stringtranslate.com

Термоядерная ракета

Схема ракеты с термоядерным двигателем от NASA

Термоядерная ракета — это теоретическая конструкция ракеты, работающей на термоядерном движении, которая могла бы обеспечить эффективное и устойчивое ускорение в космосе без необходимости нести большой запас топлива. Конструкция требует технологии термоядерной энергии, выходящей за рамки текущих возможностей, и гораздо более крупных и сложных ракет.

Импульсный термоядерный двигатель — один из подходов к использованию энергии ядерного синтеза для создания тяги.

Главным преимуществом термоядерного синтеза является его очень высокий удельный импульс , в то время как его главным недостатком является (вероятно) большая масса реактора. Термоядерная ракета может производить меньше радиации, чем ракета деления , что снижает необходимую массу защиты. Самый простой способ построить термоядерную ракету — использовать водородные бомбы , как предлагалось в проекте «Орион» , но такой космический корабль был бы огромным, а Договор о частичном запрещении ядерных испытаний запрещает использование таких бомб. По этой причине ракеты на основе бомб, вероятно, будут ограничены работой только в космосе. Альтернативный подход использует электрическую (например, ионную ) тягу с электроэнергией, вырабатываемой за счет термоядерного синтеза вместо прямой тяги.

Генерация электроэнергии против прямой тяги

Методы движения космических аппаратов, такие как ионные двигатели, требуют электроэнергии для работы, но они очень эффективны. В некоторых случаях их тяга ограничена количеством энергии, которое может быть выработано (например, массовый драйвер ). Электрический генератор, работающий на энергии термоядерного синтеза, мог бы управлять таким кораблем. Одним из недостатков является то, что обычное производство электроэнергии требует низкотемпературного стока энергии, что является сложным (т. е. тяжелым) в космическом аппарате. Прямое преобразование кинетической энергии продуктов термоядерного синтеза в электричество смягчает эту проблему. [1]

Одной из привлекательных возможностей является направление выхлопных газов термоядерного синтеза из задней части ракеты для обеспечения тяги без промежуточного производства электроэнергии. Это было бы проще с некоторыми схемами удержания (например, магнитными зеркалами ), чем с другими (например, токамаками ). Это также более привлекательно для «продвинутого топлива» (см. безнейтронный синтез ). Движение на гелии-3 будет использовать синтез атомов гелия-3 в качестве источника энергии. Гелий-3, изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном , может быть объединен с дейтерием в реакторе. Полученное выделение энергии может вытолкнуть топливо из задней части космического корабля. Гелий-3 предлагается в качестве источника энергии для космических кораблей в основном из-за его обилия на Луне. Ученые подсчитали, что на Луне присутствует 1 миллион тонн доступного гелия-3. [2] Только 20% энергии, вырабатываемой реакцией DT, может быть использовано таким образом; в то время как остальные 80% высвобождаются в виде нейтронов, которые, поскольку их нельзя направить магнитными полями или твердыми стенками, будет трудно направить в сторону тяги, и, в свою очередь, может потребоваться экранирование . Гелий-3 образуется в результате бета-распада трития , который может быть получен из дейтерия, лития или бора.

Даже если самоподдерживающаяся реакция термоядерного синтеза не может быть осуществлена, ее можно использовать для повышения эффективности другой двигательной системы, например, двигателя VASIMR . [ необходима цитата ]

Альтернативы заключению

Магнитный

Для поддержания реакции синтеза плазма должна быть ограничена. Наиболее широко изученной конфигурацией для наземного термоядерного синтеза является токамак , форма термоядерного синтеза с магнитным удержанием . В настоящее время токамаки весят много, поэтому отношение тяги к весу кажется неприемлемым. [ сомнительно – обсудить ] Исследовательский центр Гленна НАСА в 2001 году предложил сферический торовый реактор с малым соотношением сторон для своего концептуального проекта корабля «Discovery II». «Discovery II» мог бы доставить экипаж весом 172 метрические тонны полезной нагрузки на Юпитер за 118 дней (или за 212 дней на Сатурн ), используя 861 метрическую тонну водородного топлива плюс 11 метрических тонн термоядерного топлива гелий-3 - дейтерий (D-He3). [3] Водород нагревается обломками термоядерной плазмы для увеличения тяги за счет снижения скорости истечения (348–463 км/с) и, следовательно, увеличения массы топлива.

