Художественная концепция прямоточного воздушно-реактивного двигателя Бассарда. Основной компонент реального прямоточного воздушно-реактивного двигателя – электромагнитное поле шириной в несколько миль – невидим.ПВРД Бассара в движении.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель Бассарда — это теоретический метод приведения в движение космического корабля для межзвездных путешествий . Быстро движущийся космический корабль черпает водород из межзвездной среды с помощью огромного воронкообразного магнитного поля (диаметр которого варьируется от нескольких километров до многих тысяч километров); водород сжимается до тех пор, пока не произойдет термоядерный синтез , который обеспечивает тягу для противодействия сопротивлению, создаваемому воронкой, и энергию для питания магнитного поля. Таким образом, прямоточный воздушно-реактивный двигатель Бассара можно рассматривать как прямоточный вариант термоядерной ракеты . [ нужна цитата ]
ПВРД Бассарда был предложен в 1960 году физиком Робертом Бассардом . [1]
Со времени первоначального предложения Бассарда было обнаружено, что область, окружающая Солнечную систему, имеет гораздо меньшую плотность водорода, чем считалось в то время (см. Местное межзвездное облако ). В 1969 году Джон Форд Фишбек внес важный вклад, подробно описав требуемое магнитное поле. [2]
В 1978 году Т. А. Хеппенхаймер проанализировал первоначальное предложение Бассарда о синтезе протонов , но обнаружил, что потери тормозного излучения от сжатия протонов до термоядерных плотностей превышают мощность, которую можно было бы произвести, примерно в 1 миллиард раз, что указывает на то, что предложенная версия Бассарда ПВРД было невозможно. [3] Однако анализ Дэниела П. Уитмайра 1975 года [4] показывает, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель может достигать чистой мощности через цикл CNO , который обеспечивает синтез с гораздо более высокой скоростью (~ 10 16 раз выше), чем протон-протонная цепочка . [ нужна цитата ]
Роберт Зубрин и Дана Эндрюс проанализировали одну гипотетическую версию конструкции ПВРД Бассарда в 1988 году. [5] Они определили, что их версия ПВРД не сможет разгоняться до солнечного ветра. [ нужна цитата ]
Исследование 2021 года показало, что, хотя практическое создание полезного прямоточного воздушно-реактивного двигателя Бассарда возможно в принципе, оно выйдет за рамки даже цивилизации Кардашева типа II . [6] [7]
Связанные изобретения
Дополненная межзвездная ракета Ram (RAIR)
Проблема использования межзвездной среды в качестве единственного источника топлива привела к изучению дополненной межзвездной ракеты Ram (RAIR). RAIR несет запасы ядерного топлива и исчерпывает продукты реакции, чтобы создать часть своей тяги. Однако он значительно повышает свои характеристики, захватывая межзвездную среду и используя ее в качестве дополнительной реакционной массы для увеличения ракеты. Двигательная установка RAIR состоит из трех подсистем: термоядерного реактора, черпака и плазменного ускорителя. Топливо запускается впереди корабля с помощью ускорителя. [8] Поле черпака направляет топливо в другой ускоритель (это может быть, например, система теплообмена, передающая тепловую энергию из реактора непосредственно в межзвездный газ), который получает энергию от реактора. Один из лучших способов понять эту концепцию — принять во внимание, что водородное ядерное топливо, находящееся на борту, действует как топливо (источник энергии), тогда как межзвездный газ, собранный ковшом и затем выбрасываемый с огромной скоростью сзади, действует как топливо ( реакционная масса ), поэтому автомобиль имеет ограниченный запас топлива, но неограниченный запас топлива. Обычный прямоточный воздушно-реактивный двигатель Бассарда имел бы бесконечный запас и того, и другого. Однако теория предполагает, что там, где прямоточный воздушно-реактивный двигатель Бассарда будет испытывать сопротивление из-за необходимости предварительного ускорения межзвездного газа до его собственной скорости перед впуском, система RAIR сможет передавать энергию через механизм «ускорителя» в межзвездную среду, несмотря на разницу в скоростях. и поэтому будет испытывать гораздо меньшее сопротивление. [9] [10] [11] [12]
Межзвездный прямоточный воздушно-реактивный двигатель с лазерным двигателем
Еще одним вариантом является лучевая энергия в сочетании с транспортным средством, черпающим водород из межзвездной среды. Лазерная решетка в Солнечной системе направляет лучи на коллектор на транспортном средстве, который использует что-то вроде линейного ускорителя для создания тяги. Это решает проблему термоядерного реактора для ПВРД. Существуют ограничения из-за затухания излучаемой энергии с расстоянием. [13]
Магнитный парус
Расчеты ( Роберта Зубрина и Даны Эндрюс) вдохновили на идею магнитного парашюта или паруса . Это может быть важно для межзвездных путешествий, поскольку означает, что торможение в пункте назначения может осуществляться с помощью магнитного парашюта, а не ракеты. [14]
