Массовый двигатель или электромагнитная катапульта — это предлагаемый метод неракетного космического запуска , который будет использовать линейный двигатель для ускорения и катапультирования полезных грузов до высоких скоростей. Существующие и предлагаемые массовые двигатели используют катушки проволоки, запитанные электричеством, для создания электромагнитов , хотя также был предложен роторный массовый двигатель. [1] Последовательное срабатывание ряда электромагнитов ускоряет полезный груз по траектории. После выхода с траектории полезный груз продолжает двигаться за счет импульса .
Хотя любое устройство, используемое для приведения в движение баллистической полезной нагрузки, технически является массовым драйвером, в этом контексте массовый драйвер по сути является coilgun , который магнитно ускоряет пакет, состоящий из намагничиваемого держателя, содержащего полезную нагрузку. После ускорения полезной нагрузки они разделяются, а держатель замедляется и перерабатывается для другой полезной нагрузки.
Массовые двигатели могут использоваться для приведения в движение космических аппаратов тремя различными способами: Большой наземный массовый двигатель может запускать космические аппараты с Земли, Луны или другого тела. Небольшой массовый двигатель может действовать как ракетный двигатель на борту космического аппарата, выбрасывая куски материала в космос для своего движения. Другой вариант — массивная установка на луне или астероиде, которая будет отправлять снаряды для помощи далекому кораблю.
Миниатюрные массовые драйверы также могут использоваться в качестве оружия, аналогично классическому огнестрельному оружию или пушке, использующей химическое горение. Гибриды между койлганами и рельсотронами, такие как спиральные рельсотроны, также возможны. [2]
Массовые драйверы не нуждаются в физическом контакте между движущимися частями, поскольку они направляют свои снаряды с помощью динамической магнитной левитации, что обеспечивает чрезвычайную возможность повторного использования в случае твердотельного переключения питания и функциональный срок службы — теоретически — до миллионов запусков. Хотя предельные затраты, как правило, соответственно низкие, первоначальные затраты на разработку и строительство сильно зависят от производительности, 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 на порядок большее ускорение [4] после сопоставимого увеличения финансирования, и несколько лет спустя исследователи из Техасского университета подсчитали, что массовый драйвер, стреляющий 10-килограммовым снарядом со скоростью 6000 м/с, обойдется в 47 миллионов долларов. [5] [ нужна цитата для проверки ] [6] [ проверка не удалась ]
Для заданного количества задействованной энергии более тяжелые объекты движутся пропорционально медленнее. Легкие объекты могут быть запущены со скоростью 20 км/с или более. Ограничения, как правило, заключаются в стоимости хранения энергии, способной разряжаться достаточно быстро, и стоимости переключения мощности, которое может осуществляться полупроводниками или газофазными переключателями (которые все еще часто имеют нишу в приложениях с экстремальной импульсной мощностью). [7] [8] [9] Однако энергия может храниться индуктивно в сверхпроводящих катушках. Массовый драйвер длиной 1 км, сделанный из сверхпроводящих катушек, может разогнать 20-килограммовое транспортное средство до 10,5 км/с при эффективности преобразования 80% и среднем ускорении 5600 g. [10]
Наземные массовые двигатели 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 вероятные стартовые площадки будут продвигать космические аппараты по интенсивно пересекаемым воздушным трассам. Из-за огромной турбулентности, которую вызовут такие запуски, потребуются значительные меры по управлению воздушным движением для обеспечения безопасности других самолетов, работающих в этом районе.
