Avaruusalusten ydinmoottorit. Räjähdysmoottori - Venäjän moottorirakennuksen tulevaisuus

Ihmiskunta on aina pyrkinyt tähtiin, mutta vasta 1900-luvulla, tieteen ja tekniikan kehittyessä, se pystyi saavuttamaan ilmattoman tilan. Painovoiman voittaminen on vaikeaa, ja tavoitteen saavuttamiseksi oli tarpeen keksiä jotain erityistä. Rakettimoottoreita käytettiin sellaisenaan kuljetusvälineenä. Ja jos tarkastelemme sitä, mikä on nyt ja mitä saattaa näkyä lähitulevaisuudessa, niin mitä syvän avaruuden näkymiä ihmiskunnalla on?

Mikä on rakettimoottori ja mitä tyyppejä siellä on?

Rakettimoottori ymmärretään mekanismina, jossa työskentelyneste ja toiminnan energialähde sijaitsevat itse ajoneuvossa. Se on ainoa tapa käynnistää hyötykuormat maapallon kiertoradalle, ja se voi toimia myös ilmattomassa avaruudessa. Pääpanos tehdään polttoaineen potentiaalienergian muuntamisesta kineettiseksi energiaksi, jota käytetään suihkuvirran muodossa. Energialähteen tyypin perusteella erotetaan kemialliset, ydin- ja sähkörakettimoottorit.

Spesifisen impulssin (tai työntövoiman) käsitettä käytetään tehokkuuden tunnusmerkkinä: liikemäärän suhde massan kulutukseen. Laskettu m / s. Mutta vaikka rakettimoottoreilla on merkittävä vauhti, se ei tarkoita, että niitä käytetään. Opit miksi näin tapahtuu lukemalla ydin- ja sähkömekanismeista.

Kemiallinen rakettimoottori

Ne perustuvat kemialliseen reaktioon, johon polttoaine ja hapetin pääsevät. Reaktion aikana palamistuotteet kuumennetaan merkittäviin lämpötiloihin, samalla kun ne laajenevat ja kiihtyvät suuttimissa moottorin poistumiseksi. Tällaisen moottorin tuottamaa lämpöä käytetään laajentamaan työstönestettä, jolla on kaasumainen muoto. Tämän tyyppisiä mekanismeja on kahta tyyppiä.

Kiinteän polttoaineen moottorit ovat rakenteeltaan yksinkertaisia, halpoja valmistaa eivätkä vaadi merkittäviä varastointi- ja valmistelukustannuksia. Tämä määrittää niiden luotettavuuden ja toivottavuuden käytön aikana. Mutta samalla tällä tyypillä on merkittävä haittapuoli - erittäin korkea polttoaineenkulutus. Se koostuu myös polttoaineen ja hapettimen seoksesta. Tehokkaampi, mutta samalla monimutkainen on nestemäisen ponneaineen rakettimoottori. Siinä polttoaine ja hapetin ovat eri säiliöissä ja annostellaan suuttimeen. Tärkeä etu on, että on mahdollista säätää syöttölaitetta ja vastaavasti avaruusaluksen nopeutta. Huolimatta siitä, että tällaisilla rakettimoottoreilla on alhainen ominaisimpulssi, niillä on voimakas työntövoima. Tämä heidän ominaisuutensa on johtanut siihen, että nyt niitä käytetään yksinomaan käytännössä.

Ydinrakettimoottori

Tämä on yksi todennäköisimmistä analogeista nykyaikaisille liikkeelle. Ydinrakettimoottorissa käyttöneste lämmitetään energiasta, joka vapautuu radioaktiivisen hajoamisen tai lämpöydinfuusion aikana. Tällaiset mekanismit mahdollistavat merkittävän spesifisen impulssin saavuttamisen. Ja niiden kokonais työntövoima on verrattavissa kemikaalimoottoreihin. Mutta kuinka monta ydinenergiamekanismia on olemassa? Yhteensä 3:

1. Radioisotooppi.
2. Ydin.
3. Lämpöydin.

Ydinrakettimoottoreiden käyttö maapallon ilmakehässä on säteilysaasteiden takia melko ongelmallista. Mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan olisi kaasufaasityyppi.

Sähköinen rakettimoottori

Tällä tyypillä on suurin kehitys- ja käyttömahdollisuus tulevaisuudessa. Sähkörakettimoottorit ovat lupaavia. Joten heidän ominaisimpulssi voi saavuttaa arvot 210 km / s. Moottoreita on 3 tyyppiä:

1. Elektroterminen.
2. Sähköstaattinen (esimerkiksi ionirakettimoottori).
3. Sähkömagneettinen.

Ominaisuus (josta voimme sanoa, että se on sekä etu että haitta) on se, että spesifisen impulssin lisääntyessä tarvitaan vähemmän polttoainetta, mutta enemmän energiaa. Tästä näkökulmasta bensiinillä toimivalla ionirakettimoottorilla on hyvät mahdollisuudet. Tällä hetkellä sitä käytetään käytännössä kiertorata-asemien ja satelliittien lentoradan korjaamiseen. Rajoitetut sähkön lähteet ulkoavaruudessa sekä ongelmat suorituskyvyssä yli 100 kilometrin korkeudessa estävät toistaiseksi niiden laajan käytön. Plasma-rakettimoottoreilla on suuret käyttömahdollisuudet, joissa käyttönesteellä on plasmatila, mutta toistaiseksi vain kokeellisessa vaiheessa.

Nykyaikaiset rakettimoottorit tekevät hyvää työtä tekniikan kiertoradalle asettamiseksi, mutta ne eivät sovi pitkälle avaruusmatkalle. Siksi tiedemiehet ovat jo yli tusinan vuoden ajan työskennelleet vaihtoehtoisten avaruusmoottoreiden luomiseksi, jotka voisivat kiihdyttää aluksia nopeuksien ennätykseen. Tarkastellaan seitsemää pääideaa tältä alueelta.

EmDrive

Jos haluat liikkua, sinun on siirryttävä pois jostakin - tätä sääntöä pidetään yhtenä fysiikan ja astronautian horjumattomista pilareista. Mistä aloittaa tarkalleen - maasta, vedestä, ilmasta tai kaasusuihkusta, kuten rakettimoottoreiden tapauksessa, ei ole niin tärkeää.

Tunnettu ajatuskokeilu: kuvittele, että astronautti meni avaruuteen, mutta kaapeli, joka yhdistää hänet avaruusalukseen, yhtäkkiä katkesi ja henkilö alkaa hitaasti lentää pois. Hänellä on vain työkalulaatikko. Mitkä ovat hänen tekonsa? Oikea vastaus: hänen on heitettävä työkalut pois aluksesta. Vauhdin pysyvyyslain mukaan henkilö heitetään pois instrumentista täsmälleen samalla voimalla kuin instrumentti ihmiseltä, joten hän siirtyy vähitellen kohti alusta. Tämä on suihkumoottori - ainoa mahdollinen tapa liikkua tyhjässä tilassa. Totta, kuten kokeilut osoittavat, EmDriveellä on joitain mahdollisuuksia kumota tämä horjumaton väite.

Tämän moottorin luoja on brittiläinen insinööri Roger Shaer, joka perusti oman yrityksen Satellite Propulsion Research vuonna 2001. EmDriven muotoilu on melko ylellinen ja muodoltaan metallinen ämpäri, joka on suljettu molemmista päistään. Tämän kauhan sisällä on magnetroni, joka lähettää sähkömagneettisia aaltoja - sama kuin tavallisessa mikroaaltouunissa. Ja se osoittautuu riittäväksi hyvin pienen, mutta varsin havaittavan työntövoiman luomiseksi.

Kirjoittaja itse selittää moottorinsa toiminnan sähkömagneettisen säteilyn paine-eron avulla "kauhan" eri päissä - kapeassa päässä se on pienempi kuin leveässä. Tämä luo työntövoiman kohti kapeaa päätä. Tällaisen moottorin toiminnan mahdollisuutta on haastettu useammin kuin kerran, mutta kaikissa kokeissa Shaer-asennus osoittaa työntövoiman läsnäollessa aiottuun suuntaan.

Shaerin ämpäriä kokeilleet kokeilijat ovat NASA, Dresdenin teknillinen yliopisto ja Kiinan tiedeakatemia. Keksintöä testattiin erilaisissa olosuhteissa, mukaan lukien tyhjiössä, jossa se osoitti 20 mikrotonnin työntövoiman läsnäolon.

Tämä on hyvin vähän verrattuna kemiallisiin suihkumoottoreihin. Mutta kun otetaan huomioon, että Shaerin moottori voi toimia niin kauan kuin haluat, koska se ei tarvitse polttoainetta (aurinkoparistot voivat tarjota magnetronin toimimaan), se pystyy mahdollisesti kiihdyttämään avaruusaluksia valtaviin nopeuksiin mitattuna prosenttiosuus valon nopeudesta.

Moottorin suorituskyvyn täydelliseksi todistamiseksi on tarpeen suorittaa paljon enemmän mittauksia ja päästä eroon sivuvaikutuksista, joita voivat syntyä esimerkiksi ulkoisilla magneettikentillä. Shaer-moottorin epänormaalille työntövoimalle on kuitenkin jo esitetty vaihtoehtoisia mahdollisia selityksiä, mikä yleensä rikkoo tavanomaisia \u200b\u200bfysiikan lakeja.

Esimerkiksi esitetään versioita, joiden mukaan moottori voi luoda työntövoiman, koska se on vuorovaikutuksessa fyysisen tyhjiön kanssa, jolla kvanttitasolla on nollasta poikkeava energia ja joka on täynnä jatkuvasti nousevia ja katoavia virtuaalisia alkeishiukkasia. Kuka on oikeassa lopulta - tämän teorian kirjoittajat, itse Shaer tai muut skeptikot, saamme selville lähitulevaisuudessa.

Aurinkopurje

Kuten edellä mainittiin, sähkömagneettinen säteily aiheuttaa painetta. Tämä tarkoittaa, että teoriassa se voidaan muuntaa liikkeeksi - esimerkiksi purjeen avulla. Aivan kuten menneiden vuosisatojen alukset tarttuivat tuuleen purjeisiinsa, tulevaisuuden avaruusalukset saisivat purjeisiinsa auringonvaloa tai muuta tähtivaloa.

Ongelmana on kuitenkin se, että kevyt paine on erittäin pieni ja pienenee, kun etäisyys lähteestä kasvaa. Siksi, jotta tällainen purje olisi tehokas, sen on oltava erittäin kevyt ja erittäin suuri. Ja tämä lisää koko rakenteen tuhoutumisriskiä, \u200b\u200bkun se kohtaa asteroidin tai muun kohteen.

Yrityksiä rakentaa ja laukaista aurinkopurjealuksia avaruuteen on jo tehty - vuonna 1993 Venäjä testasi aurinkopurjeen Progress-avaruusaluksella, ja vuonna 2010 Japani suoritti onnistuneita testejä matkalla Venukseen. Mutta yksikään alus ei ole koskaan käyttänyt purjetta ensisijaisena kiihdytyslähteenään. Toinen projekti, sähköpurje, näyttää tältä osin jonkin verran lupaavammalta.

Sähköinen purje

Aurinko säteilee paitsi fotoneja myös sähköisesti varautuneita ainehiukkasia: elektroneja, protoneja ja ioneja. Ne kaikki muodostavat niin sanotun aurinkotuulen, joka kuljettaa auringon pinnalta noin miljoona tonnia ainetta sekunnissa.

Auringontuuli leviää miljardeja kilometrejä ja on vastuussa joistakin planeetan luonnonilmiöistä: geomagneettisista myrskyistä ja revontulista. Maata suojaa aurinkotuuli omalla magneettikentällään.

Auringon tuuli, kuten tuulituuli, on varsin sopiva matkalle, sinun tarvitsee vain saada se puhaltamaan purjeisiin. Suomalaisen tutkijan Pekka Janhusen vuonna 2006 luomalla sähköpurjehduksella on ulkoisesti vähän yhteistä aurinkopaneelin kanssa. Tämä moottori koostuu useista pitkistä, ohuista kaapeleista, jotka ovat samanlaisia \u200b\u200bkuin vanteettoman pyörän pinnat.

Kiitos elektronisuihkun, joka säteilee kulkusuuntaa vastaan, nämä kaapelit saavat positiivisen varautuneen potentiaalin. Koska elektronin massa on noin 1800 kertaa pienempi kuin protonin massa, elektronien luomalla työntövoimalla ei ole perustekijää. Aurinkotuulen elektronit eivät ole tärkeitä tällaiselle purjeelle. Mutta positiivisesti varautuneet hiukkaset - protonit ja alfasäteily - hylkivät köydet, mikä luo suihkupainetta.

Vaikka tämä työntövoima on noin 200 kertaa pienempi kuin aurinkopurjeen, Euroopan avaruusjärjestö on kiinnostunut. Tosiasia on, että sähköpurje on paljon helpompi suunnitella, valmistaa, ottaa käyttöön ja käyttää avaruudessa. Lisäksi painovoiman avulla purje antaa sinun myös matkustaa tähtituulen lähteelle eikä vain poispäin siitä. Ja koska tällaisen purjeen pinta-ala on paljon pienempi kuin aurinkopurjeen pinta-ala, se on paljon vähemmän herkkä asteroideille ja avaruusjätteille. Ehkä näemme ensimmäiset kokeelliset alukset sähköpurjeessa lähivuosina.

Ionimoottori

Varattujen ainehiukkasten, toisin sanoen ionien, virtaus ei lähetä vain tähtiä. Ionisoitua kaasua voidaan myös luoda keinotekoisesti. Normaalisti kaasupartikkelit ovat sähköisesti neutraaleja, mutta kun sen atomit tai molekyylit menettävät elektroneja, ne muuttuvat ioneiksi. Kokonaismassa massassaan sellaisella kaasulla ei vieläkään ole sähkövarausta, mutta sen yksittäiset hiukkaset latautuvat, mikä tarkoittaa, että ne voivat liikkua magneettikentässä.

Ionimoottorissa inertti kaasu (yleensä ksenoni) ionisoidaan suurenergisten elektronien virralla. Ne koputtavat elektroneja atomista ja saavat positiivisen varauksen. Lisäksi syntyneet ionit kiihdytetään sähköstaattisessa kentässä luokkaa 200 km / s oleviin nopeuksiin, mikä on 50 kertaa suurempi kuin kemiallisten suihkumoottoreiden kaasuvirtauksen nopeus. Kuitenkin nykyaikaisilla ionipotkurilla on hyvin pieni työntövoima - noin 50-100 mikäwtons. Tällainen moottori ei edes pystyisi liikkumaan pöydältä. Mutta hänellä on vakava plus.

Suuri ominaisimpulssi voi vähentää merkittävästi moottorin polttoaineenkulutusta. Aurinkoparistoista saatavaa energiaa käytetään kaasun ionisoimiseksi, joten ionimoottori pystyy toimimaan hyvin pitkään - jopa kolme vuotta keskeytyksettä. Tällaisen ajanjakson aikana hänellä on aikaa kiihdyttää avaruusalus sellaisiin nopeuksiin, joista kemialliset moottorit eivät ole koskaan haaveillut.

Ionimoottorit ovat toistuvasti kyntäneet aurinkokunnan valtavuutta osana erilaisia \u200b\u200btehtäviä, mutta yleensä apu- eikä päätehtäviä. Nykyään plasmamoottoreista keskustellaan yhä enemmän mahdollisina vaihtoehdoina ionimoottoreille.

Plasma moottori

Jos atomien ionisaatioaste nousee korkeaksi (noin 99%), niin tällaista aineen aggregaatiotilaa kutsutaan plasmaksi. Plasmatila voidaan saavuttaa vain korkeissa lämpötiloissa, joten ionisoitu kaasu kuumenee plasmamoottoreissa jopa miljoonaan asteeseen. Lämmitys tapahtuu ulkoisella energialähteellä - aurinkopaneeleilla tai, realistisemmin, pienellä ydinreaktorilla.

Kuuma plasma työnnetään sitten rakettisuuttimen läpi, jolloin syntyy kymmeniä kertoja suurempi painovoima kuin ionipotkurilla. Yksi esimerkki plasmamoottorista on VASIMR-projekti, jota on kehitetty viime vuosisadan 70-luvulta lähtien. Toisin kuin ionipotkurit, plasmapotkuria ei ole vielä testattu avaruudessa, mutta niihin on kiinnitetty suuria toiveita. VASIMR-plasmamoottori on yksi tärkeimmistä ehdokkaista miehitetyille Mars-lennoille.

Lämpöydinmoottori

Ihmiset ovat yrittäneet kesyttää lämpöydinfuusionergiaa 1900-luvun puolivälistä lähtien, mutta toistaiseksi he eivät ole pystyneet tekemään sitä. Hallittu lämpöydinfuusio on kuitenkin edelleen erittäin houkutteleva, koska se on valtavan energialähde, joka saadaan erittäin halpasta polttoaineesta - heliumin ja vedyn isotoopeista.