Инерциальный

Основной альтернативой магнитному удержанию является инерционный термоядерный синтез (ICF), такой как предложенный проектом Daedalus . Небольшая таблетка термоядерного топлива (диаметром в пару миллиметров) будет воспламеняться электронным лучом или лазером . Для создания прямой тяги магнитное поле формирует толкающую пластину. В принципе, реакция гелий-3-дейтерий или безнейтронная реакция термоядерного синтеза могут быть использованы для максимизации энергии заряженных частиц и минимизации излучения, но весьма сомнительно, что использование этих реакций технически осуществимо. Оба детальных проектных исследования в 1970-х годах, двигатель Orion и проект Daedalus, использовали инерционное удержание. В 1980-х годах Национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе и НАСА изучали «Транспортное средство для межпланетных транспортных приложений» (VISTA), работающее на ICF. Конический космический аппарат VISTA мог бы доставить 100-тонный полезный груз на орбиту Марса и вернуться на Землю за 130 дней или на орбиту Юпитера и обратно за 403 дня. Потребовалось бы 41 тонна термоядерного топлива на основе дейтерия/ трития (DT) плюс 4124 тонны водородного вытеснителя. [4] Скорость истечения составит 157 км/с.

Намагниченная мишень

Магнитный целеудерживающий синтез (MTF) — это относительно новый подход, который сочетает в себе лучшие черты более широко изученного магнитного ограничивающего синтеза (т. е. хорошего энергетического удержания) и инерционного ограничивающего синтеза (т. е. эффективного компрессионного нагрева и свободного от стенок удержания термоядерной плазмы). Как и в магнитном подходе, термоядерное топливо удерживается при низкой плотности магнитными полями, пока оно нагревается до состояния плазмы , но, как и в подходе инерционного удержания, термоядерный синтез инициируется быстрым сжатием мишени для резкого увеличения плотности топлива и, следовательно, температуры. MTF использует «плазменные пушки» (т. е. методы электромагнитного ускорения) вместо мощных лазеров, что приводит к созданию недорогих и легких компактных реакторов. [5] Группа NASA/ MSFC Human Outer Planets Exploration (HOPE) исследовала пилотируемый космический корабль с двигательной установкой MTF, способный доставить 164-тонный полезный груз на спутник Юпитера Каллисто, используя 106-165 метрических тонн топлива (водород плюс термоядерное топливо DT или D-He3) за 249-330 дней. [6] Таким образом, эта конструкция будет значительно меньше и более экономичной из-за более высокой скорости истечения (700 км/с), чем ранее упомянутые концепции «Discovery II», «VISTA».

Инерционный электростатический

Другой популярной концепцией удержания для термоядерных ракет является инерциальное электростатическое удержание (IEC), например, в Farnsworth-Hirsch Fusor или вариации Polywell , разрабатываемой Energy-Matter Conversion Corporation (EMC2). Университет Иллинойса определил концепцию 500-тонного «Fusion Ship II», способного доставить 100 000 кг полезной нагрузки с экипажем на спутник Юпитера Европу за 210 дней. Fusion Ship II использует ионные ракетные двигатели (скорость истечения 343 км/с), работающие на десяти термоядерных реакторах IEC D-He3. Для этой концепции потребуется 300 тонн аргонового топлива для годичного путешествия к системе Юпитера и обратно. [7] Роберт Буссард опубликовал серию технических статей, в которых обсуждалось его применение в космических полетах в 1990-х годах. Его работа была популяризирована статьей в издании Analog Science Fiction and Fact , где Том Лигон описал, как фузор может стать высокоэффективной термоядерной ракетой. [8]

