Импульстің ядролық қозғалуы - Nuclear pulse propulsion

Шатастыруға болмайды Импульсті ядролық жылу зымыраны.
Суретшінің концепциясы Orion жобасы ядролық импульспен қозғалатын «негізгі» ғарыштық аппарат.

Импульстің ядролық қозғалуы немесе сыртқы импульсті плазмалық қозғалыс гипотетикалық әдіс болып табылады ғарыш аппараттарын қозғау қолданады ядролық жарылыстар үшін тарту.[1] Ол бірінші рет әзірленді Жоба Орион арқылы ДАРПА ұсынысынан кейін Станислав Улам 1947 ж.[2] Жаңа дизайндар инерциялық камерада біріктіру пост-посттардың көпшілігінің негізі болдыОрион дизайн, оның ішінде Жоба Дедал және Жоба Лонгшот.

Orion жобасы

Негізгі мақала: Орион жобасы (ядролық қозғалыс)
Ядролық импульстік қондырғы. Жарылғыш заряд абсолютті түрде буланып кетеді отын, оны зарядтан алшақтатады және бір уақытта отыннан плазма жасайды. Содан кейін жанармай «Орион» ғарыш кемесінің төменгі жағындағы итергіш тақтаға әсер етіп, «итермелейтін» энергия импульсін береді.

«Орион» жобасы - бұл ядролық импульстік зымыранды жобалаудың алғашқы маңызды әрекеті. Жобалау күші орындалды Жалпы атом 1950 жылдардың аяғы мен 1960 жылдардың басында. Идеясы Орион нұсқасын қолдана отырып, шағын бағыттағы ядролық жарылғыш заттарға реакция жасау керек болды Теллер-Улам ғарыш кемесіне амортизаторлармен бекітілген үлкен болат итергіш тақтаға қарсы екі сатылы бомбаның дизайны. Тиімді бағыттағы жарылғыш заттар импульстің берілуін максималды деңгейге жеткізді нақты импульстар 6000 секунд аралығында, немесе оннан шамамен он есе көп Space Shuttle негізгі қозғалтқышы. Нақтылау кезінде теориялық максимум 100000 секунд (1 MN · с / кг) болуы мүмкін. Итерілістер миллиондаған болды тоннаға жетеді, 8-ден үлкен ғарыш аппараттарына мүмкіндік береді×106 тонна, 1958 жылғы материалдармен салынады.[3]

The анықтамалық дизайн экипажы 200-ден асатын және көліктің көтерілу салмағы бірнеше мың адам болатын суасты стиліндегі құрылысты қолдана отырып болаттан жасалуы керек еді. тоннаға жетеді.Бұл төмен технологиялық бір сатылы анықтамалық дизайн Марсқа және Жер бетінен төрт аптаның ішінде жетеді (НАСА-ның қазіргі химиялық қуаттылық миссиясы үшін 12 аймен салыстырғанда). Сол қолөнер Сатурнның серіктеріне жеті айлық миссиямен баруы мүмкін (тоғыз жылдық химиялық миссиялармен салыстырғанда).

Жоба барысында бірқатар инженерлік мәселелер табылды және шешілді, әсіресе экипажды экрандауға және итергіш тақтайшаның қызмет ету мерзіміне байланысты. Жоба 1965 жылы жоба тоқтатылған кезде толықтай жұмыс істейтін болып көрінді, оның басты себебі - бұл Сынақтарға ішінара тыйым салу туралы келісім оны заңсыз етті (дегенмен, келісімге дейін АҚШ пен Кеңес Одағы кемінде тоғыз ядролық бомбаны, оның ішінде термоядролық бомбаны ғарышта, яғни 100 км-ден астам биіктікте жарып жіберген: қараңыз) биіктіктегі ядролық жарылыстар ). Сондай-ақ болды этикалық осындай көлік құралын Жер шеңберінде ұшыру мәселелері магнитосфера: қазір дау тудырған есептеулер сызықтық модель радиацияның зақымдануы әрбір ұшу кезінде құлап түсу 1-ден 10 адамға дейін болатынын көрсетті.[4] Шекті модельде жіңішке таратылған радиацияның өте төмен деңгейлері ешқандай жағымсыз әсер етпейтін болады, ал хормездік модельдер кезінде мұндай кішігірім дозалар өте пайдалы болады.[5][6] Мүмкіндігінше аз тиімді таза ядролық бомбалар орбитаға жету үшін және одан да көп шығымды лас бомбалардың саяхатқа шығуы жердегі ұшырылымнан болатын түсу мөлшерін едәуір төмендетеді.