Tällä hetkellä fuusiovoimaa käyttävän suihkumoottorin suunnittelussa on useita hankkeita. Lupaavimpia niistä pidetään mallina, joka perustuu reaktoriin, jossa on magneettinen plasma. Tällaisen moottorin lämpöydinreaktori on vuotava sylinterimäinen kammio, jonka pituus on 100-300 metriä ja halkaisija 1-3 metriä. Kammioon on toimitettava polttoainetta korkean lämpötilan plasman muodossa, joka riittävässä paineessa siirtyy ydinfuusioreaktioon. Kammion ympärillä olevien magneettisen järjestelmän kelojen tulisi estää plasmaa koskemasta laitteistoon.

Lämpöydinreaktiovyöhyke sijaitsee tällaisen sylinterin akselia pitkin. Magneettikenttiä käytettäessä erittäin kuuma plasma virtaa reaktorisuuttimen läpi ja luo valtavan työntövoiman, monta kertaa suuremman kuin kemiallisten moottoreiden.

Antiaineen moottori

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu fermioneista - alkupartikkeleista, joiden pyörimisnopeus on puoli kokonaisluku. Nämä ovat esimerkiksi kvarkit, jotka muodostavat protoneja ja neutroneja atomituumissa, samoin kuin elektronit. Lisäksi jokaisella fermionilla on oma antihiukkanen. Elektronille tämä on positroni, kvarkille - antikarkki.

Antihiukkasilla on sama massa ja sama spin kuin tavallisilla "toverillaan", jotka eroavat kaikkien muiden kvanttiparametrien merkistä. Teoriassa antihiukkaset pystyvät muodostamaan antiaineen, mutta toistaiseksi antiainetta ei ole rekisteröity missään maailmankaikkeudessa. Perustieteen kannalta iso kysymys on, miksi sitä ei ole olemassa.

Mutta laboratorio-olosuhteissa voit saada antimateriaa. Esimerkiksi hiljattain tehtiin koe, jossa verrattiin magneettilukkoihin varastoituneiden protonien ja antiprotonien ominaisuuksia.

Kun antiaine ja tavallinen aine kohtaavat, tapahtuu keskinäinen tuhoamisprosessi, johon liittyy valtavan energian puhkeaminen. Joten, jos otamme kilogramman ainetta ja antimateriaa, niiden kohdatessa vapautuva energiamäärä on verrattavissa tsaaripommin räjähdykseen - voimakkaimpaan vetypommiin ihmiskunnan historiassa.

Lisäksi merkittävä osa energiasta vapautuu sähkömagneettisen säteilyn fotonien muodossa. Vastaavasti halutaan käyttää tätä energiaa avaruusmatkoihin luomalla aurinkopurjeen kaltainen fotonimoottori, vain tässä tapauksessa valon synnyttää sisäinen lähde.

Mutta säteilyn käyttämiseksi tehokkaasti suihkumoottorissa on välttämätöntä ratkaista "peilin" luomisen ongelma, joka pystyy heijastamaan näitä fotoneja. Loppujen lopuksi aluksen täytyy jotenkin työntää pois työntövoiman aikaansaamiseksi.

Mikään moderni materiaali ei yksinkertaisesti kestä tällaisen räjähdyksen yhteydessä syntynyttä säteilyä ja haihtuu välittömästi. Strugatskyn veljet ratkaisivat tämän ongelman luomalla "absoluuttisen heijastimen". Todellisessa elämässä mitään vastaavaa ei ole vielä tehty. Tämä tehtävä, samoin kuin kysymykset suuren määrän antiaineiden luomisesta ja pitkäaikaisesta varastoinnista, ovat tulevaisuuden fysiikan asia.

JOHDANTO

Kaksi ja puoli vuosikymmentä erottaa meidät 4. lokakuuta 1957, jonka oli tarkoitus jakaa ihmiskunnan historia kahteen aikakauteen: esikosmiseen ja kosmiseen. Tänä aikana syntyi ja kasvoi sukupolvi, joka hankkii ensisijaisen tiedon avaruudesta ei Jules Vernen romaanista, vaan lennätinvirastojen, TV-raporttien ja uutislähetysten lähes päivittäisistä viesteistä. Nykyään sadat tuhannet laboratorioissa, tutkimuskeskuksissa, suunnittelutoimistoissa, tehtaissa ja tehtaissa työskentelevät ihmiset "harjoittavat" avaruudessa nykyään jossain määrin. Se on pitkään lakannut olemasta sensaatio, mutta siitä on tullut hyvin tarpeellista. Miehistöajoneuvot, avaruusviestintä, meteorologiset satelliitit ja navigointijärjestelmät määrittelevät pitkälti aikamme kasvot.

Samanaikaisesti avaruuden teitä kutsutaan jyrkästi. Niitä ei tapahdu niinkään kuin haluaisimme. Viimeisen kahden ja puolen vuosikymmenen aikana ajatukset avaruustutkimuksen ensisijaisista tehtävistä ovat muuttuneet radikaalisti. Lähes ilmeinen paitsi harrastajille,e, myös asiantuntijoille, kosmonautiikan "pää" kehityslinja "Kuu - Mars - edelleen kaikkialla" on muuttunut merkittävästi ottaen huomioon yhteiskunnan tarpeet ja kyvyt. Useat projektit, kuten esimerkiksi miehitetty lento Marsille, olivat teknisesti toteuttamiskelpoisten partaalla avaruustekniikan nykyisellä kehitystasolla ja samalla ylittivät näihin tarkoituksiin taloudellisesti hyväksyttävät kustannukset.

Pelkästään "pääpolun" kieltäytyminen osoittaa, että avaruudesta ja avaruusteollisuudesta on tullut erittäin merkittävä paitsi emotionaalinen ja poliittinen myös taloudellinen tekijä. Lisäkustannusten nousu on perusteltua vain, jos sijoituksen tuoton voidaan odottaa kattavan merkittävän osan investoinnista. Vaatimus avaruusohjelmien taloudellisesta korvaamisesta tässä uudessa vaiheessa määrää suurelta osin koko kosmonautian kehityspolun.

Tässä esitteessä yritetään kuvitella huomisen mahdollisia tapoja kehittää avaruuden käyttövoimajärjestelmiä. Luonnollisesti niin monimutkaisessa ja vaikeassa asiassa kuin avaruusajoneuvojen luominen, saman ongelman ratkaisemiseksi on aina lukuisia vaihtoehtoja. Lisäksi teknisten ideoiden ja mahdollisuuksien valikoima kasvaa jatkuvasti, ja monet uudet voivat olla jollakin tavalla parempia kuin nykyään tunnetut. Siksi ne lukijat, jotka haluavat saada selkeän vastauksen kysymykseen, millaisilla moottoreilla avaruusalus varustetaan esimerkiksi 30–50 vuoden kuluttua, voivat olla pettyneitä. Esite ei sisällä yksiselitteistä vastausta tähän kysymykseen, ja se on tuskin mahdollista ollenkaan. Siinä tarkastellaan useita perinteisiä ja uusia ideoita ja hankkeita avaruusmoottoreiden alalla, niiden valmiuksia ja niiden tehtävien noudattamista, joista nykypäivän näkemysten mukaan tulee kaikkein tärkeimpiä lähitulevaisuudessa.

Avaruuden käyttövoimanäkymien kannalta avaruustekniikan kehityksen pääsuunnat voidaan ehdollisesti jakaa neljään ryhmään.

1. Suurten rahtivirtojen (kymmeniä ja satoja tuhansia tonneja vuodessa) järjestäminen maapallon pinnalta matalille kiertoradoille. Tällä hetkellä nämä rahtivirrat ovat noin 10 kertaa pienemmät. Tavaraliikenteen merkittävä kasvu on välttämätöntä sekä pohjimmiltaan uusien ongelmien ratkaisemiseksi (erityisesti avaruusteknologisten tuotantolaitosten ja energiajärjestelmien luomiseksi) että tutkimuksen jatkumisen takaamiseksi avaruudessa.

2. Suurten lastien kuljetus matalilta kiertoradoilta korkeille ja päinvastoin, samanlaisten lastien kuljettaminen matalalta maalta kiertoradalta Kuuhun. Useimmissa tehtävissä avaruusaluksen laukaisu vertailuradalle on välivaihe. Viestintäsatelliittien, edellä mainittujen voimajärjestelmien ja monien muiden avaruusalusten on sijaittava korkeilla kiertoradoilla. Siksi on olemassa kasvava tarve taloudellisille keinoille interbitaalilennoille.

3. Nopeat planeettojen väliset lennot.

4. Avaruusaluksen luominen aurinkokunnan ulkopuolisille lennoille, viemällä avaruusalus lähimpiin tähtiin.

Järjestelmää varten esitteessä tarkastellut avaruusmoottorit jaetaan tavanomaisesti kolmeen ryhmään: 1) itsenäiset, jolle on tunnusomaista se, että energialähde ja työneste ovat aluksella; 2) moottorijärjestelmät ulkoisilla energialähteillä ja 3) moottorijärjestelmät, jotka käyttävät ulkoisia massalähteitä työaineena.

Ensimmäiseen ryhmään kuuluvat nestemäiset ja muut kemialliset rakettimoottorit, ydin- ja lämpöydinmoottorit, toiseen avaruusmoottorit, jotka käyttävät avaruusaluksen ulkopuolella sijaitsevien lasereiden tai mikroaaltogeneraattoreiden energiaa työnesteen kiihdyttämiseen, sekä moottorit, jotka käyttävät Aurinko muodossa tai toisessa .... Lopuksi, kolmas ryhmä sisältää moottorit, joissa ilmakehää, planeettojen välistä väliainetta, planeettakiviä ja asteroideja käytetään työvälineenä.

AUTONOMISET MOOTTORIJÄRJESTELMÄT

Itsenäisten propulsiojärjestelmien mahdollisuudet. Rakettimoottorin roolina on muuntaa jonkinlainen energiamuoto raketin kineettiseksi energiaksi. Tunnetun suihkumoottoriperiaatteen mukaisesti tämä muutos voidaan toteuttaa poistamalla apumassa, ts. Antamalla tietty nopeus moottorin työaineelle. Siksi kaikkiin käyttövoimajärjestelmiin on sisällyttävä energialähde, hävitetyn massan lähde (moottorin työkappale) ja itse moottori - laite, jossa lähteen energia muunnetaan työkappaleen kineettiseksi energiaksi.

Joissakin moottorirakenteissa energialähde ja käyttöneste voidaan yhdistää. Esimerkiksi nestemäisiä polttoaineita käyttävissä rakettimoottoreissa (LRE) energiaa vapautuu käyttönesteen komponenttien kemiallisen reaktion vuoksi. Jos energialähde ja käyttöneste sijaitsevat raketin aluksella, tällaisia \u200b\u200btyöntövoimajärjestelmiä kutsutaan itsenäisiksi.

Energiansäästölaista seuraa, että raketin aluksen vähimmäisvaraston on oltava yhtä suuri kuin hyötykuorman kineettisen energian summa ja painovoiman ja ilmanvastuksen voittamiseen käytetty työ, kun raketti laukaistaan Maanpinta. Esimerkiksi 1 kg: n massan laukaisun kustannukset, kun keinotekoinen satelliitti laukaistaan \u200b\u200bkiertoradalle, jonka korkeus on 300 km, on 4,5 · 10 7 J.

Koska energialähteen kiihtyvyys vaatii myös työvoimakustannuksia, on toivottavaa käyttää sellaisia \u200b\u200blähteitä, joiden energian vapautuminen olisi suurin massayksikköä kohti. Energiaa voidaan varastoida monin eri tavoin - mekaanisena, sähköisenä, magneettisena, kemiallisena, ydinvoiman muodossa. Energialähteillä, jotka käyttävät kemiallisia ja ydinreaktioita, on parhaat ominaisuudet.

Erityiset energiat tällä hetkellä käytetyille reaktioille ja lupaavat reaktiot on annettu taulukossa. yksi.

pöytä 1

Eri tyyppisten rakettimoottoreiden energialähteiden parametrit

Tästä voidaan päätellä, että maapallon satelliitin, jonka massa on 1 kg, kiertäminen kiertoradalle, näyttää siltä, \u200b\u200bettä energiaa vapautuu tarpeeksi 3,5 kg painavan happi-vety-seoksen reaktion aikana tai uraanin hajotessa -235, paino 0,5 mg. Raketin alukseen varastoidun energian täydellinen muuntaminen kineettiseksi energiakseen on kuitenkin käytännössä mahdotonta.

Ensinnäkin tämä johtuu siitä, että varastoidun energian muuntamisen tehokkuus työaineen kineettiseksi energiaksi on aina alle 100%. Osa energiasta (sähkömoottoreiden tapauksessa suurin osa) häviää turhaan avaruudessa lämpösäteilyn muodossa, kun taas toinen kulkeutuu hävitetyn massan sisäisenä energiana (lämpö, \u200b\u200bdissosiaatioenergia, jne.). Näille häviöille on tunnusomaista propulsiojärjestelmän tehokkuus.

Toiseksi hävitetyn massan kineettisen energian täysimääräinen käyttö on mahdollista vain, jos sen nopeus on päinvastainen ja yhtä suuri kuin raketin nopeus, toisin sanoen jos tämä massa pysyy paikallaan moottorista lähdön suhteen raketti. Heitetyn massan ja raketin nopeuksien absoluuttisten arvojen erojen aiheuttamille tappioille on ominaista ns. Työntöteho.

Kuvassa Kuvassa 1 on kaavio erilaisten rakettimoottoreiden energiataseesta. Suhteellisten häviöiden likimääräiset arvot annetaan nestepotkurimoottorille sekä sähkömoottorille (suluissa).

Kuva: 1. Propulsiojärjestelmän energiatase LPRE: ssä ja ERE: ssä (suluissa)

Rakettimoottorin kuluttamalla raketin massayksikön kiihdyttämisellä on nopeuden neliön ulottuvuus, joten tämän työn mittana on kätevä ottaa ominaisuusnopeus - v x. Kiihdyttäessä rakettia tyhjiössä ilman painovoimakenttiä tämä nopeus on sama kuin raketin oma nopeus. Näin ollen moottorin kiihdyttämiseen käytetty työ voidaan ilmaista sen nopeudella - ns. Virtausnopeudella v ja.

Näiden nopeuksien suhdetta vakiomaisella ulosvirtausnopeudella kuvaa Tsiolkovsky-yhtälö v x \u003d v ja ln (1 + z), missä z - Tsiolkovsky-luku, joka on yhtä suuri kuin raketissa säilytetyn työnesteen ja "tyhjän" raketin massa (mukaan lukien hyötykuorman, moottorin ja rakenteen massa) suhde.

Ominaisnopeus ilmaistaan \u200b\u200byleensä vastaavina nopeuksina, jotka johtuvat tehtävän suorittamiseen tarvittavasta energiankulutuksesta. Nämä ovat vetovoiman poistumisnopeus, kiertoradan nopeus ja lähestymisen nopeus planeetalle, jos se on lennon kohde. Esimerkiksi keinotekoisen Maan satelliitin laukaisemiseksi ominaisnopeus on 9,5 km / s, maapallon painopallon poistumiselle - 12,5, planeettojenvälisille lennoille - 30-50 km / s.

Tsiolkovsky-luku on raketin tärkein ominaisuus: tietylle hyötykuorman massalle se määrittää raketin laukaisumassan ja siksi sen mahdollisimman pieni arvo on toivottava. Tsiolkovsky-yhtälöstä seuraa, että tietyllä ominaisnopeudella Tsiolkovsky-lukua voidaan pienentää vain lisäämällä ulosvirtausnopeutta. Siksi vanhentumisnopeus on yksi moottorin pääominaisuuksista, ja sen kasvu on tärkein tehtävä rakettimoottoreiden parantamiseksi.

Yhdistettyjä energialähteitä käyttävien moottoreiden ulosvirtausnopeuden ja hävitetyn massan määrittämisen perusteella, kun käyttöneste kiihtyy sisäisen energiansa vuoksi, ulosvirtausnopeus voidaan helposti laskea tasaamalla sen sisäisen hävitetyn massan kineettinen energia kerrottu moottorin hyötysuhteella. Pöytä Kuviossa 1 on esitetty virtausnopeudet, jotka vastaavat erilaisia \u200b\u200breaktioita moottorin hyötysuhteen ollessa 100%.

Kuvassa Kuvassa 2 on kaavio ominaisnopeuden riippuvuudesta ulosvirtausnopeudesta eri Tsiolkovsky-numeroille. Tämän kaavion vertailusta taulukon tietoihin. 1, voimme päätellä, että kaikki avaruuslennon ongelmat voidaan helposti ratkaista käyttämällä uraani-235: tä rakettipolttoaineena, puhumattakaan deuteriumista ja tritiumista. Planeetoille lennolle vaadittavan ominaisnopeuden ollessa 50 km / s Tsiolkovsky-luku on uraanin fissioenergiaa vastaavalla ulosvirtausnopeudella 5,5 · 10 –3. Vaikka moottorin hyötysuhde on 1%, uraanimassan ja rakettimassan suhde on vain 0,056.

