Массовый привод или электромагнитная катапульта - это предлагаемый метод неракетного космического запуска , в котором будет использоваться линейный двигатель для ускорения и катапультирования полезной нагрузки до высоких скоростей. Существующие и предполагаемые приводы массы используют катушки с проволокой, питаемые электричеством, для создания электромагнитов , хотя также был предложен вращающийся привод массы. [1] Последовательное срабатывание ряда электромагнитов ускоряет полезную нагрузку на пути. Покинув путь, полезная нагрузка продолжает движение за счет инерции .
Хотя любое устройство, используемое для приведения в движение баллистической полезной нагрузки, технически является приводом массы, в этом контексте привод массы представляет собой, по сути, койлган , который магнитно ускоряет корпус, состоящий из намагничивающегося держателя, содержащего полезную нагрузку. После ускорения полезной нагрузки они разделяются, а держатель замедляется и перерабатывается для другой полезной нагрузки.
Драйверы массы можно использовать для приведения в движение космического корабля тремя различными способами: Большой наземный драйвер массы можно использовать для запуска космического корабля от Земли, Луны или другого тела. Небольшой массовый двигатель мог бы находиться на борту космического корабля, выбрасывая в космос куски материала, чтобы двигаться дальше. Другой вариант мог бы заключаться в том, что массивная установка на Луне или астероиде будет посылать снаряды на помощь отдаленному кораблю.
Миниатюрные приводы массы также можно использовать в качестве оружия так же, как классическое огнестрельное оружие или пушки, использующие химическое горение. Также возможны гибриды койлганов и рельсотронов , такие как спиральные рельсотроны . [2]
Массовым приводам не требуется физический контакт между движущимися частями, поскольку они направляют свои снаряды за счет динамической магнитной левитации, что обеспечивает исключительную возможность повторного использования в случае твердотельного переключения питания и срок службы – теоретически – до миллионов запусков. Хотя предельные затраты, как правило, соответственно низкие, первоначальные затраты на разработку и строительство сильно зависят от характеристик, особенно от предполагаемой массы, ускорения и скорости снарядов. Например, в то время как Джерард О'Нил построил свой первый массовый драйвер в 1976–1977 годах с бюджетом в 2000 долларов, короткую тестовую модель, стреляющую снарядом со скоростью 40 м/с и 33 g , [3] его следующая модель имела порядок большее ускорение [4] после сопоставимого увеличения финансирования, а несколько лет спустя исследователи из Техасского университета подсчитали, что массовый двигатель, стреляющий 10-килограммовым снарядом со скоростью 6000 м/с, будет стоить 47 миллионов долларов. [5] [ для проверки требуется цитата ] [6] [ не удалось проверить ]
При заданном количестве задействованной энергии более тяжелые объекты движутся пропорционально медленнее. Легкие [ необходимы разъяснения ] объекты могут проецироваться со скоростью 20 км/с и более. Ограничениями, как правило, являются затраты на хранение энергии, которую можно разряжать достаточно быстро, и стоимость переключения мощности, которое может осуществляться с помощью полупроводников или газофазных переключателей (которые все еще часто имеют нишу в приложениях с экстремальной импульсной мощностью). [7] [8] [9] Однако энергия может храниться индуктивно в сверхпроводящих катушках. Драйвер массы длиной 1 км, изготовленный из сверхпроводящих катушек, может разогнать автомобиль массой 20 кг до 10,5 км/с при КПД преобразования 80% и среднем ускорении 5600 g. [10]
Наземные двигатели массы для вывода транспортных средств на орбиту, такие как концепция StarTram , потребуют значительных капиталовложений. [11] Относительно сильная гравитация Земли и относительно плотная атмосфера затрудняют реализацию практического решения. Кроме того, большинство, если не все возможные стартовые площадки, будут продвигать космические корабли по густонаселенным воздушным маршрутам. Из-за сильной турбулентности , которую могут вызвать такие запуски, потребуются значительные меры управления воздушным движением для обеспечения безопасности других самолетов, работающих в этом районе.
С распространением ракет многоразового использования для запуска с Земли (особенно первых ступеней) какой-либо потенциал, который когда-то мог существовать для каких-либо экономических преимуществ в использовании двигателей массы в качестве альтернативы химическим ракетам для запуска с Земли, становится все более сомнительным. По этим причинам многие предложения предусматривают установку двигателей массы на Луне , где более низкая гравитация и отсутствие атмосферы значительно снижают необходимую скорость для достижения лунной орбиты; кроме того, запуски на Луну из фиксированной позиции с гораздо меньшей вероятностью вызовут проблемы в таких вопросах, как управление движением.