С распространением многоразовых ракет для запуска с Земли (особенно первых ступеней) любой потенциал, который мог когда-либо существовать для любого экономического преимущества использования массовых двигателей в качестве альтернативы химическим ракетам для запуска с Земли, становится все более сомнительным. По этим причинам многие предложения включают установку массовых двигателей на Луне , где более низкая гравитация и отсутствие атмосферы значительно снижают необходимую скорость для достижения лунной орбиты; кроме того, лунные запуски с фиксированной позиции гораздо менее вероятно вызовут проблемы в отношении таких вопросов, как управление движением. [ необходима цитата ]
В большинстве серьезных конструкций масс-драйверов используются сверхпроводящие катушки для достижения разумной энергетической эффективности (часто от 50% до 90+%, в зависимости от конструкции). [12] Оборудование может включать сверхпроводящий ковш или алюминиевую катушку в качестве полезной нагрузки. Катушки масс-драйвера могут индуцировать вихревые токи в алюминиевой катушке полезной нагрузки, а затем воздействовать на результирующее магнитное поле . Существует две секции масс-драйвера. Часть максимального ускорения размещает катушки на постоянных расстояниях и синхронизирует токи катушек с ковшом. В этой секции ускорение увеличивается по мере увеличения скорости, до максимума, который может выдержать ковш. После этого начинается область постоянного ускорения. Эта область размещает катушки на увеличивающихся расстояниях, чтобы обеспечить фиксированное количество увеличения скорости за единицу времени.
На основе этого режима было разработано важное предложение по использованию массовых двигателей, включающее транспортировку материала с поверхности Луны в космические жилища для переработки с использованием солнечной энергии . [13] Институт космических исследований показал, что такое применение является достаточно практичным.
В некоторых конструкциях полезный груз будет удерживаться в ведре, а затем освобождаться, так что ведро можно будет замедлить и использовать повторно. Одноразовое ведро, с другой стороны, будет использовать ускорение по всей траектории. 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 траектории — однако такая система должна была бы быть спроектирована так, чтобы выдерживать значительные центробежные силы , если бы она была предназначена для ускорения пассажиров и/или груза до очень высоких скоростей.
В отличие от концепций космических пушек с химическим двигателем, предназначенных только для грузов , массовый двигатель может быть любой длины, доступным по цене и с относительно плавным ускорением на всем протяжении, опционально даже достаточно длинным, чтобы достичь целевой скорости без чрезмерных перегрузок для пассажиров. Его можно построить как очень длинную и в основном горизонтально выровненную стартовую дорожку для запуска в космос, нацеленную вверх в конце, частично за счет изгиба дорожки вверх и частично за счет кривизны Земли в другом направлении.
Естественные возвышенности, такие как горы, могут облегчить строительство дальней, направленной вверх части. Чем выше заканчивается трасса, тем меньшее сопротивление атмосферы встретит запущенный объект. [14]
Кинетическая энергия в 40 мегаджоулей на килограмм или меньше снарядов, запущенных со скоростью до 9000 м/с (если включить дополнительные потери на сопротивление) к низкой околоземной орбите, составляет несколько киловатт-часов на килограмм, если эффективность относительно высока, что, соответственно, было выдвинуто гипотезой, что она составляет менее 1 доллара США стоимости электроэнергии за килограмм, отправленной на НОО , хотя общие затраты будут намного больше, чем стоимость только электроэнергии. [11] Поскольку двигатель массы в основном расположен немного выше, на земле или под землей, его может быть легче обслуживать по сравнению со многими другими конструкциями неракетных космических запусков . Независимо от того, находится ли он под землей или нет, его необходимо разместить в трубе, которая откачивается вакуумом , чтобы предотвратить внутреннее сопротивление воздуха , например, с механическим затвором, который большую часть времени остается закрытым, но плазменное окно используется в моменты запуска, чтобы предотвратить потерю вакуума. [15]
Массовый двигатель на Земле обычно является компромиссной системой. Массовый двигатель разгоняет полезную нагрузку до некоторой высокой скорости, которая недостаточна для орбиты. Затем он высвобождает полезную нагрузку, которая завершает запуск с помощью ракет. Это радикально снижает скорость, необходимую для достижения орбиты ракетами. Менее десятой части орбитальной скорости от небольшого ракетного двигателя достаточно для повышения перигея , если в проекте приоритет отдается минимизации этого, но гибридные предложения опционально снижают требования к самому массовому двигателю за счет большей доли дельта-v за счет сгорания ракеты (или троса обмена орбитальным импульсом ). [11] На Земле конструкция массового двигателя, возможно, могла бы использовать хорошо проверенные компоненты магнитной подвески .