Звездный двигатель Дайсона (двигатель Каплана)
Астрофизик Мэтью Э. Каплан из Университета штата Иллинойс предложил тип звездного двигателя , который использует рой зеркал Дайсона для концентрации звездной энергии на определенных областях звезды, подобной Солнцу, создавая лучи солнечного ветра , которые собираются многопрямоточным воздушно-реактивным двигателем. сборка, которая, в свою очередь, производит направленные струи плазмы для стабилизации своей орбиты и кислорода-14 для толкания звезды. Используя элементарные расчеты, предполагающие максимальную эффективность, Каплан оценивает, что двигатель Бассарда будет использовать 10 15 граммов солнечного материала в секунду для достижения максимального ускорения 10 -9 м/с 2 , что даст скорость 200 км/с через 5 миллионов лет. и расстояние в 10 парсеков за 1 миллион лет. Двигатель Бассарда теоретически будет работать в течение 100 миллионов лет, учитывая скорость потери массы Солнца, но Каплан считает, что 10 миллионов лет будет достаточно, чтобы избежать столкновения звезд. [15]
Предварительно заданная траектория
Некоторые из очевидных технических трудностей, связанных с ПВРД Бассарда, можно преодолеть, заранее выложив твердые топливные таблетки по траектории космического корабля. [16] Это можно сделать, используя другой космический корабль-заправщик, сбрасывающий топливные таблетки [16] [17] или используя лазерную двигательную установку. [18] Этот метод называют «взлетно-посадочной полосой термоядерного синтеза», [16] [18] взлетно-посадочной полосой с прямоточным воздушно-реактивным двигателем [17] или «передовой взлетно-посадочной полосой пополнения запасов». [19]
Хотя в большинстве предложений используется термоядерная энергия, как и в случае с обычными прямоточными воздушно-реактивными двигателями Бассарда, также предлагалось деление. [19]
К преимуществам этой системы относятся:
Синтез может быть достигнут путем столкновения двух топливных таблеток со скоростью не менее 200 км/с — это называется ударным синтезом. По сравнению с термоядерным синтезом с инерционным ограничением, ударный термоядерный синтез не потребует сферически симметричных гранул или приложения силы со всех направлений. [16]
В топливных таблетках могут использоваться такие изотопы, как дейтерий (водород-2) или тритий (водород-3). [20] Обычный прямоточный воздушно-реактивный двигатель Бассара в основном собирает протий (водород-1), поскольку это наиболее распространенный изотоп водорода в природе.
Запуск только ионизированного термоядерного топлива, чтобы магнитные или электростатические совки могли легче направить топливо в двигатель. Недостаток заключается в том, что это приведет к рассеиванию топлива из-за электростатического отталкивания. [ нужна цитата ]
Запуск топлива по траектории, так чтобы вектор скорости топлива точно соответствовал ожидаемому вектору скорости космического корабля в этой точке его траектории. Это сведет к минимуму силы «торможения», возникающие при сборе топлива. [ нужна цитата ]
Хотя предварительно запущенное топливо для прямоточного воздушно-реактивного двигателя сводит на нет одно преимущество конструкции Бассарда (сбор топлива по мере его движения через межзвездную среду, экономя затраты на запуск массы топлива), оно, по крайней мере, сохраняет то преимущество, что не нужно ускорять массу ракеты. топливо и масса ракеты одновременно. [ нужна цитата ]
Предварительно запущенное топливо обеспечит некоторую видимость межзвездной среды, тем самым предупреждая идущий за ним космический корабль о невидимых опасностях (например, о коричневых карликах ). [ нужна цитата ]
Необходимость точного перехвата термоядерных шариков взлетно-посадочной полосы космическим кораблем, движущимся с большой скоростью. Для направления гранул можно использовать лазерные импульсы. [16]
При использовании ударного синтеза космический корабль должен двигаться с минимальной скоростью, чтобы достичь термоядерного синтеза. Одно из предложений состоит в том, чтобы космический корабль использовал маневр движения по Солнцу, чтобы достичь скорости 600 км/с. [16]
Космический корабль не мог отклониться от заранее рассчитанной траектории, если это не было критично. Любое такое отклонение приведет к тому, что космический корабль потеряет запас топлива и оставит ему лишь минимальную возможность вернуться на исходную траекторию. [ нужна цитата ]
Предварительно запущенное топливо для торможения на звезде назначения не будет доступно, если оно не будет запущено за много десятилетий до запуска космического корабля. Однако для этой цели можно использовать и другие системы (например, магнитные паруса ). [ нужна цитата ]
^ Бассард, Роберт В. (1960). Галактическая материя и межзвездный полет (PDF) . Астронавтика Акта . Том. 6. С. 179–195. Архивировано из оригинала (PDF) 17 апреля 2018 г. Проверено 4 октября 2014 г.
^ Фишбэк, Дж. Ф. (1969). «Релятивистский межзвездный космический полет». Астронавтика Акта . 15 :25–35. Бибкод : 1969AsAc...15...25F.