В большинстве серьезных конструкций драйверов массы используются сверхпроводящие катушки для достижения разумного энергетического КПД (часто от 50% до 90+%, в зависимости от конструкции). [12] Оборудование может включать в себя сверхпроводящее ведро или алюминиевую катушку в качестве полезной нагрузки. Катушки генератора массы могут индуцировать вихревые токи в алюминиевой катушке полезной нагрузки, а затем воздействовать на возникающее магнитное поле . Есть два раздела массового драйвера. Часть максимального ускорения размещает катушки на постоянных расстояниях и синхронизирует токи катушек с ковшом. На этом участке ускорение увеличивается по мере увеличения скорости, вплоть до максимума, который может выдержать ковш. После этого начинается область постоянного ускорения. В этой области катушки располагаются на возрастающих расстояниях, чтобы обеспечить фиксированное увеличение скорости в единицу времени.
На основе этого режима основное предложение по использованию двигателей массы включало транспортировку материала с лунной поверхности в космические обиталища для обработки с использованием солнечной энергии . [13] Институт космических исследований показал, что это применение достаточно практично.
В некоторых конструкциях полезная нагрузка будет удерживаться в ковше, а затем освобождаться, чтобы ковш можно было замедлить и повторно использовать. С другой стороны, одноразовое ведро будет способствовать ускорению на всей трассе. В качестве альтернативы, если бы трасса была построена по всей окружности Луны (или любого другого небесного тела без значительной атмосферы), то ускорение многоразового ведра не было бы ограничено длиной трассы – однако такую систему необходимо было бы построить. спроектирован так, чтобы выдерживать значительные центробежные силы , если он предназначен для ускорения пассажиров и / или груза до очень высоких скоростей.
В отличие от концепций химической космической пушки , предназначенной только для грузов , массовый двигатель может быть любой длины, доступным по цене и с относительно плавным ускорением на всем протяжении, а при необходимости даже достаточно длинным, чтобы достичь целевой скорости без чрезмерных перегрузок для пассажиров. Он может быть построен как очень длинная и в основном горизонтально ориентированная стартовая трасса для космического запуска, направленная вверх на конце, частично за счет изгиба трассы вверх, а частично за счет кривизны Земли в другом направлении.
Естественные возвышения, такие как горы, могут облегчить строительство удаленной, направленной вверх части. Чем выше заканчивается трасса, тем меньшее сопротивление атмосферы встретит запускаемый объект. [14]
Кинетическая энергия 40 мегаджоулей на килограмм или менее снарядов, запущенных со скоростью до 9000 м/с (с учетом дополнительных потерь на сопротивление) в сторону низкой околоземной орбиты, составляет несколько киловатт-часов на килограмм, если эффективность относительно высока, что, соответственно, было предположительно, стоимость электроэнергии, отправленной на LEO , составит менее 1 доллара США за килограмм , хотя общие затраты будут намного больше, чем стоимость одной только электроэнергии. [11] Поскольку двигатель массы в основном расположен немного выше, на или под землей, его легче обслуживать по сравнению со многими другими конструкциями неракетных космических запусков . Независимо от того, находится ли он под землей или нет, он должен быть помещен в трубу с вакуумной откачкой , чтобы предотвратить внутреннее сопротивление воздуха , например, с механическим затвором, который большую часть времени должен оставаться закрытым, но в моменты стрельбы используется плазменное окно , чтобы предотвратить потери. вакуума. [15]
Массовый драйвер на Земле обычно представляет собой компромиссную систему. Массовый двигатель разгонит полезную нагрузку до некоторой высокой скорости, которой будет недостаточно для орбиты. Затем он высвободит полезную нагрузку, что завершит запуск ракеты. Это резко уменьшит скорость, которую ракеты должны развивать для достижения орбиты. Менее десятой орбитальной скорости небольшого ракетного двигателя достаточно, чтобы поднять перигей , если в конструкции приоритетом является минимизация этого, но гибридные предложения опционально снижают требования к самому двигателю массы за счет большей части дельта-v за счет сгорания ракеты (или трос обмена орбитальным моментом ). [11] На Земле в конструкции привода массы могли бы использоваться хорошо проверенные компоненты магнитной подвески .
Чтобы запустить космический корабль с людьми на борту, путь массового водителя должен быть длиной почти 1000 километров, если он обеспечит почти всю скорость на низкой околоземной орбите , хотя меньшая длина могла бы оказать большую помощь при запуске. Требуемая длина, если ускорение происходит преимущественно при постоянной максимально допустимой перегрузке для пассажиров, пропорциональна квадрату скорости. [16] Например, половина заданной скорости может соответствовать туннелю длиной в четверть меньшей, который необходимо построить, при том же ускорении. [16] Для объектов повышенной прочности может быть достаточно гораздо более высоких ускорений, что позволяет использовать гораздо более короткую траекторию, потенциально круглую или спиральную (спиральную). [17] Другая концепция включает в себя конструкцию большого кольца, при которой космический аппарат будет многократно облетать кольцо, постепенно набирая скорость, прежде чем попасть в стартовый коридор, ведущий в небо.
Для утилизации ядерных отходов в космосе были предложены массовые драйверы: снаряд, запущенный со скоростью, намного превышающей скорость убегания Земли , покинет Солнечную систему, при этом проход через атмосферу на такой скорости считается возможным для выживания благодаря удлиненному снаряду и очень прочному тепловому экрану. [10] [18] [ нужна проверка ]
Космический корабль может нести массовый драйвер в качестве основного двигателя. При наличии подходящего источника электроэнергии (вероятно, ядерного реактора ) космический корабль мог бы затем использовать двигатель массы для ускорения частиц материи практически любого типа, разгоняя себя в противоположном направлении. В наименьшем масштабе реакционной массы этот тип двигателя называется ионным двигателем . [ нужна цитата ]
Абсолютного теоретического предела размера, ускорения или дульной энергии линейных двигателей не известно. Тем не менее, применяются практические инженерные ограничения, такие как соотношение мощности к массе, рассеивание отходящего тепла и потребление энергии, которое можно подавать и обрабатывать. Скорость выхлопа не должна быть слишком низкой или слишком высокой. [19]
Для любого двигателя, ограниченного ограниченной мощностью бортового космического корабля, существует ограниченная оптимальная скорость истечения и удельный импульс, зависящие от миссии. Тяга и импульс выхлопа на единицу выброшенной массы растут линейно с его скоростью ( импульс = mv), однако кинетическая энергия и требования к входной энергии растут быстрее с квадратом скорости ( кинетическая энергия =+1 ⁄ 2 мв 2 ). Слишком низкая скорость выхлопа приведет к чрезмерному увеличению массы топлива, необходимой по уравнению ракеты , при этом слишком большая часть энергии пойдет на еще не использованное ускоряющее топливо. Более высокая скорость истечения имеет как выгоду, так и недостаток, увеличивая эффективность использования топлива (больше импульса на единицу массы выбрасываемого топлива), но уменьшая тягу и текущую скорость ускорения космического корабля, если доступная входная мощность постоянна (меньше импульса на единицу энергии, отдаваемой топливу). . [19]
Методы электрического движения, такие как приводы массы, представляют собой системы, в которых энергия не исходит от самого топлива. (Такой контраст с химическими ракетами , где эффективность движения варьируется в зависимости от отношения скорости выхлопа к скорости транспортного средства в данный момент, но почти максимально достижимый удельный импульс, как правило, является целью проектирования, когда он соответствует наибольшему количеству энергии, выделяемой из реагирующего топлива). Хотя удельный импульс самого электрического двигателя может достигать уровня, при котором драйверы массы сливаются с ускорителями частиц со скоростью истечения крошечных частиц, равной дробной скорости света, попытка использовать экстремальную скорость истечения для ускорения гораздо более медленного космического корабля может привести к неоптимально низкой тяге, когда энергия, доступная из реактора или источника энергии космического корабля, ограничена (меньший аналог подачи бортовой энергии на ряд прожекторов, фотоны являются примером чрезвычайно низкого отношения импульса к энергии). [19]
Например, если бы ограниченная бортовая мощность, подаваемая в двигатель, была доминирующим ограничением того, какой объем полезной нагрузки мог бы перевезти гипотетический космический корабль (например, если бы экономические затраты на собственное топливо были незначительными из-за использования внеземной почвы или льда), идеальная скорость выхлопа скорее была бы около 62,75% от общей дельты v миссии при работе с постоянным удельным импульсом, за исключением того, что большая оптимизация может быть достигнута за счет изменения скорости истечения во время профиля миссии (что возможно с некоторыми типами двигателей, включая массовые приводы и магнитоплазменные ракеты с переменным удельным импульсом ). [19]
Поскольку драйвер массы может использовать любой тип массы в качестве реактивной массы для перемещения космического корабля, драйвер массы или его разновидность кажутся идеальными для аппаратов дальнего космоса, которые собирают реакционную массу из обнаруженных ресурсов.