Kaikkien uraaniatomien on kuitenkin reagoitava moottorissa suunnitellun virtausnopeuden saavuttamiseksi. Koska itsekestävä ydinfissioreaktio vaatii halkeamiskelpoisen materiaalin massan, joka ei ole pienempi kuin ns. Kriittinen massa (uraanille noin 1 kg), moottoriin vapautuu valtava energia 10 13 J noin 10-6 sekuntia. Jopa osan tästä energiasta siirtyminen raketin kineettiseen energiaan niin lyhyessä ajassa vastaa erittäin suuria kiihtyvyyksiä ja siten ylikuormituksia, joita mikään rakettirakenne ei kestä. Lisäksi reaktiotuotteiden lämpötila on yli 50 miljoonaa K, ja niiden vuorovaikutus moottorin seinämien kanssa johtaa sen lämpöhäviöön.

Kuva: 2. Ominaisnopeuden riippuvuus ulosvirtausnopeudesta erilaisille Tsiolkovsky-numeroille

Viivästetyn kontrolloidun ydinreaktion tapauksessa, joka tapahtuu atomireaktoreissa, fissiofragmentit menettävät energiaa törmäyksissä reagoimattomien atomien kanssa, joiden pitoisuus on useita suuruusluokkia suurempi, ja yleensä kaikki halkeamiskelpoiset aineet saavat energiaa, joka on paljon vähemmän kuin ydinreaktion ominaisenergia. On kannattamatonta käyttää tätä energiaa itse halkeamiskelpoisen aineen ulosvirtausnopeuden luomiseen, koska liikaa energiaa menetetään reagoimattomien ytimien sisäisen energian muodossa, ja siksi moottorin hyötysuhde on liian alhainen.

Näiden rajoitusten yhteydessä ydinreaktioiden käyttö rakettimoottoreissa merkitsee ensisijaisesti energian siirtämistä raketin aluksella varastoituun neutraaliin massaan, ts. Energialähteet ja ennustettu massa erotetaan toisistaan.

On huomattava seuraava perustavanlaatuinen ero vaatimuksissa, jotka koskevat virtausnopeutta tällaisissa moottoreissa ja moottoreissa, joissa käyttöneste on samanaikaisesti energialähde. Tsiolkovsky-yhtälön kuvaama vakiomaisen ulosvirtausnopeuden lentojärjestelmä ei ole hyödyllinen työntövoimahäviöiden kannalta (työntötehokkuus on 100% vain radan siinä kohdassa, jossa ulosvirtausnopeus on yhtä suuri kuin raketin nopeus). Todellakin, kuten seuraa kuviosta. Kuten kuvassa 1 esitetään, tyypillisen jatkuvan ulosvirtausnopeuden (LRE) moottorin osalta hävitettävään massaan liittyvät kineettiset energiahäviöt muodostavat noin puolet kaikista häviöistä.

Raketin liikeyhtälöiden analyysistä seuraa kuitenkin, että moottoreille, jotka käyttävät energialähteenä työaineen sisäistä energiaa, tietyn moottorin suurimmalla mahdollisella pakokaasunopeudella Tsiolkovskin vähimmäisarvo numero annetaan ominaisnopeuden arvosta riippumatta. Toisaalta moottoreissa, joissa on erilliset energialähteet ja ennustettu massa, rakettien kiihdytystapa vakiolla pakokaasunopeudella ei ole enää optimaalinen, ja työntövoiman lisääntyminen voi parantaa merkittävästi raketin ominaisuuksia. Vanhenemisnopeuden tulisi tässä tapauksessa kasvaa suhteessa raketin nopeuteen.

Riippuvuudet, jotka kuvaavat tiettyjä ulosvirtausnopeuden arvoja, ovat melko monimutkaisia, emmekä pysy niissä. Lisäksi vaihtelevia pakokaasunopeuden moottoreita on vaikea toteuttaa käytännössä. Siksi on suositeltavaa luonnehtia moottoreita, joissa on erilliset energialähteet ja hylätty massa tietyllä keskimääräisellä pakokaasunopeudella. Raketin aluksella oleva energiavaranto (jolle on tunnusomaista esimerkiksi uraani-235: n massa) saavutetaan ulosvirtausnopeudella, joka on noin 62% ominaisnopeudesta ja Tsiolkovsky-luku on 4. Ja päinvastoin, jos aluksella oleva energiavaraus ja ominaisnopeus annetaan, niin annettu voimassaolonopeuden optimaalinen arvo vastaa raketin suurinta mahdollista hyötykuormaa.

Tästä seuraa, että moottoreissa, joissa on erilliset energialähteet ja ennustettu massa, ulosvirtausnopeus ei saisi ylittää tietyn avaruuslennon ongelman määrittämää optimaalista arvoa. Tämä kanta ei ole ristiriidassa edellä esitetyn halun kanssa lisätä virtausta uusien moottoreiden kehityksessä, koska optimaalista virtausnopeutta ei ole vielä saavutettu useimpien nykyisten moottoripiirien ongelmiin.

Joissakin tapauksissa, jopa moottoreille, jotka käyttävät työnesteen sisäistä energiaa, on edullista vähentää virtausnopeutta lisäämällä passiivista massaa. Esimerkiksi nestepotkurimoottorilla varustetun raketin, joka poistuu Kuusta, pitäisi ilmoittaa hyötykuormalle ominaisnopeus noin 2,5 km / s. Optimaalinen ulosvirtausnopeus tähän tehtävään on 1,6 km / s (0,62 v x). Rakettimoottorin ulosvirtaus on huomattavasti korkeampi, ja siksi osoittautuu edulliseksi vähentää se optimaaliseen lisäämällä kuun pöly työaineeseen (mieluiten moottorin käyttölämpötilassa haihtuviin komponentteihin), jos raketissa on tyhjät säiliöt, jotka vapautettiin laskeutumisensa aikana Kuuhun ... Tämän toiminnan seurauksena hyötykuorma voidaan lisätä rakettipolttoaineen tyypistä riippuen 20-50%.

Kuva: 3. Itsenäisten moottoreiden luokitus

Toinen tärkeä parametri, jolla rakettimoottoreita verrataan toisiinsa, on työntövoima, ts. Moottorin luoma voima rakettien kiihdyttämiseksi. Työntövoima on yhtä suuri kuin hävitetyn massan (moottorin käyttöneste) toisen virtausnopeuden tulo virtausnopeudella. Tämän parametrin mukaan ne erottavat voimakkaasti työntävät moottorit, kun työntövoima ylittää raketin painon ja se voidaan laukaista maapallon pinnalta, ja matalan työntövoiman moottorit, jotka soveltuvat vain laukaisuun satelliittiradalta.

Jakelu matalan ja suuren työntövoiman moottoreihin liittyy suoraan toiseen parametriin - moottorin ominaispainoon, joka on yhtä suuri kuin moottorin painon ja sen kehittämän työntövoiman suhde. Luonnollisesti moottorit, joiden ominaispaino on suurempi kuin yksi, tulisi luokitella matalapaineisiin moottoreihin.

Tarkastellaan nyt autonomisten moottoreiden lupaavia järjestelmiä sekä tapoja parantaa olemassa olevia järjestelmiä tarkasteltujen parametrien ja ennen kaikkea virtausnopeuden parantamisen kannalta. Huomaa kuitenkin ensin, että menetelmän mukaisesti, jolla energia muunnetaan ennustetun massan kineettiseksi energiaksi, voidaan erottaa kaksi rakettimoottorien pääluokkaa - lämpö ja sähkö (kuva 3). Lisäksi on räjähtäviä, fotoneja ja muita moottoreita.

Lämpömoottorit. Päämekanismi energian muuntamiseksi lämpömoottoreissa, kuten kaikissa lämpökoneissa (kaasuturbiinit, polttomoottorit), on aiemmin pakatun ja korkealle lämpötilaan lämmitetyn kaasun paisuminen. Tämän muunnoksen suorittava laite on suihkusuutin (poikkileikkaukseltaan vaihteleva profiloitu kanava), jonka läpi työneste virtaa ulos ulkoiseen tilaan.

Ulosvirtaus suuttimen ulostulossa on suoraan verrannollinen työnesteen lämpötilan neliöjuureen ja kääntäen verrannollinen sen molekyylipainoon. Suuttimen termodynaaminen hyötysuhde lämpönä. Koneen BATT määräytyy kaasun lämpötilan erolla suuttimen tulo- ja poistoaukossa, mikä puolestaan \u200b\u200briippuu suhteellisesta paine-erosta, ts. Riippuu kaasun laajenemisasteesta. Kaasun laajenemisen määrää rajoittaa moottorin koko ja paino, ja siksi todellisissa malleissa termodynaaminen hyötysuhde ei ylitä 60–70%.

Siksi on vain kaksi mahdollisuutta parantaa lämpörakettimoottoreiden ominaisuuksia - nostaa työnesteen lämpötilaa ja pienentää sen molekyylipainoa.

Kemiallisten moottoreiden kapasiteetin rajoittaminen. Lämpömoottoreissa, jotka käyttävät kemiallisten reaktioiden energiaa, jotka ovat nykyään yleisesti käytössä nestemäistä polttoainetta käyttävissä rakettimoottoreissa ja kiinteän polttoaineen sisältävissä rakettimoottoreissa (kiinteät polttoainetta käyttävät rakettimoottorit), työaine muodostuu polttoaineen ja hapettimen reaktion seurauksena. Työnesteen lämpötila määräytyy reaktiolämmön avulla, ja molekyylipaino määräytyy reaktiotuotteiden molekyylipainon perusteella. Annettu taulukossa. Kuviossa 1 kemialliset reaktiot antavat optimaalisen suhteen molekyylipainon ja lämpötilan välillä suurimman virtausnopeuden saavuttamiseksi.

Tällä hetkellä kemialliset rakettimoottorit ovat melkein saavuttaneet optimaalisen suorituskyvyn rajan. Optimaaliset reaktiot, joissa käytetään happea hapettimena, on hallittu jo kauan: happi-kerosiini- ja vety-happi-moottoreita on käytetty avaruustekniikassa jo vuosia. Jonkin verran suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä fluoria sisältäviä hapettimia. Mutta koska fluori on kemiallisesti erittäin aggressiivinen aine, suhteellisen pieni voima erityisessä työntövoimassa, joka voi perustella tämän kemiallisen alkuaineen käytön, ei todennäköisesti oikeuta toiminnallisia haittoja.

Radikaalin tapa parantaa kemiallisten moottoreiden suorituskykyä on käyttää vapaiden radikaalien rekombinaatioreaktioita. Vapaa radikaali on sähköisesti neutraali atomi tai atomiryhmä, jonka elektronikuoren tila on epävakaa ja jotka saadaan molekyyliyhdisteiden dissosiaation seurauksena. Esimerkiksi reaktiossa H20 -\u003e OH + H hydroksyylitähde ja atomivety ovat radikaaleja. Suurin energia on vetymolekyylin H + H -\u003e H2 muodostumisen reaktiolla (tämän reaktion ominaisenergia vastaa noin 30 km / s ulosvirtausnopeutta).

Koska vapaiden radikaalien suuri taipumus sulautua vakaaseen molekyyliin on kuitenkin mahdollista, niiden kertyminen ja varastointi on mahdollista vain lähellä 0 K: n lämpötiloja, kun kemiallisten reaktioiden nopeudet laskevat jyrkästi. Mutta jopa 0 K: n lämpötilassa on mahdollisuus niin kutsuttuihin tunnelireaktioihin. Siksi vapaita radikaaleja ei voida varastoida puhtaassa muodossa. Sen on tarkoitus jäädyttää radikaalit neutraaliksi matriisiksi (esimerkiksi sijoittaa atomivety kiinteän vedyn kideverkkoon), kun taas vapaiden radikaalien pitoisuus ei periaatteessa voi ylittää 50%.

Jopa seos, jossa on 10% atomivetyä ja 90% molekyylivetyä, mahdollistaa noin 5 km / s ulosvirtausnopeuden saavuttamisen vain 1200 K: n lämpötilassa. Yli 20 vuoden ajan tämän ongelman parissa on ollut on mahdollista saavuttaa vapaiden radikaalien pitoisuus, joka ei ylitä kymmenesosaa. Vapaiden radikaalien edut stimuloivat kuitenkin lisätutkimuksia.

Ydinlämpömoottorit. Lupaavin suunta lämpörakettimoottoreiden ominaisuuksien parantamiseksi on ydinreaktioiden energian käyttö. Kuten jo todettiin, on suositeltavaa käyttää ydinreaktioita vain järjestelmissä, joissa on erilliset energialähteet ja hävitetty massa. Ydinpolttoaine toimii tässä lämmönlähteenä, joka siirtyy työaineeseen.

Yksinkertaisimmassa ydinrakettimoottorissa, kuten ydinvoimaloiden reaktoreissa, ydin koostuu polttoaine-elementeistä, jotka ovat uraanin tai plutoniumin yhdisteitä, suljettuna kuoreen. Polttoaineen ydinvaurion seurauksena ne lämpenevät. Nestemäinen käyttöneste pumpataan ytimeen pumppujen avulla, missä se, höyrystä ottamalla lämpöä, haihtuu, sen lämpötila nousee ja sen nopeus kasvaa suihkusuuttimessa.

Työnesteen korkeinta lämpötilaa rajoittaa polttoaine-elementtien sulamislämpötila, ja ottaen huomioon vaadittu lämpötilaero (lämmönsiirtoon) ja materiaalien kemiallinen kestävyys, se ei voi ylittää 2000 K: ta. kemiallisten moottoreiden neste on 3000–3500 K, ainoa tapa lisätä virtausta kiinteällä ytimellä varustetuissa ydinmoottoreissa, verrattuna kemiallisiin moottoreihin, työaineen molekyylipaino pienenee. Vedyllä on pienin molekyylipaino (2 g / mol), jolle on mahdollista saada 8-9,5 km / s: n ulosvirtausnopeus. Tämä on kiinteän ytimen ydinlämpörakettimoottoreiden yläraja. Näitä arvoja lähellä olevat ominaisuudet saatiin Yhdysvalloissa kokeellisella ydinmoottorilla "Nerva".

Ydinmoottoreiden käyttönesteen lämpötilan lisäämiseksi on tarpeen siirtyä reaktoreihin, joissa halkeamiskelpoinen materiaali on kaasumaisessa vaiheessa. Näiden kaasufaasisten ydinreaktorien kehittämisessä syntyy kuitenkin useita ongelmia. Itse ylläpitävälle ydinreaktiolle on välttämätöntä, että ydinpolttoaineen massa, vähintään kriittinen, osallistuu reaktioon. Koska ydinpolttoaineen tiheys kaasumaisessa faasissa korkeissa lämpötiloissa on matala, vaaditaan korkeita paineita ja suuria ytimen määriä kriittisen massan saavuttamiseksi.

Toinen ratkaisematon ongelma kaasufaasireaktorien kehittämisessä on reagoimattoman ydinpolttoaineen poistaminen yhdessä työaineen kanssa, mikä vähentää huomattavasti raketin energiaominaisuuksia.

Riippuen siitä, onko käyttöneste sekoitettu ydinpolttoaineeseen vai erotettu siitä, erotetaan homogeenisten ja heterogeenisten moottoreiden kaaviot. Homogeenisten järjestelmien tärkein haittapuoli, joka asettaa kyseenalaiseksi niiden tarkoituksenmukaisuuden, on suuri uraanin poisto yhdessä työaineen kanssa - noin 100 kg / 1 tonni käyttöainetta.

Heterogeenisissä järjestelmissä ydinpolttoaineen siirtoja voidaan vähentää merkittävästi tai jopa pienentää nollaan. Reaktorin tilavuuteen syntyy voimakas magneettikenttä solenoidien avulla, joka kasvaa kohti reunoja. Tässä tapauksessa kentän kokoonpano muodostaa niin kutsutun magneettisen "pullon". Magneettisella "pullolla" on se ominaisuus, että plasmatilassa olevaa ainetta voidaan pitää siinä pitkään ilman kiinteitä seiniä. Ydinreaktioiden seurauksena uraani menee plasmatilaan ja magneettikenttä estää sitä sekoittumasta työaineeseen (vety). Jälkimmäinen virtaa magneettisen "pullon" ympärillä ydinpolttoaineella ja poistaa siitä lämpöä. Sekoittumisen välttämiseksi laminaarivirtauksen ehdon on täytyttävä. Tällöin tehokas lämmönvaihto ytimen ja työaineen välillä on mahdollista vain säteilyn avulla. Koska vety on läpinäkyvää uraaniplasman säteilylle, siihen lisätään litiumia 1-2% litiumia, joka ionisoituna absorboi voimakkaasti säteilyä. Tällaisessa kaaviossa odotetaan saavutettavan 20–30 km / s ulosvirtausnopeus, kun uraanin poisto on alle 2% työaineen virtausnopeuteen nähden.

Tutkitaan kaasufaasimoottoreiden kaavioita, joissa halkeamiskelpoista ainetta ei poisteta lainkaan. Tällaisen moottorin polttoaine-elementin kaavio on esitetty kuvassa. 4. Moottori on kaksiseinämäinen kapseli, joka on valmistettu läpinäkyvästä tulenkestävästä materiaalista (esimerkiksi leukosapphire). Kapselin sisään sijoitetaan halkeava aine, joka on kaasufaasissa käyttöolosuhteissa. Vetyä pumpataan seinien väliin niiden jäähdyttämiseksi. Koska sekä seinät että vety ovat läpinäkyviä säteilylle, vapautunut ydinenergia säteilyn muodossa sammuu, missä se lämmittää samaa vetyä, mutta lisäämällä litiumia. Reaktorin ydin kerätään tällaisista polttoaine-elementeistä.

Tämän järjestelmän toteuttamista vaikeuttaa sopivien materiaalien puute läpinäkyville seinille, jotka ovat vastustuskykyisiä kosketuksissa kaasumaisen uraanin kanssa korkeissa lämpötiloissa ja suurissa säteilyvuoissa.

Kun plasmaa pidetään magneettisessa "pullossa", on mahdollista toteuttaa lämpöydinmoottori ydinfuusioreaktion avulla. Pulssipiirejä, joita tarkastellaan vähän myöhemmin, pidetään kuitenkin lupaavampina tavina käyttää lämpöydinfuusiota.

Kuva: 4. Heterogeenisen kaasun aktiivisen vyöhykkeen solu NRE: 1 - safiiriseinät, 2 - uraaniplasma, 3 - työskentelevä neste

Sähköiset suihkumoottorit. Sähköinen suihkumoottori on laite, jolla muunnetaan raketissa oleva sähköenergia projisoidun massan kineettiseksi energiaksi. Yksinkertaisin tapa muunnos tapahtuu niin kutsutuissa lämpömoottoreissa, kun käyttöneste lämmitetään sähkövirralla ja kiihdytetään sitten suihkusuuttimessa, kuten tavanomaisissa lämpömoottoreissa.

Vaikka sähkökuumennuksella voidaan saada erittäin korkeita lämpötiloja, ovat edullisempia moottorit, joissa on työaineen sähkömagneettinen kiihtyvyys. Tällaisissa moottoreissa sähkömagneettisen kentän energia muunnetaan kineettiseksi energiaksi, ja siksi niissä on termodynaamisia rajoituksia virtausnopeuden arvolle ja energianmuunnoksen hyötysuhteelle.

Työnesteen kiihdyttämiseen käytettyjen sähkömagneettisten voimien mukaan erotetaan ioni-, plasma- ja suurtaajuiset moottorit. Ionimoottoreissa kiihtyvyys johtuu sähkökentän vuorovaikutuksesta työnesteen ionien tai varautuneiden makropartikkelien kanssa. Plasmamoottorit käyttävät virran vuorovaikutusta magneettikentän kanssa. Ja lopuksi suurtaajuusmoottorissa kiihtyvyys tapahtuu liikkuvan sähkömagneettisen aallon kentällä. Sähkömoottoreissa on suhteellisen helppoa saada mielivaltaisesti suuria ulosvirtausnopeuksia lähellä valon nopeutta lähellä olevia nopeuksia (esimerkiksi jos käytetään hiukkaskiihdyttimiä moottorina).

Sähköenergian (paristojen) valovarastojen puuttumisen vuoksi sähkömagneettisen kiihdytyksen periaatteen käytöllä on merkitystä vain yhdessä ydinenergian muuntamisen kanssa sähköenergiaksi. Tällä hetkellä tehokkaita suoria menetelmiä tällaiselle muunnokselle ei tunneta, ja siksi autonomisten sähkömoottoreiden käyttöä harkitaan aina yhdessä aluksella olevan lämpöjaksolla toimivan ydinvoimalan kanssa.

Avaruusvoimalan kaaviokuva sisältää, kuten mikä tahansa maavoimalaitos, lämmönlähteen (tässä tapauksessa ydinreaktorin), lämpömoottorin (muunnetaan toimitettu lämpö sähköksi) ja jääkaapin (laite, joka poistaa hukkalämmön) ). Merkittävin ero avaruusvoimaloiden ja niiden maanpäällisten välillä on lämmönpoistomenetelmä. Avaruudessa lämmön vapautuminen on mahdollista vain säteilyn avulla.

Kuinka vakava tämä olosuhde on, voidaan nähdä seuraavasta esimerkistä. 1 kW: n lämmön säteilemiseksi maanpäällisten voimalaitosten lämmön ulostulon keskilämpötilassa 50 ° C on jääkaapin säteilevä pinta-ala 1,64 m 2. Sähkömoottorille, jonka teho on 100 kW, joka vastaa vain noin 30 kgf: n työntövoiman nestepotkurimoottorin tehoa ja käyttövoimajärjestelmän yleistä hyötysuhdetta 20% samassa lämpötilassa, jääkaappi tarvitaan 1300 m 2 pinta-ala.

Pinta-alayksikköä kohti säteilevä energia on verrannollinen lämpötilan neljänteen tehoon, ja siksi jääkaapin pinta-alan pienentämiseksi on tarpeen nostaa sen lämpötilaa. Koska voimalaitoksen hyötysuhde lämpökoneena on verrannollinen lämmönlähteen ja jääkaapin väliseen lämpötilaeroon, vastaava lähteen lämpötilan nousu on tarpeen hyötysuhteen ylläpitämiseksi.

Siten sekä lämpö- että sähkömoottorien tehokkuuden lisäämisen yleisenä tehtävänä on luoda korkean lämpötilan reaktori. Avaruusenergiavaatimukset ovat saaneet aikaan intensiivistä tutkimusta korkean lämpötilan suoran lämmön muuntamisen sähköksi.

Lupaavimmat avaruusasennusten muunnosjärjestelmät osoittautuivat termionmuuntimiksi (TEC). TPE: n toimintaperiaate on esitetty kuvassa. 5, jossa TEC on diodi, jonka elektrodien välinen rako on täynnä cesiumhöyryä. Korkeissa lämpötiloissa katodi lähettää elektroneja, jotka kondensoituvat anodissa, lataamalla sen negatiiviseen potentiaaliin katodiin nähden. Tämän seurauksena katodin ja anodin välillä syntyy potentiaaliero, ja kun ne suljetaan kuormitukselle, piirissä virtaa sähkövirta.

Elektronien "haihtumisesta" ja säteilyhäviöistä johtuva katodin jäähdytys kompensoidaan ydinreaktorista tulevalla lämmöllä. Anodissa elektronien kondensoitumisen ja katodipuolen säteilylämmityksen seurauksena vapautuva lämpö poistetaan jäähdytysnesteellä tai suoraan säteilyllä avaruuteen.

Kuva: 5. Kaaviokuva lämpöenergian termionmuuntimesta sähköenergiaksi: 1 - katodi, 2 - cesiumhöyryllä täytetty elektrodien välinen rako, 3 - anodi, 4 - kuorma

Lämpömuuntaja, jossa on volframikatodi, voi toimia katodilämpötilassa enintään 2500 K ja anodilämpötilassa 1000–1400 K ominaisteholla 5–40 W / cm 2, hyötysuhteella jopa 25%. TPE: n haittana on sen matala käyttöjännite (noin 0,5 V), ja siksi elementtien sarjayhteyttä käytetään.

Teoriassa lämmön ulostulon lämpötilan, joka on optimaalinen jääkaapin koon suhteen, tulisi olla 75% lämmönlähteen lämpötilasta. Kiinteän tilan reaktorin asettamien lämpötilarajojen ansiosta jäähdyttimen jääkaappi on aina, ellei raskain, sitten avarimman voimalaitoksen suurin osa. Jotta jääkaappi toimisi tehokkaasti, sen pinnan lämpötilan on oltava lähellä lämpösyklin alinta lämpötilaa.

Tätä on mahdotonta saavuttaa materiaalien luonnollisen lämmönjohtavuuden vuoksi; lämmön pakotettu siirto kiertämällä nestemäistä tai kaasumaista lämmönsiirtoainetta on välttämätöntä. Tällöin jäähdytysnesteen pumppauksessa esiintyy ylimääräisiä energiahäviöitä, ja asennus osoittautuu erittäin alttiiksi meteorologiselle hajoamiselle. Suurilla jääkaapin pinnoilla todennäköisyys, että meteoriitti osuu kooltaan riittävään määrään tuhota kanavan seinä jäähdytysnesteellä, kasvaa voimakkaasti, mikä johtaa paineistukseen ja asennuksen epäonnistumiseen.

Menestynein ratkaisu näiden ongelmien (tehohäviöiden ja meteoriittien hajoamisen) kiertämiseen on lämpöputkien käyttö. Lämpöputki on kanava, jossa on kiertävä jäähdytysneste, jonka sisäseinissä ns. Sydänlanka sijaitsee rakolla (yksinkertaisimmassa tapauksessa se on hieno verkko). Valmiiksi tyhjennetty putki täytetään nestemäärällä, joka riittää täyttämään sydämen ja putken seinämän välisen aukon, missä sitten sitä pidetään kapillaarivoimien avulla.

Lämpöputkessa erotetaan lämmitys-, lämmönsiirto- ja jäähdytysalueet. Jäähdyttimen jääkaapissa kaksi viimeistä vyöhykettä ovat yleensä yhdistetty. Lämmitysalueelle syötetty lämpö haihduttaa nesteen, jonka höyryt kulkevat sydänreikien läpi putken sisätilaan ja kiirehtivät jäähdytysvyöhykkeelle. Siellä neste tiivistyy kondensaatiolämmön siirtyessä putken seinämiin, josta se poistetaan säteilyllä. Kondensoitumisen seurauksena muodostunut neste palautetaan sydänlankaan ja sydänlangan ja putken seinämän väliseen rakoon syntyvien kapillaarivoimien avulla takaisin lämmitysvyöhykkeelle.

Tällainen lämmönsiirtoprosessi on niin tehokas, että esimerkiksi nyt on testattu putkia, jotka lähettävät 10 kW: n lämpövirran kutakin 1 cm 2: n putken poikkileikkausta varten usean metrin etäisyydellä putken lämpötilaerolla päättyy alle 0,01 K. Tämä vastaa kiinteän tangon lämmönsiirtoa, jonka lämmönjohtokerroin on useita tuhansia kertoja korkeampi kuin vastaava kuparin arvo. Vain nestemäisellä metallijäähdytysnesteellä varustetut järjestelmät voivat kilpailla lämmönsiirtoputkien kanssa lämmönsiirtokyvyn suhteen, mutta ne edellyttävät pumppaustöitä.

Kuva: 6. Järjestelmä pölynjäähdyttimen säteilijästä: 1 - pumppu, 2 - lämmönvaihdin, 3 - ferromagneettinen pöly, 4 - solenoidikäämitys, 5 - magneettikentän johdot

Jäähdyttimen jääkaapin pinta on koottu lämpöputkista. Lämmönsyöttöalue voi olla joko suorassa kosketuksessa jäähdytettävän yksikön kanssa tai se voidaan pestä välilämmönsiirtimellä. Koska säteilevän pinnan luomiseen on käytettävä monia lämpöputkia ja niiden kanavat voivat olla irti toisistaan, meteoriitin aiheuttama vaurio yhdelle tai useammalle putkelle vaikuttaa vain merkityksettömästi koko laitoksen toimintaan.

Lämmönpoistojärjestelmät ovat mahdollisia, kun lämmönsiirtoaine on ferromagneettista pölyä (kuva 6), joka pumppaa pumpun lämmönvaihtimen läpi poistaen voimalaitoksen hukkalämmön ja joka heitetään ulos ulkoiseen tilaan. Siellä ne kaapataan ja palautetaan jälleen pumpun tuloaukkoon. Magneettikentässä ferromagneettiset hiukkaset, jotka lukittuvat toisiinsa, asettuvat voimajonoja pitkin ja muodostavat säteilevän kuoren. Pölyaineen riittävän magneettisen läpäisevyyden takia koko ulkoinen magneettikenttä on keskittynyt tähän kuoreen, eikä sen turhaa sirontaa tapahdu.

Tämäntyyppisen jääkaappisäteilijän etuna on sen täydellinen haavoittumattomuus meteoriittivaurioille sekä pieni koko kuljetettaessa voimalaitosta maapallon pinnalta satelliittiradalle, koska pöly voi olla pienikokoisessa astiassa. Tällä hetkellä tämä järjestelmä on edelleen teoreettisten tutkimusten vaiheessa. Sen toteuttamista rajoittaa valon puute ja taloudelliset magneettikentän lähteet.

Pulssimoottorit mikroräjähdyksille ja fotonimoottori. Pulssoitujen ydinrakettimoottoreiden (INRM) toimintaperiaate, jonka kaaviot on esitetty kuvassa. 7, ja ja b, koostuvat siitä, että ajoittaiset ydin- tai lämpöydinräjähdykset suoritetaan massiivisen heijastimen pinnan yli. INRP: n olennaiset elementit ovat magneettikentän lähde, joka estää varautuneita reaktiotuotteita pääsemästä heijastimen pintaan, ja pellin, joka auttaa tasoittamaan rakettiin siirtyvää impulssikuormitusta.

Yleensä tällaisissa moottoreissa räjähdyksen seurauksena joko heijastimen materiaali tai heijastimen pinnalle syötetty työaine haihtuu. Lisäksi ydinreaktion esiintymisolosuhteiden parantamiseksi, reagoivien atomien osuuden lisäämiseksi ja räjähdyslämpötilan alentamiseksi ydinpanos suljetaan riittävän paksuun passiivisen aineen kuoreen. Tämän seurauksena hävitetty massa koostuu pääasiassa aineista, jotka eivät osallistu reaktioon (vety, litium jne.), Ja pakokaasunopeus sellaisissa moottoreissa on rajoitettu 100 km / s.

Jos heijastimen jäähdyttämiseen löydetään tyydyttäviä teknisiä ratkaisuja sen materiaalia haihduttamatta ja on mahdollista suorittaa ydinreaktio muodostamatta varausta ympäröivää kuorta, tällaisten moottoreiden ulosvirtausnopeudet voivat lähestyä teoreettisesti mahdollisia arvoja - 10 5 km / s. Samanaikaisesti INRD: n ominaispaino on pienempi kuin sähkömoottoreilla, koska niistä poistettavan lämmön osuus on huomattavasti pienempi (sähkömoottoreiden osalta se on 75–90% ydinlaitoksen tehosta) ja lämmönvaihto voidaan suorittaa korkeammassa lämpötilassa. Tämän seurauksena jäähdyttimen jääkaapin pinta-ala ja vastaavasti massa ovat huomattavasti pienemmät.

Kuva: 7. Impulssimoottoreiden kaaviot (ja - transuraanisista elementeistä,b - lämpöydinkone): 1 - avaruusalus, 2 - pelti, 3 - ydinpolttoaineen syöttöjärjestelmä, 4 - heijastin, 5 - räjähdysalue, 6 - energianmuunnosjärjestelmä, 7 - käämitys magneettikentän luomiseksi, 8 - reaktiosytytysjärjestelmä ( hiukkaskiihdyttimet tai laserit)

Ydinfissioreaktioissa pääongelma on vähentää itsestään ylläpitävään ydinreaktioon tarvittavaa ydinpolttoaineen massaa (kriittinen massa). Uraani-235: stä ja plutoniumista tällä hetkellä laajalti käytetyn ydinpolttoaineen kriittinen massa on niin suuri (esimerkiksi 1 ja 3 kg), että tällaisen massan räjähdyksen aikana vapautuneen liian korkean energian takia nämä INRD: n elementit on suljettu pois.

Kriittistä massaa voidaan vähentää merkittävästi joko lisäämällä halkeamiskelpoisen materiaalin tiheyttä puristamalla se 10 14 - 10 15 Pa: n paineella tai siirtymällä kemiallisiin alkuaineisiin, joilla on suuret ydinmassaat - transuraanisiin elementteihin. Moderni tekniikka mahdollistaa tarvittavan suurten pulssipaineiden luomisen, mutta tämä on mahdollista vain käytettäessä monimutkaisia \u200b\u200bja raskaita laitteita, joita on tarkoituksenmukaisempaa käyttää synteesireaktioissa. Siksi vain transuraanisia elementtejä (pääasiassa Californium-252) voidaan käyttää polttoaineena INRE-fissiossa.

Kaliforniumin kriittinen massa on noin 7 g, ja tällaisen massan räjähdys vapauttaa 1010 J. Kaliforniumia käyttävän moottorin kaavio on esitetty kuvassa. 7, ja... Siinä heijastimen kehälle sijoitettujen erityisten kiihdyttimien avulla ammutaan kaliforniumhiukkasia, jotka samanaikaisesti törmätessään muodostavat kriittisen kokonaismassan aiheuttaen ydinräjähdyksen. Lisäksi hiukkasten törmäyksestä johtuvan puristuksen seurauksena kriittistä massaa voidaan pienentää kertoimella 1,5–2. Räjähdykset toistetaan, kunnes raketti nousee vaaditun nopeuden: 100 tonnin lopullisen massan viemiseen 10 km / s nopeuteen tarvitaan useita kiloja Kaliforniaa.

Transuraanisia elementtejä käyttävillä moottoreilla kaikilla perusominaisuuksillaan on kuitenkin useita merkittäviä haittoja, ja niitä ei tuskin voida toteuttaa lähitulevaisuudessa. Kalifornium on erittäin kallista, sitä ei ole luonnossa ja se saadaan säteilyttämällä raskaita alkuaineita protonikiihdyttimissä tai voimakkaissa neutronivuoissa. Samaan aikaan kaliforniumin hyödyllinen saanto on hyvin pieni, ja esimerkiksi kaliforniumin tuotanto Yhdysvalloissa 60-luvulla oli vain noin 1 g vuodessa. Koska California-252: n puoliintumisaika on 2,5 vuotta, on mahdotonta kerätä kriittistä massaa tällä tuotannon tasolla.

Ja lopuksi, jos saadaan tarvittava määrä kaliforniumia, on mahdollista varastoida se rakettiin vain pieninä hiukkasina, jotka on erotettu suurella määrällä neutroniabsorberia, mikä lisää moottorin massaa. Lisäksi transuraanisten elementtien räjähdys tuottaa raskaita fissiofragmentteja, joita on vaikea pysäyttää heijastimen magneettikentällä, ja suuren määrän neutroneja, jotka käytännössä eivät ole vuorovaikutuksessa magneettikentän kanssa. Tämän seurauksena moottorirakenteen jäähdyttämisestä tulee vaikea ratkaisu.

Kaliforniumvarastoa voidaan jonkin verran vähentää, jos uraania syötetään räjähdysalueelle 10–6 - 10–5 sekunnin välein suunnilleen samoissa määrissä kuin kaliforniumia. Tässä tapauksessa uraani palaa Kalifornian räjähdyksen aiheuttamassa neutronivirrassa. Sitten saman aikavälin jälkeen seuraava osa uraania voidaan syöttää. Täten järjestetään kaskadireaktio, mutta se on hajoamassa ja 3-5 syklin jälkeen on tarpeen räjähtää kalifornium uudelleen.

Kaliforniumin käyttö lämpöydinreaktion aloittamiseksi voi olla lupaavampaa. Tässä tapauksessa kaliforniumia käytetään vain kerran, ja sitten annokset lämpöydinpolttoainetta (esimerkiksi deuterium-tritium-seos) syötetään jatkuvasti reaktiovyöhykkeelle. Fuusiopolttoaine on verratta halvempi kuin Kalifornia, eikä taloudellisilla tekijöillä ole niin merkittävää roolia tällaisen moottorin kehityksessä. Lisäksi lämpöydinreaktion aikana muodostuu kevyitä elementtejä, mikä yksinkertaistaa huomattavasti heijastimen lämpösuojausta.

Vaikka jätämme huomiotta ongelman toimittaa lämpöydinpolttoainetta polttovyöhykkeelle, tämän itsestään kestävän reaktion jatkuva vähimmäistehotaso on 10 14 W. Tämä on yli 1000 kertaa Saturn-5-rakettimoottoreiden teho. Kun ulosvirtausnopeus on 10 3 km / s, tällaisen moottorin työntövoima on 10000 tf. Siksi lämmön haihtumisongelmista vaaditulla tehotasolla tulee erittäin ratkaisematon. Jos oletetaan, että vain 0,1% energiasta vapautuu moottorin rakenneosissa, tämän määrän poistamiseksi tarvitaan jääkaappi-jäähdytin, jonka pinta-ala on 10000 m 2.

Käyttönestettä käytettäessä virtausnopeus laskee 3 kertaa, ja työntövoima kasvaa vastaavasti 30000 tf: iin. Tällaisen työntövoiman aikaansaamiseksi vaaditaan 1000 kg / s: n käyttönesteen virtausnopeus. 10000 tonnia painava raketti tällaisella moottorilla voi saavuttaa nopeuden 100 km / s hieman yli tunnissa.

Lämpöydinmikroräjähdyksillä varustettujen moottoreiden järjestelmät näyttävät kuitenkin olevan lähempänä toteutusta. Näistä moottoreista on keskusteltu laajalti lehdistössä, ja näistä moottoreista on julkaistu useita käsitteellisiä malleja. Lämpöydinmikroräjähdysten ydin on ns. Inertiaalinen plasman sulkeminen, kun reaktiolla on aikaa tapahtua, ennen kuin lämmitetty lämpöydinpolttoaine lentää irti lämpöydinreaktion sytyttämiseen tarvittavien korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta.

Aikaisemmin mainitussa paikallaan olevan ydinreaktorin kaaviossa tärkein ja vielä ratkaisematon ongelma on kuuman plasman rajoittaminen magneettikentällä. Hallitun lämpöydinreaktion aikaansaamiseksi useiden miljoonien asteiden lämpötilassa Lawson-kriteerin on täytyttävä n? \u003e \u003d 10 14, missä n - hiukkasten pitoisuus (atomien lukumäärä 1 cm 3) ja? - aika. Hitausrajoituksessa Lawsonin kriteeri täyttyy, koska pitoisuus kasvaa jyrkästi, minkä seurauksena lämpöydinreaktion tapahtumiseen tarvittava aika vähenee samalla määrällä.

Tämä saavutetaan pienen ydinpolttoainekohteen symmetrisellä pulssisäteilytyksellä suuritehoisella lasersäteilyllä tai suuritehoisilla varautuneiden hiukkasten (elektronien ja ionien) virtauksilla. Lisäksi energian virtauksen pulssin aikana pitäisi kasvaa voimakkaasti. Säteilytyksen seurauksena kohteen pintakerros haihtuu voimakkaasti, niin sanottu ablaatio. Höyrystyvät hiukkaset saavat nopean nopeuden ja, aivan kuten suihkumoottoreissa tapahtuu, luovat palautumisvoiman, joka johtaa valtavan paineen kehittymiseen, joka saavuttaa useita miljardeja pasaleja.

Yhdistyvä iskuaalto parantaa huomattavasti ablaatiovaikutusta, minkä seurauksena polttoaineen tiheys kohteen keskellä kasvaa useita tuhansia kertoja ja paine saavuttaa arvon, joka vastaa tähtien keskellä olevaa painetta (noin 16 Pa). Tässä tapauksessa lämpöydinpolttoaine lämpenee ja olosuhteet lämpöydinreaktiolle syntyvät.

Mikroräjähdykselle riittää kohteet, joiden massa on vain 0,001 - 0,01 g. Tämä massa vastaa mikroräjähdysenergiaa 10 8 - 10 10 J. Noin 80% kohdemateriaalista kulkeutuu ablaation seurauksena eikä se osallistua reaktioon; lisäksi reaktion saanto tuskin ylittää 30%. Tämän seurauksena termotuumaisten mikroräjähdysten rajoittava ulosvirtausnopeus on noin 6-106 m / s, mikä vastaa erityistä 6105 s työntövoimaa. Elektronisäteiden aiheuttamia räjähdyksiä varten on välttämätöntä ympäröi kohde suuren atomipainon omaavien elementtien kuorella, mikä vähentää edelleen ulosvirtauksen rajoittavaa nopeutta.

Lämpöydinmikroräjähdyksiä käyttävän moottorin kaavio on esitetty kuvassa. 7, b... Perusero tällaisten moottoreiden ja transuraanisiin elementteihin perustuvien moottoreiden välillä on lämpöydinreaktion käynnistämisjärjestelmän läsnäolo ja sähköenergian lähde sen käyttämiseksi. Käynnistysjärjestelmä on joko joukko valonlähteitä tai varautuneita hiukkaskiihdyttimiä, jotka on järjestetty siten, että kohde säteilyttää mahdollisimman symmetrisesti. Säteilyn lähteenä yhtä voimakasta laseria voidaan käyttää jakamalla sen säde useiksi tai laseryhdistelmiksi.

Kohde ammutaan heijastimen yläpuolella olevaan tilaan, ja sillä hetkellä, kun se ohittaa säteiden polttopisteen, syntyy sytytyspulssi. Fuusioplasma heijastuu suprajohtavien solenoidien luomasta magneettikentästä ja heitetään ulos ulkoavaruuteen, mikä luo suihkuvoiman. Sähkön tuottamiseen voidaan käyttää joko erityisiä solenoideja tai samoja solenoideja, jotka ovat suojaavan magneettikentän lähteitä. Kun liikkuva plasma on vuorovaikutuksessa magneettikentän kanssa, solenoideissa on EMF, ja syntyvä sähkö menee seuraavan pulssin tuottamiseen.

Amerikkalaisessa lämpöydämoottorin projektissa, jossa reaktion lasersytytys on mahdollista, ehdotetaan käytettäväksi laseria, jonka energia pulssia kohti on 1 MJ, pulssin kesto 10 ns ja pulssin toistotaajuus 500 Hz. Laserin massa on arviolta 150 tonnia. Yhdessä mikroräjähdyksessä 10 8 J vapautuneen energian avulla tällainen moottori voi projektin tekijöiden laskelmien mukaan kiihdyttää 100 tonnin painoista hyötykuormaa tyypilliseen nopeuteen 10 km / s yhdessä päivässä. Tämä vaatii noin 108 mikroräjähdystä.

Brittiläiset tutkijat lämpöydinmikroräjähdysmoottorin projektissa ehdottavat lämpöydinreaktion aloittamista elektronikiihdyttimillä. "Ampumapulssien" toistotaajuus on 100 Hz, jokaisessa mikroräjähdyksessä oleva energia on 10 11 J.Moottori polttaa useita satoja tonneja ydinpolttoainetta koko vuoden ajan 100 tonnin hyötykuorman kiihdyttämiseksi 0,15 valonopeuteen.

Pulssisten lämpöydinmoottoreiden luomisen suurin vaikeus on reaktion aloitussysteemin kehittäminen. Juuri sopivien laser- ja kiihdytyslaitteiden puuttuminen vaikuttaa tietyllä tavalla siihen, että hallittua ydinreaktiota ei ole vielä toteutettu. Käynnistysjärjestelmän massa on verrannollinen mikroräjähdyksen energiaan; siksi on toivottavaa, että jokaisessa räjähdyksessä on mahdollisimman pieni energian vapautuminen. Mutta sitten tietyllä työntövoimalla on varmistettava suuri pulssin toistumisnopeus, ja tietyn ominaisnopeuden saavuttamiseksi on järjestettävä vastaavasti suurempi pulssien määrä. Järjestelmän resurssi rajoittaa sallittua pulssien määrää.

Tältä osin Neuvostoliiton tutkijat E.P.Velikhov ja V.V.Chernukha ehdottivat menetelmää lämpöydinkohteiden kaskadisytytykseksi. Menetelmän ydin koostuu siitä, että noin 10–6 sekunnin kuluttua ensimmäisen kohteen syttymisestä syötetään massiivisempi kohde räjähdysalueelle, jossa osa ensimmäisen räjähdyksen energiasta käytetään reaktion aloittamiseksi. Sitten syötetään vielä suuremman massan kohde jne. Käyttämällä kohdetta, jonka energian vapautuminen kasvaa kymmenkertaisesti kussakin kaskadissa, on mahdollista saada 10 10 - 10 11 J räjähdysenergiaa sytytysjärjestelmälle, jonka energian vapautuminen on 10 8 J.

Tällöin pulssin toistotaajuus pienenee vastaavasti, mutta samalla tietysti heijastimen pulssikuorma kasvaa. Kaskadijärjestelmässä on mahdollista käyttää vaikeampaa syttyvää polttoainetta (esimerkiksi puhdasta deuteriumia) kaskadin seuraavissa vaiheissa. Tämä vähentää merkittävästi tritiumin tarvetta ja samalla vähentää neutronituotantoa.

Toinen yhtä tärkeä tehtävä pulssitermisten ydinmoottoreiden kehittämisessä on rakenteeseen vapautuvan lämmön poistaminen. Kuten aiemmin mainittiin, deuterium-tritium-reaktiossa jopa 80% energiasta kulkeutuvat neutronien kautta, joita heijastimen magneettikenttä ei pidä. Kardinaali ratkaisu ongelmaan olisi käyttää tavallisen vedyn seosta boori-11-isotoopin kanssa ydinpolttoaineena. Vaikka energian vapautuminen tämän polttoaineen palamisen aikana on pienempi kuin deuterium-tritium-seoksella, neutronit puuttuvat kokonaan. Tämä reaktio vaatii kuitenkin korkeamman lämpötilan sen aloittamiseksi, ja sen hallitseminen on kaukaisen tulevaisuuden asia.

Suhteellisuusteorian peruspostulaatin mukaan suurin mahdollinen nopeus luonnossa on valon nopeus - 300 000 km / s. Luonnollisesti tämä nopeus rajoittaa rakettimoottoreiden ulosvirtauksen nopeutta. Nopeudet, jotka ovat lähellä valon nopeutta, voidaan saavuttaa sähkömoottoreissa, kuten elektroni- tai ionikiihdyttimissä. Kuitenkin yleisten fyysisten näkökohtien perusteella tässä tapauksessa hiukkasten kiihtyvyyteen käytetty energia on tarkoituksenmukaisempaa siltä kannalta, että saavutetaan suurin ominaisnopeus, jota käytetään työntövoiman luomiseen sähkömagneettista säteilyä käyttämällä.

Tiedetään, että sähkömagneettinen säteily, joka sisältää näkyvän valon, painostaa materiaalikappaleita. Vastaavasti säteilevä kappale kokee sähkömagneettisen kentän fotonin takaiskuimpulssin. Siksi kukin suuntaisesti säteilevä runko voi olla fotonimoottori. Suuntasäteilyn reaktiivinen työntövoima on yhtä suuri kuin säteilyteho jaettuna valon nopeudella, ts. Jokainen 1 kW säteilytehoa tuottaa 3,3 · 10–7 kgf: n työntövoiman.

Yksinkertaisin fotonimoottori voi olla toisella puolella suojattu jääkaappi-emitteri. Koska noin 10% laivalla olevan voimalaitoksen tuottamasta energiasta siirtyy sähkömoottorisuihkun energiaan, niin jäähdytysjääkaapin tuottama työntövoima tulee vastaavaksi ulosvirtausnopeudella, joka on yhtä suuri kuin 0,1 valon nopeutta. moottorin työntövoimaan.

Huolimatta fotonimoottoreiden suhteellisesta yksinkertaisuudesta, on epäkäytännöllistä käyttää niitä nykyisin käytettyjen energialähteiden kanssa, mukaan lukien lämpöydinlähteet. Yleensä vain osa lähdemassasta menee energiaan: ydinfissioreaktioille - 0,5%, lämpöydinkäyttöön - 0,15%. Jos työväliaineena käytetään vain fotoneja, samanaikaisesti hyötykuorman kanssa reaktiotuotteet on kiihdytettävä lopulliseen nopeuteen. Siksi on järkevää käyttää fotonimoottoreita vain yhdessä energialähteiden kanssa, joissa koko massa tai ainakin suurin osa siitä muuttuu energiaksi. Nykykäsitteiden mukaan tällainen lähde voi olla vain tuhoamisreaktio, ts. Hiukkasten ja antihiukkasten vuorovaikutus.

Antihiukkasten (esimerkiksi antiprotonien) synteesiin tarvitaan voimakkaita kiihdyttimiä, ja antihiukkasten saanto reaktiossa on hyvin pieni. Uskotaan, että antiprotonien sisältämän 1 J: n energian saaminen vaatii vähintään 100 kJ sähköä. Siten minkä tahansa merkittävän määrän antimateriaalia kertyminen ylittää nykyaikaisen tekniikan kyvyt.

Toinen ongelma, joka syntyy fotonimoottoreiden toteutuksessa, on antiaineen varastointi. Koska rakettirakenteen materiaali on yleinen aine, antimateriaalin kosketus säiliöiden seinämiin on suljettava pois. Siksi antiaine voidaan "suspendoida" sähkö- tai magneettikenttiin.

Fotonimoottoreiden lämmönpoistojärjestelmää koskevat vaatimukset ovat erittäin tiukat. Tällä hetkellä toteutettujen lämmönpoistojärjestelmien, mukaan lukien jäähdyttimen jääkaappi, massa on vähintään 0,01 kg / 1 kW tyhjennettyä tehoa. Tässä tapauksessa, vaikka laiminlyömme raketin muut komponentit, sen kiihtyvyys on enintään 2,10–4 m / s 2, ja tällaisen raketin kiihtyvyys vain 10 km / s nopeuteen kestää yli vuoden.

Kaikesta sanotusta seuraa, että fotonimoottorin luominen on erittäin kaukaisen tulevaisuuden asia. Useat tutkijat kyseenalaistavat sen luomisen järkevyyden ja jopa perustavanlaatuisen mahdollisuuden, toiset pitävät fotonimoottoria suoraan tieteiskirjallisuuden alana.

MOOTTORIJÄRJESTELMÄT ULKOISilla ENERGialähteillä

Edellä tarkasteltiin vaatimuksia edistyneille autonomisen tyyppisille avaruusvoimajärjestelmille, ja osoitettiin, kuinka nämä vaatimukset määräävät autonomisten propulsiojärjestelmien kehityssuunnat. Itsenäisissä järjestelmissä energia ja massa, joka tarvitaan avaruusaluksen työntövoiman luomiseen ja kiihdyttämiseen, sijaitsevat itse avaruusaluksessa. Siksi edistys tällaisten moottoreiden kehityksessä liittyy erityisten energiaominaisuuksien paranemiseen, ts. Varastoidun energiamäärän kasvuun työkappaleen massayksikköä kohti.

Tilanne muuttuu, jos energialähde, jolla työntövoima syntyy, on laitteen ulkopuolella. Tässä tapauksessa määritetty ominaisuus menettää merkityksensä. On kuitenkin edelleen tärkeää, kuinka paljon energiaa syötetään propulsiojärjestelmään ja kuinka paljon - syötetty energia soveltuu työnesteen kiihdyttämiseen.

Jos luopumme hetkeksi kysymyksistä, jotka koskevat ulkopuolelta tulevan energian muuntamista suurella nopeudella virtaavan työskentelynesteen kineettiseksi energiaksi, tärkeimmäksi tekijäksi tulee propulsiojärjestelmään syötetty energiamäärä aikayksikköä kohti. Tästä seuraa, että avaruusaluksen käyttövoimajärjestelmän ominaisuudet eivät riipu energialähteen massasta ja erityisominaisuuksista, vaan ne määräytyvät ulkoisen lähteen tehon ja energian siirron tehokkuuden lähteestä käyttövoimajärjestelmään avaruusaluksen.

Kuten itsenäisissä moottoreissa, joissa on erilliset energian- ja massalähteet, myös moottoreissa, joissa on ulkoinen energialähde, työntövoiman lisäyksellä, työkappalemassan kulutus työntövoiman muodostamiseksi vähenee , koska käyttöaineen virtausnopeus kasvaa. Jos ulosvirtausnopeus nousee yli 4,5–5 km / s, raketti tai avaruusalus, joka on varustettu propulsiojärjestelmällä ulkoisella lähteellä, alkaa ylittää ajoneuvot, joissa on nestemäistä polttoainetta käyttäviä rakettimoottoreita, niin tärkeällä ominaisuudella kuin hyötykuorman massan suhde laukaisumassa.

Toinen merkittävä piirre ulkoisten lähteiden käytössä on moottoreissa käytettävien nesteiden valikoiman laajentaminen. Erityisesti niiden käyttö voi merkittävästi helpottaa ilmakehän käyttöä työaineena käynnistettäessä maapallon pinnalta laukaistua ajoneuvoa matalalle kiertoradalle. On syytä uskoa, että ulkoisten energialähteiden kanssa toimivien moottoreiden perusteella on mahdollista luoda kuljetusjärjestelmiä hyötykuormien käynnistämiseksi maapallon kiertoradalle, joiden ominaisuudet ovat huomattavasti parempia kuin kemiallisten moottoreiden järjestelmillä. Nämä ovat alustavia huomioita sellaisten käyttövoimajärjestelmien näkymistä, joissa on ulkoisia energialähteitä ja vauhtia. Mitä mahdollisuuksia, mukaan lukien potentiaaliset (loppujen lopuksi puhumme tulevaisuudesta), nykyaikaisella tieteellä ja tekniikalla on ajatus ulkoisten lähteiden energian käyttämisestä käyttövoimajärjestelmiin?

Harkitse pääelementtejä, jotka muodostavat moottorijärjestelmän ulkoisen lähteen avulla. Tämä on ensinnäkin itse propulsiojärjestelmä (sen rakenne ja ominaisuudet riippuvat suurelta osin käyttönesteen tyypistä ja käytetystä energiasta). Toiseksi, ulkoinen energialähde, sekä luonnollinen että keinotekoinen. Aurinko, planeettojenvälinen ja tähtienvälinen väliaine voivat toimia luonnollisena lähteenä. Keinotekoinen ulkoinen energialähde on esimerkiksi voimakas suunnatun sähkömagneettisen säteilyn lähde.

Kolmas välttämätön elementti moottorijärjestelmässä, jossa on ulkoinen energialähde, on laite energian vastaanottamiseksi ja tarvittaessa muuntamiseksi muodoksi, joka soveltuu muuntamaan työaineen kineettiseksi energiaksi. Ja lopuksi, propulsiojärjestelmän viimeinen, neljäs, avainelementti on polku energian siirtämiseksi lähteestä vastaanottavaan laitteeseen. Avaruusasteet ja valtavat nopeudet johtavat valtaviin etäisyyksiin virtalähteen ja avaruusaluksen välillä. Lisäksi, jopa silloin, kun alkuhetkellä tämä etäisyys on suhteellisen pieni, se kasvaa merkittävästi työntövoiman käytön aikana. Siksi ulkoisen lähteen energian käytön ajatuksen toteuttamiseksi on tarpeen kehittää keinot energian tehokkaaseen siirtämiseen pitkillä etäisyyksillä (kun käytetään keinotekoisia lähteitä).

Harkitse Auringon käytön ominaisuuksia ulkoisena energialähteenä. Sähkömagneettisen säteilyn tiheys pienenee käänteisesti suhteessa Auringon etäisyyden neliöön, ja tässä mielessä energiansiirtoreitin parametrit lähteestä käyttövoimajärjestelmään ovat kiinteät (vain etäisyys Auringosta avaruusalukseen muutokset). Kuitenkin propulsiojärjestelmän ominaisuudet riippuvat suurelta osin tämän traktorin yksittäisen muuttuvan parametrin arvosta.

Itse asiassa, kun etäisyys virtalähteestä avaruusalukseen muuttuu 2 kertaa, tehovirta tiheys muuttuu 4 kertaa. Tämä tarkoittaa, että kiinteän tehon käyttövoimajärjestelmän toimittamiseksi on tarpeen lisätä myös aurinkosähkömagneettista energiaa vastaanottavan laitteen pinta-alaa neljä kertaa. Lennettäessä kaukaisiin planeetoihin, joiden etäisyys Auringosta on monta kertaa suurempi kuin Maan etäisyys Auringosta, aurinkosäteilyn tiheys tulee niin pieneksi, että aurinkoenergian käyttö on tuskin suositeltavaa. Mutta jopa etäisyydet, joilla aurinkoenergian käyttö on perusteltua, ovat valtavat - satoja miljoonia kilometrejä (tällaiset ovat energian siirtotien ominaispiirteet).

Keinotekoisten lähteiden tapauksessa energian tehokkaan siirron toteuttaminen tällaisilla etäisyyksillä on erittäin ongelmallista. Tarkastellaan esimerkiksi polkua sähkömagneettisen energian siirtämiseksi keinotekoisesta lähteestä.

Ensimmäinen rajoitus, joka heti kiinnittää huomiota, on lähteen rajallinen teho. Jos aurinkosäteilyn kokonaisteho on monta suuruusluokkaa suurempi kuin käyttövoimajärjestelmän käyttämiseen tarvittava teho eikä rajoita sen ominaisuuksia, keinotekoisen lähteen käyttövoimajärjestelmän energiaominaisuuksia rajoittaa lähteen teho ja tulisi pyrkiä varmistamaan, että mahdollisimman suuri osa ulkoisen lähteen tehosta saavuttaa moottorin ... Tästä seuraa energiansiirron korkean hyötysuhteen tarve lähde - avaruusaluksen polulla. Ihannetapauksessa kaikki lähdeenergia vaaditaan avaruusaluksen vastaanottimeen. Todellisuudessa tämän pitäisi olla murto-osa vähintään kymmenistä prosentteista lähteestä.

Tehokas sähkömagneettisen säteilyn siirto voidaan toteuttaa muotoilemalla säteily kapeaksi säteeksi. Mahdollisuus muodostaa vaaditun muotoisen, suunnatun sähkömagneettisen säteilyn etenemisen ja vastaanottamisen säde määräytyy aallonpituuden (taajuuden), lähettävän tai vastaanottavan pinnan koon ja väliaineen parametrien mukaan, jossa eteneminen tapahtuu.

Sähkömagneettisten aaltojen vastaanotto ja siirto. Sähkömagneettisten aaltojen vastaanotto ja siirto suoritetaan antenneilla. Vastaanottavilla ja lähettävillä antenneilla on paljon yhteistä, ja usein käytetään samaa laitetta sekä lähetys- että vastaanottoantenneina. Toistaiseksi puhuimme tavanomaisista antenneista, joiden tehtävänä on joko lähettää tai vastaanottaa ja kerätä tulevaa sähkömagneettista energiaa. On kuitenkin jo olemassa antenneja, jotka vastaanottavat sähkömagneettista energiaa ja muuttavat sen sähköenergiaksi - nämä ovat aurinkoparistoja ja laitteita, joita kutsutaan tasasuuntaisiksi, jotka on suunniteltu vastaanottamaan monokromaattista säteilyä ultrakorkealla taajuusalueella (mikroaaltouuni) ja muuttamaan sen suoraksi sähkövirraksi.

Siksi vastaanottavassa antennissa tarkoitetaan laajemmassa mielessä laitetta, joka on suunniteltu vastaanottamaan ja muuntamaan sähkömagneettisen säteilyn energia muuntyyppiseksi energiaksi. Kaikilla tällaisilla laitteilla on useita yhteisiä kohtia, jotka vaikuttavat suuresti antennin ulkonäköön. Ensinnäkin tämä koskee antennin koon, lähetettyjen tai vastaanotettujen sähkömagneettisten aaltojen pituuksien, säteilyn suuntaavuuden antennien lähettämiseen tai kykyä vastaanottaa tehokkaasti sähkömagneettisia aaltoja antennien vastaanottamiseksi.

Säteilyn suuntaavuuden aallonpituus ?, joka voidaan toteuttaa käyttämällä suurikokoista antennia D, jolle on ominaista erityinen arvo - divergenssikulma? ~? / D... Kun lähetetään sähkömagneettista energiaa suurella suuntaviivalla (pienillä häviöillä), hajautuva säde putoaa melkein kokonaan vastaanottoantennin pinnalle. Jos lähettävän ja vastaanottavan antennin välinen etäisyys on suuri, vaadittu säteilyn divergenssikulma on erittäin pieni. Näin ollen antennien mittojen, mitattuna aallonpituuden yksikköinä, on oltava merkittäviä.

Esimerkiksi, kun käytetään 1 cm: n aallonpituista sähkömagneettista säteilyä, tarvitaan 100 m: n kokoisia antenneja lähettämään sähkömagneettista energiaa ilman merkittäviä häviöitä noin 1000 km: n etäisyydellä. käyttää lyhyempiä aallonpituuksia, koska tehollinen lähetysetäisyys on kääntäen verrannollinen aallonpituuteen. Aallonpituuden pienentäminen auttaa kuitenkin ratkaisemaan yhden ongelman (etäisyysongelman), mutta luo muita. Erityisesti rakentamisen tarkkuutta, osoittimien tarkkuutta, antennien stabilointia vastaanoton ja lähetyksen suuntaan jne. Koskevat vaatimukset ovat tiukentumassa. Kuten aina tällaisissa tapauksissa, tarvitaan tehokas kompromissi laitteiden asettamien vaatimusten välillä. tekninen ja taloudellinen suorituskyky.

Moottoreiden luokittelu ulkoisten sähkömagneettisen säteilyn lähteiden kanssa. Hypoteettiset vetojärjestelmät, joissa on ulkoisia sähkömagneettisen säteilyn lähteitä, ovat hyvin erilaisia. He käyttävät luonnollisia ja keinotekoisia säteilylähteitä, ja mahdollinen aallonpituusalue ulottuu röntgensäteilystä mikroaaltouuniin. Lisäksi he käyttävät erilaisia \u200b\u200bmenetelmiä säteilyenergian muuntamiseksi työntövoimaksi. Sillä, että työntövoiman tuottamiseen käytettävä energialähde on avaruusaluksen ulkopuolella, on merkittävä vaikutus propulsiojärjestelmän ja koko avaruusaluksen ulkonäköön. Huomattavan kokoinen vastaanottoantenni tulee välttämättömäksi ominaisuudeksi.

Suoritettujen suihkumoottoreiden luokitus ulkoisten sähkömagneettisen säteilyn lähteiden kanssa on esitetty kuvassa. 8. Tarkastellaan ensin käyttövoimajärjestelmiä, joissa on luonnollinen säteilyn lähde - Aurinko. Sen säteilyä voidaan käyttää työntövoiman luomiseen kahdessa versiossa: 1) muunnettaessa aurinkosäteilyenergia sähköenergiaksi (esimerkiksi aurinkopaneeleilla) sen myöhemmällä käyttökerralla sähköisten suihkumoottoreiden virran saamiseksi; 2) sähkömagneettisen säteilyn paineen käyttäminen (aurinkopurjeiksi kutsutut vetojärjestelmät perustuvat tähän periaatteeseen).

Kuva: 8. Reaktiivisten propulsiojärjestelmien (RDS) tyypit, joissa on ulkoisia sähkömagneettisen säteilyn lähteitä

Aurinkopurje. Tällaisten järjestelmien toimintaperiaatteen ydin, jonka nimestä brigantiini ja karavellit hengittävät romanttisesti, on itse asiassa samanlainen kuin purjeen toimintaperiaate. Tässä tapauksessa avaruusaluksella on erittäin kehittynyt pinta, jonka muodostaa ohut peilikalvo. Aurinkosäteily, joka putoaa kohtisuorassa kalvon pintaan ja heijastuu siitä, luo työntövoiman myös kohtisuorassa kalvon pintaan. Osittain säteilyn absorboinnilla työntövoiman suunta muodostaa tietyn kulman tämän pinnan kanssa, ja suuntaamalla purje voidaan saavuttaa työntövoima haluttuun suuntaan.

Tällaisten vetojärjestelmien edut ovat ilmeiset: ne eivät vaadi energian tai käyttönesteen kulutusta. Riittävän kiihtyvyyden saavuttamiseksi on kuitenkin käytettävä hyvin ohutta kalvoa, jotta purjealueen suhde aluksen massaan yhdessä purjeen kanssa on riittävän suuri. Purjealue on nykyaikaisen käsityksen mukaan myös melko suuri. Joten esimerkiksi luoda 1 kgf: n työntövoima laitteelle, joka sijaitsee 1 AU: n päässä Auringosta. alkaen. (150 miljoonaa km), purjealueen on oltava 3 · 10 5 m 2.

Kuitenkin sellaisten rakenteiden luominen, joilla on hyväksyttävät massaominaisuudet, on varsin todellinen nykyaikaiselle tiede ja tekniikka. Erityisesti Yhdysvalloissa harkittiin erityyppisiä aurinkopurjeita kehitettäessä avaruusalusta, joka oli suunniteltu lentämään Halleyn komeettiin. Yksi lupaavimmista tällaisista purjeista - "aurinkogyroskooppi" - on esitetty kuvassa. 9. Tämä "gyroskooppi" koostuu 12 terästä, joiden pituus on 7,4 km ja leveys 8 m ja kukin terä painaa 200 kg; terien jäykkyyden lisäämiseksi 150 metrin välein tarjotaan "säleet". Laskelmien mukaan samanlainen purjehtii 1 AU: n etäisyydellä. Toisin sanoen auringosta tulisi antaa työntövoima 0,5 kgf. Purjeen avulla avaruusalukselle, kun ratkaistaan \u200b\u200bHalleyn komeetan lennon ongelma, olisi kerrottava nopeus 55 km / s.

Kuva: 9. Yksi mahdollisista aurinkopurjeen malleista on "aurinkogyroskooppi".

Alustavien arvioiden mukaan, jotta projekti olisi toteutettavissa, purjeen muodostavan kalvon paksuuden tulisi olla noin 0,0025 mm ja ominaispainon noin 3 g / m 2. Siksi suurin vaikeus hankkeen toteuttamisessa on elokuvamateriaalin valinta.

Edellä mainitun lennon Halleyn komeetaan lisäksi suurten kuormien liikkumista matalan ja geostationaalisen kiertoradan välillä ja Marsin maaperän toimittamista maahan pidetään mahdollisina toimintoina aurinkopurjeen avulla. Aurinkopurjeen käyttöä lennoille ulommille planeetoille pidetään epäkäytännöllisenä.

Lasersuihkumoottorit.Lasersuihkumoottoreiden toimintaperiaate perustuu hyvin tunnettuun tosiasiaan - mahdollisuuteen materiaalin haihtumiseen lasersäteilyn vaikutuksesta. Haihtuminen tapahtuu nopeasti ja johtaa yliäänisen suihkun muodostumiseen, kun aineen pinnalla olevalla energiavirralla on suuri tiheys. Vielä suuremmilla virtauksilla höyry voidaan ionisoida, mikä antaa erittäin korkean ominaisimpulssin. Suihkun liikkeen määrä luo työntövoiman samalla tavalla kuin tavanomaisen suihkumoottorin tapauksessa. A. Kantorovits esitti ajatuksen vuosina 1971–1972 ajatuksesta käyttää suuritehoisia maanpäällisiä lasereita keinotekoisen satelliitin kiertoradalle viemiseen.

Periaatteessa lasermoottori yhdistää ydin- ja sähkömoottoreissa esiintyvän erittäin korkean ominaisimpulssin korkealla työntövoima-painosuhteella kemiallisten moottoreiden luontaiseen luotettavuuteen. Spesifisen impulssin suuret arvot voidaan saavuttaa, koska työnesteen absorboiman säteilyn seurauksena muodostuu korkean lämpötilan plasma. Suuri suhde hyötykuorman ja raketin massaan saadaan siitä, että energialähde sijaitsee maapallolla.

Näiden perusetujen toteutuminen riippuu tietysti kahden ongelman ratkaisemisesta. Ensinnäkin on varmistettava tehokkaan lasersäteen lähettäminen, jolla on hyvin pieni divergenssikulma, ja toiseksi vaaditaan teknisesti ja taloudellisesti saavutettavissa olevien suurten lasereiden ja niiden virtalähteiden luomista.

Tällä hetkellä on harkittu useita menetelmiä työntövoiman saamiseksi lasersäteilyn käyttöön perustuen. Yksi niistä on esimerkiksi kiinteän polttoaineen nopea haihtuminen, joka absorboi säteilyä, mikä johtaa kuumaan höyrysuihkuun. Jos lisäksi höyry absorboi osan lasersäteilyenergiasta, voidaan saavuttaa lämpötilaa 5000 - 12 000 K. Tällöin rakettisuuttimen sisäpinta on parabolinen heijastin, joten suutin toimii samanaikaisesti peilinä lasersäteilyä varten ja suutin lähteville kaasuille.

Parabolinen heijastin vastaanottaa lasersäteen, jonka tehotiheys on pienempi kuin ilmakehän läpi kulkeva maksimivirta ilman vääristymiä, ja keskittää sen kiinteään polttoainesauvaan. Täten haihtuva polttoaine kulkee lasersäteilyalueen läpi suurella voimakkuudella (107-109 W / cm2) ja lämpenee korkeisiin lämpötiloihin. Sitten korkeaan lämpötilaan kuumennettu kaasu laajenee ja sen lämpöenergia muuttuu kineettiseksi energiaksi. Tällainen järjestelmä antaa suuremman ominaisvoiman kuin yksinkertainen haihdutusjärjestelmä.

Rakettien, joiden hyötykuorma on enintään 1 tonni, laukaisemiseksi geosentriselle kiertoradalle, yksi hankkeista ehdottaa pulssipitoisten hiilidioksidilaserien käyttöä. Tällaiset laserit voivat tuottaa valopulsseja, joiden säteen poikkeama on alle 0,2 "ja kesto useita millisekunteja.

Alustavien arvioiden mukaan 1 kg: n hyötykuorman laukaisun kustannukset lähellä maata olevalle kiertoradalle maalla sijaitsevalla laserlaitteistolla ovat noin 50 dollaria. Suurin ongelma tällaisten rakettijärjestelmien suunnittelussa on tehokkaimman muunnoksen ongelma. lasersäteen energian raketin liikkeen kineettiseen energiaan, joka riittää käynnistämään jälkimmäisen lähellä maata kiertoradalle. Moottorille syötetty kokonaisenergia raketin kiertoradalle laskemisen aikana on verrannollinen lähteen tehon ja laukaisuajan tuloon. Samalle hyötykuormalle se on melkein riippumaton laukaisuaikasta. Tämä tarkoittaa, että lisäämällä laukaisuaikaa on mahdollista vähentää lähteen tehoa ja päinvastoin lisäämällä lähteen tehoa lyhentää raketin kiertoradalle laukeamisen aikaa.

Pienin laserteho voi olla luokkaa 200-300 MW, jos rakettia kiihdytetään pitkään, mutta tämä johtaa myös kiihdytysvyöhykkeen kasvuun - suurin etäisyys, jonka lasersäteen on kuljettava saavuttaakseen rakettivastaanotin. Energiansiirron korkean hyötysuhteen ylläpitämiseksi etäisyyden kasvaessa on välttämätöntä, kuten jo mainittiin, joko vähentää säteen jakautumista tai lisätä raketin vastaanottavan laitteen kokoa. Ensimmäinen vaihtoehto vaatii parannettua laseroptiikkaa, toinen johtaa raketin vastuksen lisääntymiseen. Kuviossa 1 on esitetty lasertehon likimääräinen riippuvuus ruiskutusjärjestelmän kiihtyvyysvyöhykkeen pituudesta, joka varmistaa yhden tonnin hyötykuorman toimittamisen kiertoradalle. kymmenen.

Kuva 10. Lasersäteilyn ominaistehon likimääräinen riippuvuus kiihtyvyyden pituudesta, kun hyötykuorma, jonka massa on 1 t, poistetaan

Kuvatun projektin piirre on kemiallisen reaktion energian käyttö yhdessä lasersäteilyn energian kanssa käyttönesteen lämmittämiseksi. Moottorisykli alkaa polttoaineen sytyttämisestä ja valopulssin syöttämisestä. Kevyt pulssi tuottaa työaineen lisälämmityksen, jolloin muodostuu noin 20000 K: n lämpötilan plasma, joka laajentaa ja ajaa kaasua moottorin suuttimesta. Kun kaasu lähtee suuttimesta, käytetään uutta valopulssia, polttoaine syttyy ja koko sykli toistetaan uudelleen.

Moottorin työntövoiman kesto riippuu valopulssin kestosta. Joten esimerkiksi työntövoiman aikaansaamiseksi 800 sekunniksi (rakettipohjan kaasupaine saavuttaa 3 MPa), on käytettävä valopulssia, jonka energian vuon tiheys on 2,10 7 W / cm 2 ja kesto on 10-6 s, kun taas nopeus kiihdytyksen lopussa saavuttaa 8 km / s. Koska työntövoima on aina kohtisuorassa moottorin suuttimen ulostuloon nähden, lasersäteen suunnan ei tarvitse olla sama kuin raketin pituusakselin suunta.

Toinen menetelmä työntövoiman muodostamiseksi, käyttämällä lasersäteilyn absorbointia, soveltuu avaruusaluksen kiihdyttämiseen liikeradan ilmakehän osassa. Sen ehdotti FIANin tutkijaryhmä AM Prokhorovin johdolla vuonna 1973. Tässä versiossa säteily ilman merkittävää absorptiota kulkee ilmakehän läpi ja osuu paraboliseen heijastavaan pintaan, joka sijaitsee lentokoneen hännän osassa ja on kiinni jäykästi siihen. Säteilyn voimakkuuden tämän pinnan polttovyöhykkeellä on ylitettävä kynnys, jolla siellä sijaitsevan ilman sähköinen hajoaminen tapahtuu. Työntövoima tapahtuu ilman muuta polttoainetta kuin ilmakehän ilmaa. Jos laserpulssien välillä tapahtuu ilmamuutos, moottori toimii lasersykkivänä suihkumoottorina.

Kuva: 11. Lasersykkivä VRM: 1 - parabolikuori kiillotetulla sisäpinnalla, 2 - paraboloidin tarkennus, 3 - ilman hajoaminen, 4 - kevyt räjähdysaalto, 5 - lasersäde

Kaaviomainen sykkivän laserin esitysm ilmamoottorimoottori antaa kuvan. 11. Kiillotettuun sisäpintaan osuva lasersäde keskitetään tuottamaan korkean intensiteetin virta. Seuraava ilman hajoaminen tuottaa iskuaallon, joka etenee kohti suuttimen ulostuloaukkoa. Lisäksi kaikki sen takana olevat korkeat kaasupaineet muutetaan suuttimen seinämiin vaikuttavaksi voimaksi, ts. Työntövoimaksi.

Laser MHD -moottori. Osana Yhdysvaltojen yksivaiheisen kuljetusaluksen lupaavien moottoreiden analysointityötä tehtiin tutkimuksia MHD-moottorin luomiseksi laserilla. Tällaisen moottorin tärkein etu verrattuna lasersuihkumoottoriin on, että koska työympäristö kiihtyy elektrodynaamisten voimien avulla, on mahdollista saavuttaa suuret suihkuvirran ulosvirtausnopeudet. Ilmakehästä saatavaa plasmaa käytetään työaineena; energialähde - kiertorata- tai maa-asemien lasergeneraattorit, joita pitkin kuljetusavaruusalus liikkuu.

Kuljetusavaruusaluksen MHD-moottorilla, jonka poikkipinta-ala on yhtä suuri kuin kantoraketti Saturn-5: n poikkipinta-ala, on edessä lasersäteilyvastaanotin, jota seuraa rengasmainen ilmanotto. Ilmanottoaukosta ilma pääsee ionisaatiokammioon, jossa se ionisoidaan lasersäteilyn vaikutuksesta ja muuttuu tiheäksi plasmaksi. Suurin osa lasersäteilystä ei absorboidu tuloksena olevaan plasmaan, vaan heijastuu seiniin, joita pitkin lasersäteilyn muuntimet sijoitetaan sähkövirraksi. Syntynyttä sähköä käytetään työntövoiman luomiseen, samalla tavalla kuin se tapahtuu päätypinnan plasmamoottoreissa: plasmaa kiihdyttää voima, joka syntyy sähkövirran ja oman magneettikentän vuorovaikutuksesta. Moottorista tuleva plasmasuihku luo suihkuttimen.

Toimintaparametrien analyysi tehtiin suhteessa liikenneavaruusaluksen 22 t: n kiertoradan arvoon: virta 360 kA - maanpinnalla, 600 kA (enintään) - suurimmalla työntövoimalla 500 m: n lentonopeudella / s ja kiertoradanopeudella 280 m / s, ulosvirtausnopeus on varattujen hiukkasten suihkuvirta useita satoja metrejä sekunnissa maapallon lähellä ja 460 km / s kiertoradalla. Lasersäteilyn teho kasvaa nopeasti 1,35 GW: iin avaruusaluksen kiihdytyksen aikana, kunnes saavutetaan lentonopeus 750 m / s, ja noin 1,5 km / s: n lentonopeudesta se kasvaa lineaarisesti 3,75 GW: iin kiertoradalla nopeus.

Sähkömagneettinen resonaattori. Toisin kuin aiemmin katsotut moottoripiirit, tässä moottorissa ei ole työskentelynestettä, tai pikemminkin sähkömagneettinen säteily pelaa rooliaan. Olemme jo harkinneet mahdollisuutta käyttää sähkömagneettisen säteilyn painetta työntövoiman luomiseen aurinkopurjeessa ja havainneet, että käytettäessä jopa tällaista melkein rajoittamatonta sähkömagneettisen energian lähdettä, joka on aurinko, työntövoiman mahdollinen arvo on useita kilogrammoja.

Voisiko luottaa siihen, että saavutetaan huomattava työntövoima sähkömagneettisen säteilyn paineesta käytettäessä keinotekoista säteilylähdettä (esimerkiksi laseria tai voimakasta sähkömagneettisten aaltojen generaattoria mikroaaltojen alueella)?

Tarkastellaan tarkemmin sähkömagneettisen säteilyn paineesta johtuvaa työntövoimaa. Anna sähkömagneettisen säteilyn virtauksen, jolla on riittävän suuri tiheys pinta-alayksikköä kohti, pudota pinnalle. Jos kaikki tämä voima voitaisiin muuntaa työntövoimaksi, jälkimmäisen arvo, jolla on riittävän kehittynyt pinta säteilyn vastaanottamiseksi, voi olla merkittävä. Kuitenkin prosessilla, jolla sähkömagneettisen säteilyn energia muunnetaan avaruusaluksen kineettiseksi energiaksi, on ominaisuus, että vain erittäin merkityksetön osa tulevasta energiasta (nimittäin W/cmissä W - energian virtaus; alkaen - valon nopeus) muutetaan avaruusaluksen kineettiseksi energiaksi.

Loput energiasta menevät jälleen peruuttamattomasti avaruuteen. Jos tämän energian voitaisiin saada toistuvasti putoamaan samalle pinnalle, olisi mahdollista lisätä merkittävästi sähkömagneettisen säteilyn energian muuntamisen tehokkuutta avaruusaluksen liikkeen kineettiseksi energiaksi. Tämä ajatus toteutuu sähkömagneettisessa resonaattorimoottorissa.

Kaaviokuva sähkömagneettisesta resonaattorimoottorista (EMRM) on esitetty kuvassa. 12. Avaruusaluksen kiihdytys suoritetaan sähkömagneettisen säteilyn paineen vuoksi avaruusaluksen peiliin peilien 2, 3 muodostamassa avoimessa resonaattorissa.

Lähteen 1 sähkömagneettisen säteilyn pumppaus resonaattoriin tapahtuu venttiilin 4 kautta. Resonaattorin sähkömagneettisen säteilyn paine on monta kertaa suurempi kuin lähteen säteilypaine (johtuen sähkömagneettisen säteilyn kertymisestä resonaattori). Avaruusaluksen kiihtyvyys jatkuu, kunnes resonaattorin sähkömagneettisten värähtelyjen vaimennus on täydellinen lähteen 1 sammuttamisen jälkeen. Jos sivusiruntaa ja häviöitä ei ole peileissä ja väliaineessa, sähkömagneettisten värähtelyjen energian on muututtava kokonaan kineettiseksi energiaksi avaruusaluksen.

Propulsiojärjestelmässä oletetaan, että paikallaan olevalla lähteellä ja avaruusaluksella on peilit tiukasti toisiinsa nähden. Tämä mahdollistaa jokaisesta peilistä vuorotellen heijastuvan aaltopulssin uudelleenkäytön avaruusaluksen vauhdin lisäämiseksi. Se johtuu fotonipulssin toistuvasta käytöstä, joka siirtää pienen osan kaikesta energiasta avaruusalukseen jokaisen heijastuksensa ollessa liikkuvasta peilistä, että korkea sähkömagneettisten värähtelyjen energian muuntokerroin avaruusalukset saavutetaan, mikä on EMRE: n vakava etu muihin moottoreihin verrattuna, jotka käyttävät painetta sähkömagneettisen säteilyn aikaansaamiseksi. Samanaikaisesti on huomattava, että on olemassa valtavia teknisiä vaikeuksia, jotka on voitettava, jos tämä järjestelmä pannaan täytäntöön.

Kuva: 12. Kaaviokuva sähkömagneettisesta resonaattorimoottorista: 1 - sähkömagneettisen säteilyn lähde, 2 - maa-asennuksen peili, 3 - lentokoneen peili 4 - venttiili, 5 - avaruusalus

EMRE-kaavion analyysi osoittaa, että käyttövoimajärjestelmän pääparametrit määräytyvät peilien ominaisuuksien, säteilylähteen ja paikallaan olevan asennuksen ja avaruusaluksen keskinäisen suunnan tarkkuuden perusteella. Puolestaan \u200b\u200bEMRD: n tehokkuus määräytyy ensisijaisesti laitteen maksimaalisen poistamisen avulla d, jossa muuntokerroin on edelleen riittävän suuri. Voidaan osoittaa, että kahden peilin välisen voimansiirron suurin hyötysuhde sähkömagneettisen säteilyn avulla riippuu vain parametrista?:? \u003d? d/R 1 R 2, missä R 1 R 2 - peilien mitat. For?< 1 КПД передачи может быть равным практически 100 %. С увеличением расстояния эффективность ЭМРД резко падает, как только перестает выполняться это условие.

Siirtotehoa koskevat vaatimukset ovat melko tiukat. Esimerkiksi, kun järjestelmän kokonaishyötysuhde on 10%, pienin sallittu siirtotehokkuus on 99,9%. Huomaa kuitenkin, että 10% on erittäin korkea vaatimus järjestelmän yleisestä tehokkuudesta. Perinteisessä avaruusaluksen laukaisupyörässä kiertoradalle nestemäisillä rakettimoottoreilla polttoaineen kemiallisen energian muuntamisen avaruusaluksen kineettiseksi energiaksi kokonaishyötysuhde on vain 2–3%. Koska EMRE: n tapauksessa energialähde sijaitsee avaruusaluksen ulkopuolella, jopa muunnoksen kokonaishyötysuhteen pieni lasku tähän arvoon nähden on täysin sallittua.