Осы жақын технологияның пайдалы миссиясының бірі - 1998 жылы түсірілген фильмде жермен соқтығысуы мүмкін астероидты бұру. Терең әсер, бұл нақты фильмдегі комета болғанымен. Өте жоғары өнімділік тіпті кеш ұшырудың сәтті болуына мүмкіндік береді, ал көлік құралы қарапайым соққы арқылы астероидқа көптеген кинетикалық энергияны тиімді түрде бере алады,[7] және жақын арада астероидтың соққысы болған жағдайда бірнеше болжамды өлім түсу тыйым салынған деп есептелмеуі мүмкін. Автоматтандырылған миссия дизайндағы ең проблемалық мәселелерді: амортизаторларды болдырмауға мүмкіндік береді.

Орион - бұл 1968 жылы жарияланған мақалада теориялық тұрғыдан қол жетімді технологиямен жасалуы мүмкін жұлдызаралық ғарыш дискілерінің бірі, Жұлдызаралық көлік арқылы Фриман Дайсон.

Daedalus жобасы

Негізгі мақала: Daedalus жобасы

Daedalus жобасы 1973-1978 жылдар аралығында жүргізілген зерттеу болды Британдық планетааралық қоғам (BIS) бір ғалым ғалымның жұмыс жасау уақытында немесе 50 жыл ішінде жақын жұлдызға жете алатын жұлдызды ұшқышсыз ғарыш кемесін жобалау. Басқарған оншақты ғалымдар мен инженерлер Алан Бонд жобада жұмыс істеді. Сол уақытта біріктіру зерттеулер үлкен жетістіктерге қол жеткізді, әсіресе, инерциялық камерада біріктіру (ICF) ракеталық қозғалтқыш ретінде бейімделетін болып көрінді.

ICF әдетте балқымалы отынның ұсақ түйіршіктерін пайдаланады литий дейтерид (6Ли2H) кішкентаймен дейтерий /тритий ортасында триггер. Түйіршіктер реакциялық камераға лақтырылады, оларды жан-жағынан ұрады лазерлер немесе сәулеленген энергияның басқа түрі. Бөренелер шығаратын жылу түйіршікті жарылыс күйінде біріктіруге дейін қысады. Нәтижесі ыстық плазма және минималды мөлшердегі бомбамен салыстырғанда өте кішкентай «жарылыс» қажет, оның орнына бөлінудің қажетті мөлшерін жасау қажет болады.

Дедал үшін бұл процесс үлкен көлемде жүргізілді электромагнит зымыран қозғалтқышын қалыптастырды. Бұл жағдайда электронды сәулелер тұтанған реакциядан кейін магнит ыстық газды артқа қарай итеріп жіберді. Энергияның бір бөлігі кеме жүйелері мен қозғалтқышын басқаруға бағытталды. Жүйені қауіпсіз және үнемді ету үшін Дедалус a гелий-3 жинауға тура келетін отын Юпитер.

Медуза

Медуза қозғаушы ғарыш кемесінің тұжырымдамалық диаграммасы: (A) пайдалы жүктеме капсуласы, (B) жүкшығыр механизмі, (C) қосымша жалғаушы кабель, (D) көтергіш тетиктер және (E) парашют тетігі.
Жұмысының реттілігі Медуза қозғалыс жүйесі. Бұл диаграмма а-ның жұмыс реттілігін көрсетеді Медуза жетекші ғарыш кемесі (1) Жарылыс-импульстік қондырғы атылған сәттен бастап, (2) Жарылғыш импульс парашют шатырына жеткенде, (3) Шатырды итеріп, оны жарылыстан тездетеді, өйткені ғарыш кемесі лебедкамен негізгі байлауды ойнатады, ол созылғанда электр энергиясын өндіреді және ғарыш кемесін жылдамдатады, (4) Ақырында ғарыш кемесін шатырға қарай бұрады және артық электр қуатын басқа мақсаттарға пайдаланады.

The Медуза дизайн - ядролық импульс түрткісі, ол жалпыға ортақ күн желкендері кәдімгі ракеталарға қарағанда. Ол көзделді Джондейл Солем[8] 1990 жылдары жарық көрді Британдық планетааралық қоғам журналы (JBIS).[9]

A Медуза ғарыштық аппараттар алдында жеке тәуелсіз кабельдермен бекітілген үлкен «спинакер» парусын орналастырады, содан кейін ядролық жарылғыш заттарды өзі мен желкені арасында жарылу үшін алға жібереді. Желкенді плазма мен фотондық импульс жеделдетіп, балық балықшыдан қашып кеткен кездегідей аяқталып, «катушкада» электр қуатын өндіреді. Содан кейін ғарыш кемесі өндірілген электр энергиясының бір бөлігін желкенге қарай серуендеуге жұмсайды, әрі қарай жүріп өткен сайын біркелкі жылдамдатады.[10]

Бастапқы дизайнда бірнеше қозғалтқыш генераторына қосылған бірнеше тетер. Жалғыз байланыстырғыштан артықшылығы - жарылыс пен тестер арасындағы қашықтықты ұлғайту, сөйтіп тестердің зақымдануын азайту.

Ауыр пайдалы жүктемелер үшін өнімділікті ай материалдарының артықшылығын пайдалану арқылы жақсартуға болады, мысалы, жарылғыш затты айдың тасымен немесе сумен орау, мүмкін бұрын Жер-Айда тұрақты тұрған Лагранж нүктесі кейіннен сатып алынады Медуза ғарыш кемесі.[11]

Медуза классикалық Орион дизайнына қарағанда жақсы орындалады, өйткені оның желкені жарылыс импульсін көбірек ұстап алады, амортизатор соққысы әлдеқайда ұзын, ал барлық негізгі құрылымдары шиеленісте болады, сондықтан олар өте жеңіл болуы мүмкін. Медуза- типті кемелер а нақты импульс 50,000 мен 100,000 секунд аралығында (500-ден 1000 кН · с / кг-ға дейін).

Медуза көпшілікке Би-Би-Си деректі фильмінде кеңінен танымал Марсқа бомбамен: Orion жобасының құпия тарихы.[12] Қысқа метражды фильмде суретшінің концепциясы көрсетілген Медуза ғарыш аппараттары «алдында тұрған желкенге бомба лақтыру арқылы» жұмыс істейді.[13]

Longshot жобасы

Негізгі мақала: Longshot жобасы

Longshot жобасы а НАСА -мен бірге жүзеге асырылған демеушілік ғылыми жоба АҚШ әскери-теңіз академиясы 1980 жылдардың соңында.[14] Лонгшот кейбір жағдайларда Daedalus тұжырымдамасының дамуы болды, өйткені ол магниттік воронкадағы ICF-ді зымыран ретінде қолданды. Негізгі айырмашылық - олар реакцияның зымыранды да, жүйені де қуаттай алмайтындығын сезіп, орнына 300 кВт-қа тең кәдімгі энергияны қосқандығында болды ядролық реактор кемені басқаруға арналған. Қосылған реактордың салмағы өнімділікті біршама төмендетті, бірақ LiD отынын қолданғанның өзінде оған жетуге болатын еді Альфа Центаври, 100 жыл ішінде өзімізге ең жақын күн жүйесі (шамамен жылдамдығы 13,411 км / с, 4,5 жарық жылы қашықтықта - жарық жылдамдығының 4,5% -на тең).

Анти-катализденген ядролық импульс

Негізгі мақала: Анти-катализденген ядролық импульс

1990 жылдардың ортасында зерттеу Пенсильвания штатының университеті пайдалану тұжырымдамасына алып келді затқа қарсы ядролық реакцияларды катализдеу үшін. Қысқаша, антипротондар ядросының ішінде реакция жасайды уран, кәдімгі ядролық реакциялардағыдай ядроны бөлшектейтін энергияның бөлінуін тудырады. Мұндай реакциялардың аз саны да бастауы мүмкін тізбекті реакция олай болуын қамтамасыз ету үшін отынның әлдеқайда көп көлемін қажет етеді. Ал «қалыпты» сыни масса үшін плутоний шамамен 11,8 килограммды құрайды (стандартты тығыздықтағы сфера үшін), катализденетін реакциялармен бұл бір граммға жетуі мүмкін.

Осы реакцияны қолданатын бірнеше зымыран конструкциялары ұсынылды, олардың кейбіреулері планетааралық миссиялар үшін бөліну реакцияларын, ал басқалары бөліну-синтезді (тиімді түрде Орион бомбаларының өте кішкентай нұсқасы) жұлдызаралық миссиялар үшін пайдаланады.

MSNW магнитті-инерциялық термоядролық зымыран

MSNW магнитті-инерциялық термоядролық зымыран
«Fusion Driven Rocket» басқарылатын ғарыш кемесі.jpg
Марсқа келген термоядролық басқарылатын ғарыштық аппараттардың тұжырымдамалық графикасы
Дизайнер«MSNW» жауапкершілігі шектеулі серіктестігі
ҚолдануПланетааралық
КүйТеориялық
Өнімділік
Ерекше импульс1 606 с - 5 722 с (балқу күшейтуіне байланысты)
Жану уақыты1 күннен 90 күнге дейін (40 күндік өсіммен 10 күн оңтайлы)
Әдебиеттер тізімі
Әдебиеттер тізімі[15]
Ескертулер
  • Жанармай: Дейтерий-тритий криогенді түйіршік
  • Жанармай: Литий немесе алюминий
  • Қуат талаптары: 100 кВт-тан 1000 кВт-қа дейін

NASA қаржыландырады «MSNW» жауапкершілігі шектеулі серіктестігі және Вашингтон университеті 2011 жылы оқу және дамыту термоядролық зымыран NASA инновациялық озық тұжырымдамалары арқылы NIAC Бағдарлама.[16]

Зымыранда. Формасы қолданылады магнето-инерциялық синтез тікелей итергіш зымыранды шығару. Қуатты магнит өрістері үлкен металл сақиналардың (литийден жасалған болуы мүмкін, мұнда бір импульстің жиынтығы жалпы массасы 365 грамм болады) дейтерий -тритий плазма, оны біріктіру күйіне дейін қысады. Осы біріктіру реакцияларының энергиясы ұсақталған сақиналардан пайда болған металл қабығын қыздырады және иондайды. Ыстық, иондалған металл жоғары жылдамдықпен (30 км / с-қа дейін) магниттік ракета саптамасынан атып шығарылады. Бұл процесті минут сайын қайталау ғарыш аппаратын қозғалысқа келтіреді.[17] Балқу реакциясы өзін-өзі ақтамайды және термоядролық электр энергиясын қажет етеді. Электрлік қажеттіліктер 100 кВт-тан 1000 кВт-қа дейін (орташа 300 кВт) деп бағаланған кезде ғарыш аппараттарының дизайны балқыту қозғалтқышына қажетті электр энергиясын өндіруге арналған күн батареяларын қосады.[15]

Бұл тәсіл ғарыштық қозғалыс үшін пайдаланылатын тиісті энергия шкаласының синтез реакциясын құру үшін Foil Liner Compression пайдаланады. Редмондтағы, Вашингтондағы тұжырымдамалық эксперименттің дәлелі сығымдау үшін алюминий лайнерлерді қолданады. Алайда, ракетаның нақты дизайны литий лайнерлерімен жұмыс істейді. MSNW қозғалтқыштың принциптерін көрсету үшін процестің визуалды модельдеуін шығарды.[18][19]

Қозғалтқыштың жұмыс сипаттамалары жоғары тәуелді Балқу энергиясының пайда болу коэффициенті реактор қол жеткізді. Табыстар 20-дан 200-ге дейін болады деп болжануда, орташа есеппен 40-қа дейін. Термоядролардың жоғарылауы кезінде шығатын газдың жылдамдығы, ерекше импульс және электр қуатына деген қажеттілік азаяды. Төмендегі кестеде 20, 40 және 200 өсу кезінде Марсты теориялық 90 күндік тасымалдаудың әр түрлі сипаттамалары келтірілген.

90 Марс үшін FDR параметрлері күйіп кетеді[15]
Жалпы пайда20-ның кірісі40 пайда200 пайда
Лайнер массасы (кг)0.3650.3650.365
Нақты импульс (тер)1,6062,4355,722
Массалық үлес0.330.470.68
Меншікті массасы (кг / кВт)0.80.530.23
Жаппай отын (кг)110,00059,00020,000
Массалық бастапқы (кг)184,000130,00090,000
Электр қуаты қажет (кВт)1,019546188

2013 жылдың сәуіріне қарай MSNW жүйелердің ішкі компоненттерін көрсетті: жылыту дейтерий плазма термоядролық температураға дейін және синтез құруға қажетті магнит өрістерін шоғырландырды. Олар екі технологияны 2013 жылдың соңына дейін сынақтан өткізуді жоспарлады.[15][20][жаңартуды қажет етеді ]

Оларды кейінірек билік күшейтіп, қосуды жоспарлауға болады[түсіндіру қажет ] NIAC зерттеуінің аяғында (қыркүйек 2014 ж.) дейін қажетті балқыту отыны (дейтерий).[21]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Бонометти, Джозеф А .; П. Джефф Мортон. «Сыртқы импульсті плазманың қозғалуы (EPPP) анализінің жетілуі» (PDF). Nasa Marshall ғарыштық ұшу орталығы. Алынған 24 желтоқсан, 2008.
  2. ^ «Орион жобасы». Орион туралы әңгіме. 2008–2009.
  3. ^ Жалпы динамика Корпорация (1964 ж. Қаңтар). «Ядролық импульсті көлік құралдарын зерттеудің қысқаша мазмұны (General Dynamics Corp.)» (PDF). АҚШ-тың Сауда министрлігі Ұлттық техникалық ақпарат қызметі. Алынған 24 желтоқсан, 2008.
  4. ^ Дайсон, Джордж. Орион жобасы - атомдық ғарыш кемесі 1957–1965 жж. Пингвин. ISBN  0-14-027732-3
  5. ^ Хейс; т.б. (1 қазан 2006). «Авторлардың жауабы». Британдық радиология журналы. 79 (946): 855–857. дои:10.1259 / bjr / 52126615. Алынған 27 наурыз 2008.
  6. ^ Ауренго; т.б. (30 наурыз 2005). «Ионды сәулеленудің төмен дозаларының канцерогенді әсерінің дозалық әсерлілігі және бағасы» (PDF). Ғылым академиясы және ұлттық академия академиясы. Архивтелген түпнұсқа (PDF) 2011 жылғы 25 шілдеде. Алынған 27 наурыз 2008. Журналға сілтеме жасау қажет | журнал = (Көмектесіңдер)
  7. ^ Solem, J. C. (1994). «Жермен соқтығысу кезінде объектілерді ауытқытатын ядролық жарылғыш қозғағыш.» Ғарыштық аппараттар мен ракеталар журналы. 31 (4): 707–709. Бибкод:1994JSpRo..31..707S. дои:10.2514/3.26501.
  8. ^ Гилстер, Пол (2004). Centauri Dreams: жұлдызаралық барлауды елестету және жоспарлау. Copernicus Books, Atlanta Book Company. б. 86. ISBN  978-0387004365.
  9. ^ Solem, J. C. (қаңтар 1993). «Медуза: Планетааралық саяхатқа арналған ядролық жарылғыш қозғалыс». Британдық планетааралық қоғам журналы. 46 (1): 21–26. Бибкод:1993 JBIS ... 46R..21S. ISSN  0007-084X.
  10. ^ Solem, J. C. (маусым 1994). «Планетааралық саяхатқа арналған ядролық жарылғыш қозғалтқыш: кеңейту Медуза жоғары нақты импульске арналған тұжырымдама ». Британдық планетааралық қоғам журналы. 47 (6): 229–238. Бибкод:1994 JBIS ... 47..229S. ISSN  0007-084X.
  11. ^ Solem, J. C. (2000). «Ай мен Медуза: Ай активтерін ядролық-импульстік қозғалмалы ғарыштық сапарларда пайдалану». Британдық планетааралық қоғам журналы. 53 (1): 362–370. Бибкод:2000JBIS ... 53..362S.
  12. ^ British Broadcasting Corp. (BBC). (2003). «Марсқа бомбамен: Орион жобасының құпия тарихы», деректі фильм.
  13. ^ Стивенс, Ник. (2014). «Медуза - дамыған ядролық импульс кемесі », фильм.
  14. ^ Билс, Кит А .; т.б. «Альфа Кентавриге арналған ұшқышсыз зонд жобасы» (PDF). НАСА. Алынған 14 наурыз, 2011.
  15. ^ а б c г. Слоу, Джон; Панчотти, Энтони; Киртли, Дэвид; Пилл, Кристофер; Пфафф, Майкл (30 қыркүйек, 2012). «Балқу энергиясын тікелей түрлендіру арқылы ядролық қозғалыс: термоядролық зымыран» (PDF). НАСА. 1-31 бет.
  16. ^ «2011 жылғы NIAC І кезеңді таңдау».
  17. ^ «Фузиялы плазмоидтарды индуктивті басқарылатын лайнерлік сығуға негізделген ядролық қозғалыс». Slough, J., Kirtley, D., AIAA аэроғарыштық ғылымдар конференциясы, 2011 ж.http://msnwllc.com/Papers/FDR_AIAA_2011.pdf
  18. ^ Миссияның дизайны сәулеленуге арналған ракетаға арналған сәулет. Панчотти, А., Слоу, Дж. Киртли, Д. және т.б. AIAA бірлескен қозғау конференциясы (2012).http://msnwllc.com/Papers/FDR_JPC_2012.pdf
  19. ^ Бойль, Алан (5 сәуір, 2013). «Ғалымдар зертханада ракеталық синтездеу технологиясын дамытып, Марсты көздейді». NBC жаңалықтары.
  20. ^ Диеп, Фрэнси (2013-04-08). «Fusion Rocket 30 күнде адамдарды Марсқа атып тастайды». Ғылыми-көпшілік. Алынған 2013-04-12.
  21. ^ Фьюжнмен басқарылатын зымыран. Slough, J., Pancotti, A., Kirtley, D., Pfaff, M., Pihl, C., Votroubek, G., NASA NIAC (II кезең) симпозиумы (қараша, 2012).http://www.msnwllc.com/Papers/NIAC_PhaseII_FDR.pdf

Сыртқы сілтемелер