Антиматерия

Еще более спекулятивной концепцией является ядерный импульсный двигатель , катализируемый антиматерией, который будет использовать антиматерию для катализа реакции деления и синтеза, что позволит создавать гораздо меньшие взрывы синтеза. В 1990-х годах в Университете штата Пенсильвания была проведена неудачная попытка проектирования под названием AIMStar . [9] Проект потребует больше антиматерии, чем может быть произведено в настоящее время. Кроме того, необходимо преодолеть некоторые технические препятствия, прежде чем это станет осуществимым. [10]

Проекты развития

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Робицки, Дэн (7 октября 2020 г.). «Этот ученый утверждает, что построил реактивный двигатель, который напрямую превращает электричество в тягу». Футуризм . Архивировано из оригинала 31 августа 2023 г. Получено 19 августа 2023 г.
  2. ^ Уэйкфилд, Джули (30 июня 2000 г.). «Лунный гелий-3 мог бы обеспечить энергией Землю» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 31 января 2023 г. . Получено 3 октября 2010 г. .
  3. ^ Уильямс, Крейг Х.; Дудзински, Леонард А.; Боровски, Стэнли К.; Юхас, Альберт Дж. (июль 2001 г.). Осознание "2001: Космическая одиссея": пилотируемый сферический торовый ядерный термоядерный двигатель (PDF) . 37-я совместная конференция и выставка по двигательным установкам. Исследовательский центр Гленна (опубликовано в марте 2005 г.). NASA/TM—2005-213559. Архивировано (PDF) из оригинала 4 июля 2023 г.
  4. ^ Orth, CD (20 апреля 1998 г.). Interplanetary Space Transport Using Inertial Fusion Propulsion (PDF) . 9-я Международная конференция по новым ядерным энергетическим системам. Тель-Авив: Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (опубликовано в июле 1998 г.). UCRL-JC-129237. Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2011 г. Получено 4 сентября 2011 г.
  5. ^ Cylar, Rashad (2002). Magnetized Target Fusion in Advanced Propulsion Researc (PDF) (Технический отчет). Marshall Space Flight Center / University of Alabama . Архивировано (PDF) из оригинала 19 мая 2023 г.
  6. ^ Адамс, Р. Б.; Александр, Р. А.; Чепмен, Дж. М.; Финчер, СС; Хопкинс, Р. К.; Филипс, А. Д.; Полсгроув, Т. Т.; Литчфорд, Р. Дж.; Паттон, Б. В.; Стэтхэм, Г.; Уайт, П. С.; Тио, И. К. Ф. (ноябрь 2003 г.). Концептуальный проект космических аппаратов для исследования человеком внешних планет (PDF) (технический отчет). Marshall Space Flight Center , ERC Inc., Министерство энергетики США . NASA/TP—2003–212691. Архивировано (PDF) из оригинала 31 августа 2023 г.
  7. ^ Веббер, Дж.; Бертон, Р. Л.; Момота, Х.; Ричардсон, Н.; Шабан, И.; Майли, Г. Х. (2003). "Fusion Ship II - быстрый пилотируемый межпланетный космический аппарат с использованием инерциального электростатического синтеза" (PDF) . Иллинойсский университет , Калифорнийский университет, кафедра ядерной, плазменной и радиологической инженерии. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июня 2012 г.
  8. ^ Лигон, Том (декабрь 1998 г.). «Самый простой в мире термоядерный реактор: и как заставить его работать». Analog Science Fiction & Fact . Том 118, № 12. Нью-Йорк. Архивировано из оригинала 2006-06-15.
  9. ^ Льюис, Рэймонд А.; Мейер, Кирби; Смит, Джеральд А.; Хоу, Стивен Д. (1999). "AIMStar: Инициированный антиматерией микросинтез для предшественников межзвездных миссий" (PDF) . Acta Astronautica . 44 (2–4). Университет штата Пенсильвания : 183–186. Bibcode :1999AcAau..44..183G. doi :10.1016/S0094-5765(99)00046-6. Архивировано из оригинала (PDF) 16 июня 2014 г.
  10. ^ Schmidt, GR; Gerrish, HP; Martin, JJ; Smith, GA; Meyer, KJ (1999). Производство антиматерии для ближнесрочных приложений движения (PDF) (Технический отчет). NASA и Университет штата Пенсильвания . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-03-06 . Получено 2013-05-24 .

Внешние ссылки