^ Хеппенхаймер, Т.А. (1978). «О невозможности межзвездных прямоточных реактивных двигателей». Журнал Британского межпланетного общества . 31 : 222. Бибкод : 1978JBIS...31..222H.
^ Уитмир, Дэниел П. (май – июнь 1975 г.). «Релятивистский космический полет и каталитический ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель» (PDF) . Акта Астронавтика . 2 (5–6): 497–509. Бибкод : 1975AcAau...2..497W. CiteSeerX 10.1.1.492.6775 . дои : 10.1016/0094-5765(75)90063-6. Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2018 г. Проверено 30 августа 2009 г.
^ Эндрюс, генеральный директор; Зубрин, Р. М. (1988). Магнитные паруса и межзвездные путешествия . 39-й Международный астронавтический конгресс , Бангалор. Искусство. Бумага МАФ ИАФ-88-533.
^ Шатшнайдер, Питер; Джексон, Альберт А. (февраль 2022 г.). «Возвращение к прямоточному воздушно-реактивному воздушному двигателю Fishback». Акта Астронавтика . 191 : 227–234. Бибкод : 2022AcAau.191..227S. дои : 10.1016/j.actaastro.2021.10.039 .
^ «Исследование: разработка прямоточного воздушно-реактивного двигателя 1960 года для межзвездных путешествий - основа научной фантастики - неосуществима» . арстехника . 06.01.2022.
^ «Инновационные технологии из научной фантастики для применения в космосе» (PDF) . esa.it. _ п. 13 . Проверено 2 мая 2023 г.
^ Бонд, А. (1974). «Анализ потенциальных характеристик межзвездной ракеты Ram». Журнал Британского межпланетного общества . 27 : 674–688. Бибкод : 1974JBIS...27..674B.
^ Пауэлл, К. (1976). «Оптимизация системы для дополненной межзвездной ракеты Ram». Журнал Британского межпланетного общества . 29 (2): 136. Бибкод : 1976JBIS...29..136P.
^ Джексон, А. (1980). «Некоторые соображения по поводу межзвездной ракеты с антивеществом и термоядерным двигателем». Журнал Британского межпланетного общества . 33 : 117–120. Бибкод : 1980JBIS...33..117J.
^ Дополнительную информацию об этой концепции RAIR можно найти в книге «Справочник по звездным полетам» и по адресу http://www.projectrho.com/public_html/rocket/slowerlight.php.
^ Уитмир, Д.; Эндрю Джексон (1977). «Межзвездный прямоточный воздушно-реактивный двигатель с лазерным двигателем». Журнал Британского межпланетного общества . 30 : 223–226. Бибкод : 1977JBIS...30..223W.
^ Перакис, Н.; Андреас М. Хейн (2016). «Сочетание магнитных и электрических парусов для межзвездного замедления». Cornell University . 128 : 13–20. arXiv : 1603.03015 . Бибкод : 2016AcAau.128...13P. doi :10.1016/j.actaastro.2016.07.005. S2CID 17732634.
↑ Каплан, Мэтью (17 декабря 2019 г.). «Звездные двигатели: соображения проектирования для максимального ускорения». Акта Астронавтика . 165 : 96–104. Бибкод : 2019AcAau.165...96C. doi :10.1016/j.actaastro.2019.08.027. S2CID 203111659. Архивировано из оригинала 23 декабря 2019 года . Проверено 22 декабря 2019 г.Альтернативный URL
^ abcdef Обсуждается Гилстером, П. (2004). Мечты Центавра: воображение и планирование межзвездных исследований. Спрингер. стр. 146–8. ISBN 978-0-387-00436-5.Также в статье «Взлётная полоса к ближайшим звездам» на сайте centauri-dreams.org.
^ аб Матлофф, Грегори Л. (31 августа 2006 г.). Зонды глубокого космоса: во внешнюю Солнечную систему и за ее пределами. Springer Science & Business Media. стр. 118–120. ISBN978-3-540-27340-0.
^ ab "Бомба Бассарда (Джордин Каре)" . yarchive.net . Проверено 22 января 2024 г.
^ аб Ленард, Роджер X. (2000). «Межзвездные миссии сближения с использованием двигательных установок деления». Материалы конференции AIP . Том. 504. АИП. стр. 1544–1555. дои : 10.1063/1.1290979.{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
^ "Взлетно-посадочная полоса для гранул ядерного синтеза | NextBigFuture.com" . 20 июня 2017 г. Проверено 22 января 2024 г.
Библиография
Дополнительную информацию о математических расчетах ПВРД см. в книге Маллов, Юджин Ф.; Мэтлофф, Грегори Л. (1989). Справочник по звездным полетам. Уайли. ISBN 978-0-471-61912-3.
Мэтлофф, Грегори (5 августа 2005 г.). Зонды глубокого космоса: во внешнюю Солнечную систему и за ее пределами . Книги Спрингера Праксиса. ISBN 978-3540247722.
Андерсон, Пол (2006). Тау Зеро . Голланц. ISBN 978-1407239132.