Чтобы запустить космический корабль с людьми на борту, траектория массового двигателя должна быть длиной почти 1000 километров, если она обеспечивает почти всю скорость на низкой околоземной орбите , хотя меньшая длина все еще может обеспечить значительную помощь при запуске. Требуемая длина, если ускоряться в основном при почти постоянной максимально приемлемой перегрузке для пассажиров, пропорциональна квадрату скорости. [16] Например, половина цели по скорости может соответствовать туннелю на четверть меньшей длины, который необходимо построить для того же ускорения. [16] Для прочных объектов может быть достаточно гораздо более высоких ускорений, что позволяет использовать гораздо более короткую траекторию, потенциально круглую или винтовую (спиральную). [17] Другая концепция включает в себя большую кольцевую конструкцию, посредством которой космический корабль будет объезжать кольцо много раз, постепенно набирая скорость, прежде чем будет выпущен в пусковой коридор, ведущий в небо.
Для утилизации ядерных отходов в космосе были предложены массовые двигатели: снаряд, запущенный со скоростью, намного превышающей космическую скорость Земли , покинул бы Солнечную систему, при этом атмосферный проход на такой скорости, как было рассчитано, позволяет выжить через удлиненный снаряд и очень прочный тепловой экран. [10] [18] [ требуется проверка ]
Космический корабль мог бы нести массовый драйвер в качестве своего основного двигателя. При наличии подходящего источника электроэнергии (вероятно, ядерного реактора ) космический корабль мог бы затем использовать массовый драйвер для ускорения кусков материи практически любого вида, ускоряя себя в противоположном направлении. При наименьшем масштабе реактивной массы этот тип привода называется ионным приводом . [ требуется цитата ]
Неизвестно абсолютного теоретического предела для размера, ускорения или дульной энергии линейных двигателей. Однако, практические инженерные ограничения применяются для таких показателей, как отношение мощности к массе, рассеивание отработанного тепла и потребление энергии, которое может быть поставлено и обработано. Скорость выхлопа лучше всего не слишком низкая и не слишком высокая. [19]
Существует зависящая от миссии ограниченная оптимальная скорость истечения и удельный импульс для любого двигателя, ограниченного ограниченным количеством бортовой мощности космического корабля. Тяга и импульс от истечения, на единицу выбрасываемой массы, масштабируются линейно с его скоростью ( импульс = mv), в то время как кинетическая энергия и требования к потребляемой энергии масштабируются быстрее с квадратом скорости ( кинетическая энергия =+1 ⁄ 2 mv 2 ). Слишком низкая скорость истечения чрезмерно увеличит массу топлива, необходимую в соответствии с уравнением ракеты , при этом слишком большая доля энергии пойдет на ускорение топлива, которое еще не использовано. Более высокая скорость истечения имеет как преимущества, так и недостатки, 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 массовые двигатели, представляют собой системы, в которых энергия не исходит от самого топлива. (Это контрастирует с химическими ракетами , где эффективность тяги меняется в зависимости от соотношения скорости истечения к скорости транспортного средства в данный момент, но близкий к максимально достижимому удельный импульс, как правило, является целью проектирования при соответствии наибольшему количеству энергии, выделяемой из реагирующих топлив). Хотя удельный импульс самого электрического двигателя опционально может варьироваться до тех пор, пока массовые двигатели не объединятся в ускорители частиц со скоростью истечения, равной скорости света, для крошечных частиц, попытка использовать экстремальную скорость истечения для ускорения гораздо более медленного космического корабля может привести к неоптимально низкой тяге, когда энергия, доступная от реактора или источника питания космического корабля, ограничена (меньший аналог подачи бортовой энергии на ряд прожекторов, фотоны являются примером чрезвычайно низкого соотношения импульса к энергии). [19]
Например, если бы ограниченная бортовая мощность, подаваемая на его двигатель, была доминирующим ограничением того, сколько полезной нагрузки гипотетический космический корабль мог бы перевезти (например, если бы внутренняя экономическая стоимость топлива была незначительной из-за использования внеземного грунта или льда), идеальная скорость истечения скорее составляла бы около 62,75% от общей дельта v миссии при работе с постоянным удельным импульсом, за исключением того, что большая оптимизация могла бы быть получена за счет изменения скорости истечения во время профиля миссии (что возможно с некоторыми типами двигателей, включая массовые двигатели и магнитоплазменные ракеты с переменным удельным импульсом ). [19]
Поскольку для перемещения космического корабля в качестве реактивной массы может использоваться любой тип массы, реактивный двигатель или его разновидность кажутся идеальным вариантом для космических аппаратов, которые используют реактивную массу из найденных ресурсов.
