеза, вызывают деление в оболочке U-235. Результирующее тепло заставляет оболочку расширяться, увеличивая ее скорость имплозии на ядро DT и сжимая его еще больше, высвобождая больше быстрых нейтронов. Они снова усиливают скорость деления в оболочке, делая процесс автокаталитическим. Есть надежда, что это приведет к полному сгоранию как топлива деления, так и топлива синтеза, что сделает PuFF более эффективным, чем другие концепции ядерного импульса. [25] [26] Подобно ракете магнитоинерциального термоядерного синтеза, производительность двигателя зависит от степени, в которой увеличивается коэффициент усиления термоядерного синтеза мишени DT.
Один "импульс" состоит из впрыска топливной таблетки в камеру сгорания, ее потребления через серию реакций деления-синтеза и, наконец, выброса высвободившейся плазмы через магнитное сопло, тем самым создавая тягу. Ожидается, что один импульс займет всего лишь долю секунды.
, обсуждаемые в этой статье, спонсировались Центром специального оружия ВВС, авиабаза Киртланд, Нью-Мексико, Командованием систем ВВС, ВВС США, по контракту AF29(601)-6214.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )