fonzeppelin (fonzeppelin) wrote,
fonzeppelin
fonzeppelin

Categories:

Магнитно-инерциальная термоядерная ракета НАСА



Термоядерная ракета, использующая энергию реакции термоядерного синтеза является "священным Граалем" теоретиков космонавтики. Из доступных нам источников и способов хранения энергии (не считая сугубо теоретических, вроде антиматерии), термоядерная реакция является наиболее эффективным.

На данный момент существуют два принципиальных способа воспламенить термоядерную реакцию в ракетном двигателе:

* При магнитном обжатии, мощные магнитные поля используются чтобы сжать топливный плазмоид и повысить давление и температуру в нем до порогового уровня.

* При инерциальном обжатии, кольцевая батарея лазеров (или ускорителей частиц) облучает капсулу топлива сверхкоротким импульсом с разных сторон. Верхние слои оболочки капсулы взрывоподобно испаряются. Одновременный импульс со всех сторон создает в термоядерном топливе имплозивную ударную волну, которая и сжимает топливо до порогового уровня.

Оба метода в приложении как к производству энергии, так и к движению в Космосе имеют множество вполне представимых недостатков:

1) Во-первых, оба метода просто неэффективны. Магнитное обжатие требует огромной мощности (и массы) электромагнитов - и его эффективность обратно пропорциональна температуре плазмы. Чем горячее плазма, тем труднее становится ее удержать в магнитной ловушке. Как шутят физики, "на каждый придуманный людьми способ удержать плазму в магнитной ловушке, плазма придумывает два способа из нее выкрутится." Динамика высокотемпературной плазмы до сих пор остается в очень значительной степени теорией, со множеством неизвестных.

У инерциального обжатия, главной проблемой (помимо огромной потребной мощности и сложной синхронизации лазеров/ускорителей) является невысокая эффективность использования топлива. Имплозионная ударная волна стремится сжать плазму до начала термоядерной реакции, но с началом таковой, выделяющаяся энергия стремится расширить плазму и разбросать непрореагировавшее топливо. В итоге, разумеется, термоядерная реакция побеждает инерцию, и вопрос лишь в том, какая часть топлива успевает прореагировать.

2) Во-вторых, оба метода не дают ясного ответа - как передать энергию реакции рабочему телу нашей термоядерной ракеты? Сама по себе масса термоядерного топлива очень мала; даже при огромной выделяемой энергии, выбрасываемая из сопла реактивная масса будет ничтожна, и, как следствие - ничтожной будет и тяга. Мы не можем просто окружить топливную капсулу рабочим телом - это помешает самому процессу обжатия.

3) В-третьих, термоядерная реакция сопровождается выделением нейтронов и заряженных частиц, которые отнюдь не идут на пользу стенкам реакционной камеры. Нейтроны вдобавок еще и создают большие проблемы экипажу и оборудованию корабля.

Доктор Джон Слоу (англ. John Slough) и его коллеги нашли изящное и в то же время совершенно неординарное решение: использовать для обжатия плазмы металлическую оболочку. Да, просто скорлупу из металла, сжимающуюся вокруг плазмоида и сдавливающую его до начала термоядерной реакции. Поскольку для сжатия металлической оболочки используются магнитные поля, то этот метод назвали магнитно-инерциальным.

Как это работает:



- Облачко дейтериевой плазмы (двигатель работает на реакции D-D) формируется магнитной катушкой и впрыскивается в реакторную камеру.

- Одновременно с ней, в реакторную камеру вводится "лейнер" - тонкое кольцо из литиевой фольги (возможны и другие материалы), диаметром около 40-50 сантиметров и массой около 0,3-0,5 кг.

- Когда плазмоид оказывается в центре лейнера, мощные электромагниты по краям реакторной камеры за доли секунды сплющивают лейнер в сплошной комок - так, что скорость сжатия лейнера превышает три километра в секунду.

- Сжимающаяся с чудовищной скоростью (и соответствующей кинетической энергией!) масса металла сдавливает плазменное облачко. Давление и температура при этом достигают необходимого уровня, для розжига термоядерной реакции D-D.

- Дейтериевая плазма "вспыхивает". Огромная инерция сжимающейся литиевой оболочки гарантирует, что достаточное количество топлива прореагирует. Вспышка мгновенно испаряет лейнер, и поток горячей литиевой плазмы выбрасывается через магнитное сопло, создавая реактивную тягу. Затем цикл повторяется.



Схема реакторной камеры и магнитного сопла с системой подачи и обжатия лейнеров.


Данная система выглядит хотя и контринтуитивно, но обладает целым рядом несомненных преимуществ, по сравнению с традиционными подходами к импульсным термоядерным ракетам. Конкретнее:

1) Обжатие плазмы "физической" металлической оболочкой гораздо эффективнее, чем магнитными полями или лазерными импульсами. Сжимающаяся со скоростью 3 км/с литиевая оболочка гораздо плотнее, чем магнитное поле, и обладает несравнимо большей инерцией, чем созданная лазерным облучением волна сжатия. Энергия тратится только на "сплющивание" самой оболочки, что дает солидную экономию как в потреблении так и в массе аппаратуры. Сравнительно небольшой ядерный реактор или комплекс солнечных батарей могут обеспечивать двигатель электричеством.

2) Проблема передачи энергии реакции - рабочему телу, решается автоматически. Рабочее тело (литий) находится в непрерывном контакте с областью реакции, и воспринимает практически всю энергию таковой. Таким образом, термоядерная ракета выбрасывает достаточно массивную литиевую плазму в качестве рабочего тела, и обеспечивает весьма хорошую тягу.

3) Кроме того - литиевая оболочка поглощает большую часть заряженных частиц и ионизирующего излучения, тем самым предотвращая повреждение стенок камеры (распространенная проблема термоядерных реакторов на D-D!) и существенно снижая радиационную опасность для экипажа.

4) Наконец, так как система "открытая", то литий является и основным хладагентом, поглощая и отводя большую часть выделяющегося тепла. Двигателю магнитно-импульсной ракеты не нужны гигантские радиаторы, чтобы не расплавиться.

При замене магнитного сопла на магнитногидродинамический генератор (MHD), преобразующий кинетическую и тепловую энергию горячей плазмы в электрическую - путем торможения плазмы в системе магнитных полей - двигатель может быть также использован как электрический генератор корабля.

Команда доктора Слоу разработала две принципиальные модели двигателя - "низкооборотную" (анг. Low Gear) и "высокооборотную" (англ. High Gear). Принципиальная разница в том, что "низкооборотный" двигатель использует исключительно существующие на данный момент и доступные технологии, и не требует значимых дополнительных исследований. "Высокооборотный" же двигатель несколько более "перспективный", и нуждается в дополнительных исследованиях в ряде ключевых областей:



Согласно расчетам команды доктора Слоу, корабль с "низкооборотным" двигателем при общей массе в 90 тонн (из них 58,5 тонн полезной нагрузки) сможет совершить полет до Марса за 90 дней, при этом сохраняя достаточный запас топлива и рабочего тела для экстренного прерывания миссии и "прямого" возвращения к Земле вне зависимости от положения планет. В свою очередь, корабль с "высокооборотным" двигателем, при общей массе в 153 тонны (из них только 55 тонн полезной нагрузки), сможет совершить тот же перелет всего за 30 дней.

На данный момент, магнитно-инерциальная ракета является наиболее перспективным из тех термоядерных двигателей, которые человечество в состоянии создать. Хотя ее скорость истечения и удельный импульс не так уж и велики (по меркам термоядерных двигателей), магнитно-инерциальная ракета компенсирует это сравнительно высокой тягой и простотой конструкции. Для перемещений в пределах Солнечной Системы, этот двигатель более чем перспективен - как и для перемещения крупных масс в системе Земля-Луна.
Tags: Марс, Наука, астрономические открытия, космонавтика, технология
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 49 comments