Одним из возможных недостатков драйвера массы является то, что он может отправить твердую реакционную массу, движущуюся с опасно высокими относительными скоростями, на полезные орбиты и полосы движения. Чтобы решить эту проблему, в большинстве схем планируется выбрасывать мелкодисперсную пыль . В качестве альтернативы в качестве реакционной массы можно использовать жидкий кислород, который при высвобождении перейдет в свое молекулярное состояние. Доведение реакционной массы до скорости убегания от Солнца — еще один способ гарантировать, что она не останется опасной.
Драйвер массы на космическом корабле можно использовать для «отражения» масс от стационарного драйвера массы. Каждое замедление и ускорение массы увеличивает импульс космического корабля. Легкий и быстрый космический корабль не должен нести реактивную массу и не нуждается в большом количестве электроэнергии, превышающем количество, необходимое для возмещения потерь в электронике, в то время как неподвижная вспомогательная установка может работать от электростанций, которые при необходимости могут быть намного больше, чем космический корабль. Это можно рассматривать как форму двигательной установки с лучевым приводом (аналог макроскопического масштаба магнитного паруса, приводимого в движение лучом частиц ). Подобная система может также доставлять топливные гранулы на космический корабль для питания другой двигательной установки. [20] [21] [22] [23]
Другое теоретическое применение этой концепции движения можно найти в космических фонтанах — системе, в которой непрерывный поток гранул по круговой дорожке удерживает высокую конструкцию.
В настоящее время ВМС США активно исследуют пусковые установки электромагнитных снарядов с высоким ускорением малого и среднего размера [24] для использования в качестве оружия наземного или корабельного базирования (чаще всего это рельсотроны , но в некоторых случаях и койлганы ). В большем масштабе, чем оружие, которое в настоящее время находится на стадии развертывания, но иногда предлагается в долгосрочных прогнозах будущего, достаточно высокоскоростной линейный двигатель , массовый двигатель, теоретически может использоваться в качестве межконтинентальной артиллерии (или, если он построен на Луне или на орбите, использоваться атаковать точку на поверхности Земли ). [25] [26] [27] Поскольку драйвер массы будет расположен выше гравитационного колодца, чем теоретические цели, он будет иметь значительный энергетический дисбаланс с точки зрения контратаки.
Одно из первых инженерных описаний «электрической пушки» появляется в техническом приложении к научно-фантастическому роману 1937 года «От нуля до восьмидесяти», написанному «Аккадом Псевдоманом», [28] псевдонимом принстонского физика и предпринимателя-электрика Эдвина Фитча Нортрупа. . Доктор Нортруп построил прототипы катушек-пушек, питаемых трехфазными электрическими генераторами кГц, и в книге есть фотографии некоторых из этих прототипов. В книге описывается вымышленное кругосветное путешествие вокруг Луны на двухместном транспортном средстве, запускаемом с помощью электрической пушки Нортрупа.
Более поздние прототипы драйверов массы были построены с 1976 года ( Драйвер массы 1 ), некоторые из них были созданы Институтом космических исследований США , чтобы доказать их свойства и практичность. С этим связаны военные исследования и разработки в области койлганов , как и поездов на магнитной подвеске .
Компания SpinLaunch , основанная в 2014 году, провела первичное тестирование своего тестового ускорителя в октябре 2021 года. [29]
Звездами этой конференции [...] были профессор Генри Колм из Массачусетского технологического института и группа студентов-добровольцев, которые построили первый массовый драйвер [...] В своих лучших испытаниях прототип массового драйвера продемонстрировал ускорение в тридцать -три тяжести. Это больше, чем доктор О'Нил [...] считал необходимым для двигателя массы на поверхности Луны. [...] Массовый двигатель демонстрировался несколько раз в перерывах между сессиями конференции, каждый раз под аплодисменты команде, которая построила его менее чем за четыре месяца с бюджетом в 2000 долларов.
Mass Driver Two впервые сочетает в себе все основные функции действующего массового драйвера, за исключением рециркуляции ковша и управления полезной нагрузкой. Его номинальное расчетное ускорение составляет 5000 м/с2 при конечной скорости 112 м/с.