Одним из возможных недостатков массового драйвера является то, что он может отправлять твердую реакционную массу, движущуюся с опасно высокими относительными скоростями, на полезные орбиты и полосы движения. Чтобы преодолеть эту проблему, большинство схем планируют выбрасывать мелкодисперсную пыль . В качестве альтернативы в качестве реакционной массы можно использовать жидкий кислород, который после высвобождения превратится в молекулярное состояние. Разгон реакционной массы до скорости выхода за пределы Солнца — еще один способ гарантировать, что она не останется опасной.
Массовый двигатель на космическом корабле может быть использован для «отражения» масс от стационарного массового двигателя. Каждое замедление и ускорение массы вносит вклад в импульс космического корабля. Легкий, быстрый космический корабль не нуждается в реактивной массе и не нуждается в большом количестве электроэнергии сверх того количества, которое необходимо для компенсации потерь в электронике, в то время как неподвижный вспомогательный объект может работать от электростанций, которые могут быть намного больше космического корабля, если это необходимо. Это можно рассматривать как форму движения с использованием луча (макроскопический аналог магнитного паруса, приводимого в движение пучком частиц ). Подобная система также могла бы доставлять гранулы топлива на космический корабль для питания другой двигательной системы. [20] [21] [22] [23]
Другое теоретическое применение этой концепции движения можно найти в космических фонтанах — системе, в которой непрерывный поток гранул по круговой дорожке поддерживает высокую конструкцию.
Малые и средние по размеру высокоускоренные электромагнитные снарядные пусковые установки в настоящее время проходят активные исследования ВМС США [24] для использования в качестве наземного или корабельного оружия (чаще всего рельсовые пушки, но в некоторых случаях и койлганы ). В большем масштабе, чем оружие, которое в настоящее время находится на грани развертывания, но иногда предлагается в далеко идущих будущих прогнозах, достаточно высокоскоростной линейный двигатель , массовый драйвер, теоретически мог бы использоваться в качестве межконтинентальной артиллерии (или, если он будет построен на Луне или на орбите, использоваться для атаки на место на поверхности Земли ). [25] [26] [27] Поскольку массовый драйвер будет расположен выше в гравитационном колодце, чем теоретические цели, он будет обладать значительным энергетическим дисбалансом 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» «Псевдомена Аккада» [28] , псевдоним физика и предпринимателя-электрика из Принстона Эдвина Фитча Нортрапа . Доктор Нортрап построил прототипы катушечных пушек, питаемых трехфазными электрическими генераторами с частотой кГц, и книга содержит фотографии некоторых из этих прототипов. В книге описывается вымышленное кругосветное путешествие вокруг Луны на двухместном транспортном средстве, запущенном электрической пушкой Нортрапа.
Более поздние прототипы массовых драйверов были построены с 1976 года ( Mass Driver 1 ), некоторые из них были построены Институтом космических исследований США , чтобы доказать их свойства и практичность. Военные НИОКР по койлганам связаны с этим, как и поезда на магнитной подвеске .
Компания SpinLaunch , основанная в 2014 году, провела первоначальное испытание 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 своем лучшем испытании прототип массового драйвера создал ускорение в тридцать три g. Это больше, чем доктор О'Нил [...] считал необходимым для лунного поверхностного массового драйвера. [...] Массовый драйвер демонстрировался несколько раз во время перерывов между сессиями конференции, каждый раз с аплодисментами команде, которая построила его менее чем за четыре месяца при бюджете в 2000 долларов.
Mass Driver Two впервые сочетает в себе все основные характеристики действующего массового драйвера, за исключением рециркуляции ковша и обработки полезной нагрузки. Его номинальное проектное ускорение составляет 5000 м/с2, для конечной скорости 112 м/с.