Erittäin korkean taajuuden suihkuplasmamoottorit. Ulkoisiin sähkömagneettisen säteilyn lähteisiin perustuvat liikkumissuunnitelmat, joissa käytetään pääasiassa lasereita generaattorina, on käsitelty aiemmin. Tämän mukaisesti tämäntyyppisten generaattoreiden säteilytaajuudet ovat infrapuna- ja näkyvillä alueilla. Näitä taajuuksia vastaavat aallonpituudet vaihtelevat välillä 0,3 - 15 mikronia, ja vaikka antennien mitat, jotka tarvitaan pienen divergenssin omaavien säteiden muodostamiseen, ovat satoja tuhansia tai jopa miljoonia aallonpituuksia, absoluuttiset mitat eivät ylitä muutamaa metriä.

Mahdollisuus toteuttaa pieniä, toisistaan \u200b\u200bpoikkeavia säteitä suhteellisen pienillä antennikokoilla on yksi syy tarkkaan huomion kiinnittämiseen näkyviin ja infrapuna-aallonpituusalueisiin sekä tulevaisuudessa ultravioletti- ja röntgensäteilyyn ulkoisiin energialähteisiin perustuvien käyttövoimajärjestelmien toteuttamiseksi. . Ehdotukset sähkömagneettisen säteilyn käytöstä työntövoiman aikaansaamiseksi on kuitenkin historiallisesti liitetty mikroaaltosäteilyyn. Ja voi hyvinkin olla, että optisista ja infrapunasäteilyn monista eduista huolimatta ulkoisten (keinotekoisten) energialähteiden omaavien moottoreiden ensimmäinen toteutus suoritetaan mikroaaltojen alueella.

Yksi mahdollisuuksista muuntaa mikroaaltouuni vetovoimaksi on mikroaaltotehon tuominen erittäin ionisoituneeksi plasmaksi syklotroniresonanssitaajuudella (ts. Taajuudella, jolla elektronit pyörivät magneettikentän viivojen ympäri). Kun mikroaaltosäteilyn taajuus ja syklotroniresonanssin taajuus yhtyvät, tapahtuu voimakas sähkömagneettisen aallon energian siirtyminen plasmaelektroneihin. Elektronien ja ionien törmäysprosessissa osa elektronien energiasta siirtyy ioneille, minkä seurauksena plasman lämpötila nousee, ja mikroaaltosäteily, joka kulkee sen läpi ja luovuttaa energiaa, hajoaa. Vaadittu magneettikenttä B syntyy kiihdyttimen ulompaan osaan.

Kuva: 13. Erittäin korkean taajuuden suihkumoottori: 1 - aaltojohde, 2 - puoliaallon dielektrinen ikkuna, 3 - solenoidi, 4 - työskentelynesteen ruiskutus

Tila-mikroaaltomoottorin elementtien mahdollinen järjestely on esitetty kaavamaisesti kuviossa. 13. Tällainen moottori koostuu olennaisesti aaltojohteesta, solenoidista ja sähkömagneettisille aalloille läpinäkyvästä ikkunasta, jonka läpi mikroaaltosäteily pääsee. Ikkuna estää liikkuvien hiukkasten takaisinvirtauksen kohti mikroaaltolähdettä. Kiihdytin sisältää käyttönesteen (polttoaineen) ruiskutusjärjestelmän sekä välineet tasaisen magneettikentän voimakkuuden varmistamiseksi (säteilytaajuuden ja syklotronitaajuuden sattuman saavuttamiseksi vuorovaikutustilassa). Jatkuvalla tehotasolla, joka on luokkaa 1 kW tai enemmän, mikroaaltosäteilyvuo osoittautuu riittäväksi injektoidun työaineen täydelliseen ionisaatioon ja tarvittavan kineettisen energian välittämiseen plasmaan.

Tämän tyyppisen plasmakiihdytyksen edut johtuvat kiihdyttimen elektrodittomasta rakenteesta ja liikkuvien osien täydellisestä puuttumisesta. Siksi voidaan periaatteessa odottaa, että moottorille on ominaista suunnittelun ja kestävyyden äärimmäinen yksinkertaisuus. Pienitehoiset mikroaaltomoottorit ( R < 100 кВт) могут найти применение в недалеком будущем, после того как в них будут внесены некоторые технические усовершенствования. Использование же СВЧ-двигателей для создания основной тяги (R \u003e 100 kW jatkuvassa tilassa) tulee mahdolliseksi, jos otetaan käyttöön mikroaaltopalkkeja käyttävät energiansiirtojärjestelmät (satelliitti-aurinkovoimalat).

Mahdollisuudet luoda voimakkaita sähkömagneettisen säteilyn lähteitä. Monimutkainen tekninen ongelma, joka on ratkaistava, kun luodaan propulsiojärjestelmä ulkoisilla sähkömagneettisen säteilyn lähteillä, liittyy läheisesti muiden tieteen ja tekniikan alojen ongelmiin sekä yleisempiin ongelmiin.

Kuten tiedätte, laserit luotiin ilman yhteyttä avaruusongelmiin, ja yli kymmenen vuoden ajan ei ollut aavistustakaan käyttää niitä avaruuden käyttövoimajärjestelmien elementtinä. Laserteknologian kehitys, joka koostuu säteilevän tehon kasvusta, yhä useampien uusien alueiden kehittämisestä, ominaisuuksien parantamisesta jne., On tapahtunut ja tapahtuu melko nopeasti. Riittää, kun sanotaan, että parhaiden nykyaikaisten lasereiden säteilyteho on 106-108 kertaa suurempi kuin ensimmäisten lasereiden säteilyteho. Tällainen edistys, joka hahmoteltiin jo huomattavasti 60-luvun lopulla, antoi mahdollisuuden pitää lasereita potentiaalisesti voimakkaina lähteinä moniin tarkoituksiin sopivaa energiamuotoa - sähkömagneettista säteilyä, valoa, infrapunaa ja ultraviolettialuetta (nyt tämä spektri on laajentunut) vielä enemmän).

Silloin syntyi idea käyttää lasereita ohjusten kiihdyttämiseen, jonka valmisteli koko lasertekniikan lyhyt historia. Toisaalta kysymys ulkoisten energialähteiden käytöstä on kypsynyt myös avaruustekniikassa, jossa sitä on toistuvasti nostettu esiin ja keskusteltu KE Tsiolkovskyn, FA Tsanderin ja muiden kosmonautiikan pioneereiden teoksista.

Sähkömagneettisen säteilyn energian muuntamiseksi työaineen kineettiseksi energiaksi kysymys valmisteltiin plasman lämmittämisellä mikroaaltosäteilyllä ja ensimmäisillä kokeilla sellaisten moottoreiden luomiseksi, jotka käyttävät sähkömagneettista energiaa työntövoiman luomiseen.

Ideoita syntyy eri tavoin: jotkut esiintyvät kauan ennen toteutuksen mahdollisuutta ja joskus jopa suorittavat kohdennettuja kokeita niiden testaamiseksi. Muiden toteuttaminen tieteen ja tekniikan yleisen kehitystason perusteella voidaan aloittaa paljon aikaisemmin kuin ne syntyivät. Ajatus lasereiden ja muiden voimakkaiden sähkömagneettisen säteilyn lähteiden käytöstä avaruusvoimajärjestelmissä ei ollut tapahtumien etua edes eikä myöhässä. Sen syntymä tapahtui melkein samaan aikaan mahdollisuuksien kanssa tehdä työtä tämän idean toteuttamiseksi.

Avaruusalusten kiertoradalle viemisen ongelma on nykyään useiden fysiikan ja tekniikan alueiden yhtymäkohdassa: avaruusmoottorit, laserit, säteilyn vuorovaikutus aineen kanssa, mekaniikka, voimakkaiden sähkömagneettisten säteiden vastaanottaminen ja lähettäminen jne. tieteellä ja tekniikalla on paljon sovelluksia, ja siksi eteneminen laserinjektioideoiden kehittämisessä määräytyy paitsi (ja alkuvaiheessa, ei niin paljon) kokeellisten laitteiden parametrien lisäksi myös ominaisuuksilla, joilla on järjestelmiin muihin tarkoituksiin sisältyvien elementtien avulla.

Tältä osin haluaisin panna merkille työn, joka tulevaisuudessa on suoraan sovellettavissa järjestelmiin, joissa on avaruusalusten etävirtalähde. Puhumme edelleen avaruusvoimaloista. Satelliittisten aurinkovoimaloiden (SPS) luomista on pohdittu vakavasti 70-luvun alusta lähtien, jolloin kävi selväksi, että useimpien maiden fossiilisista lähteistä peräisin olevan energian tarpeiden täyttämisessä on vakavia rajoituksia. Energiakriisi länsimaissa 1973-1974 antoi lisäpotkua tämän ongelman toteuttamiselle.

SSE: n luomisen mahdollisuuksien keskustelun yhteydessä kehitettyjen käsitteiden mukaan jälkimmäiset ovat aurinkoparistojen tai muiden aurinkosäteilyn vastaanottimien tasaisia \u200b\u200bkenttiä, joiden pinta-ala on satoja neliökilometrejä, sijoitettuna geostationaalisiin tai erittäin elliptisiin kiertoradoihin ja - suuntautunut jatkuvasti aurinkoon. Osa vastaanottimiin putoavasta aurinkoenergiasta (15–20%) muunnetaan sähköenergiaksi. 100 km 2: n pinta-alalla tällaisen maasatelliitin kiertoradalle sijoitetun voimalaitoksen kokonaissähköteho on 15–20 GW, ts. Kapasiteetti, joka on 4–5 vesivoimalalla. Bratsk-tyyppiset ovat. Arvioidaan, että SSE: n massa mitataan kymmenissä tuhansissa tonneissa.

Vakava ongelma on SSP: llä vastaanotetun energian siirtäminen kuluttajille, jotka voivat sijaita jopa kymmenien tuhansien kilometrien päässä voimalaitoksesta. Tehokas ja käytännössä ainoa tapa siirtää SSP: llä vastaanotettua energiaa on lähetys suunnatun sähkömagneettisen säteilyn avulla. Alun perin tähän tarkoitukseen oli tarkoitus käyttää mikroaaltouunin energiansiirtojärjestelmää, jonka aallonpituus oli 10–12 cm, ja tämän alueen valinta ei ollut sattumaa. Sillä on useita etuja, mukaan lukien ionosfäärin ja ilmakehän läpinäkyvyys sähkömagneettisille aalloille (mukaan lukien pilvinen sää ja sateet), hyvin kehittynyt tekniikka, joka pystyy tarjoamaan korkean hyötysuhteen suoran sähkövirran muuntamiseksi mikroaaltouuniksi jne.

Tehokas energian siirto häviöiltä 40 000 km: n etäisyydeltä (eli erittäin elliptiseltä tai geostationaariselta kiertoradalta maahan) vaatii 1 km: n avaruuslähetysantennin ja 10-15 km: n maanpäällisen vastaanottoantennin. Tältä osin yhä enemmän kiinnostusta osoitetaan lasersäteilyä käyttäviin energiansiirtojärjestelmiin.

Jos sähköenergia muunnetaan lasersäteilyksi, laserlähettimessä (aallonpituudella 10,6 mikronia) on oltava läpimitaltaan 31 m: n lähetysantenni ja maan päällä olevan antennin mitat ovat 31 x 40,3 m. välittää energiaa paitsi maapallolle myös muille satelliiteille sekä tarjota virtaa lentokoneiden ja avaruusalusten käyttövoimajärjestelmille. Jos mikroaaltojärjestelmässä suurin sallittu energiavirta ei ylitä 23 MW / cm 2, sitten 500 MW: n teholle suunnitellussa laserjärjestelmässä suurin säteilyenergiavirta voi nousta 185 W / cm 2: iin ilman, että lisääntyvät häviöt vuorovaikutuksessa valonsäteen ilmakehän kanssa.

Yksi mahdollisista vaihtoehdoista laservoimajärjestelmälle on SCE: n laukaisu matalan maapallon aurinkosynkroniselle kiertoradalle, aluksella tapahtuvan aurinkoenergian myöhempi muuntaminen lasersäteilyksi ja jälkimmäisen siirtäminen yhdelle tai kahdelle releen geostationaalisella kiertoradalla. Ja lopuksi, lasersäteilyn siirtäminen näistä satelliiteista maanpäällisiin vastaanottokeskuksiin.

Huomaa, että sähköjärjestelmän konfigurointi relesatelliittien avulla on mahdollista vain käytettäessä laserin aallonpituusalueella. Samaan aikaan SSP: n laukaiseminen matalalle polaariradalle (eikä kiinteälle tai erittäin elliptiselle kiertoradalle, kuten alkuperäisessä konseptissa) antaa 6-10-kertaisen alennuksen lastin kokonaismassalle, joka on injektoitava referenssille. kiertoradalla SSP: n luomisen varmistamiseksi. Yleisesti ottaen, kun käytetään useita lupaavia teknisiä ratkaisuja, laserenergiajärjestelmillä on todennäköisesti vakavia etuja verrattuna mikroaaltojen alueella toimiviin järjestelmiin massaominaisuuksien suhteen ympäristön pilaantumisen ja kustannusten kannalta.

Tällaisten järjestelmien kokonaishyötysuhde voi nousta 8 - 12%, mikä on melko verrattavissa mikroaaltojärjestelmien yleiseen hyötysuhteeseen. Toisin kuin mikroaaltojärjestelmät, laserjärjestelmät eivät ole kaikki sääolosuhteet, koska lasersäteily imeytyy voimakkaasti, kun se etenee pilvissä ja sade-alueilla. Tämä ongelma voidaan ilmeisesti ratkaista luomalla varakentän maavastaanottoasemat sekä sijoittamalla vastaanottoasemat alueille, joilla on pieni sateen todennäköisyys. Kun laser-avaruusvoimaloita käytetään ulkoisena energialähteenä avaruusalusten ja rakettien kiihdyttämisessä, sääolosuhteet voivat vaikuttaa vain lentoradan ilmakehän osaan.

MOOTTORIT KÄYTETTÄESSÄ ULKOISIA PAINOLÄHTEITÄ

Lähes kaikissa aiemmin tarkastelluissa propulsiojärjestelmissä massa, josta raketti karkotetaan (heitetty massa), keskittyy raketin sivulle. Massan varastointiin tarvitaan säiliöitä ja niiden tukirakennetta, mikä lisää huomattavasti raketin massaa, rajoittaa sen laukaisumassaa ja vähentää tietyllä massareservillä hyötykuorman ominaisnopeutta. Siksi on luonnollisesti halu käyttää ulkoisia massoja rakettimoottoreissa, samalla tavalla kuin se tapahtuu maa- ja lentoliikenteessä, kun joko maapalloa tai sen ilmakehää käytetään ennustettuna massana.

Paljon tutkimusta on tehty maapallon ilmakehän käytöstä rakettien laukaisemiseen maapallolta. Samanaikaisesti odotettiin kaksinkertaista voittoa. Ensinnäkin ilmassa oleva happi voi toimia raketin aluksella varastoidun polttoaineen hapettimena, mikä vastaa rakettiin varastoidun kokonaisenergian lisäämistä. Toiseksi hävitetyn massan määrän kasvu vähentää pakokaasunopeutta ja siten työntövoiman tehokkuutta lentolentojen alkuvaiheessa. Lisäksi tietyllä moottoriteholla, ylimääräisen hävitetyn massan vuoksi, on mahdollista lisätä suurten laukaisumassojen työntövoimaa ja laukaista raketteja.

Hapen ja lisämassan lähteenä ilmaa käytetään laajalti nykyaikaisissa kaasuturbiini- ja ramjet-moottoreissa (VRM).

VRM: n toimintaperiaate on, että ilma, joka saapuu moottoriin lentokoneen nopeudella, lisää sen nopeutta moottoriin vapautuneen energian ansiosta. Ilman nopeuksien ero moottorin sisäänkäynnissä ja siitä poistumisessa kerrottuna ilmamassalla on täsmälleen yhtä suuri kuin moottorin työntövoima. Koska tietyn energian vapauttamisen ja muiden asioiden ollessa yhtä suuret, ilmanopeuden suhteellinen kasvu laskee, ja lentokoneen nopeuden kasvaessa VRM: n työntövoima pienenee vastaavasti.

Ulkoista massaa käyttävien moottoreiden lentonopeutta koskevia rajoituksia voidaan vähentää merkittävästi, jos ydinreaktioiden energiaa käytetään syöttämällä se ilmaan joko suoraan (kuten kaasufaasireaktoreissa) tai virtalähteestä. Ensimmäisessä tapauksessa radioaktiivisten tuotteiden poistuminen ilmakehään tapahtuu, toisessa on aluksen voimalaitoksen suurten massojen vuoksi mahdotonta aloittaa maapallon pinnalta. Siksi ulkoisen massan käyttöä tällaisissa moottoreissa harkitaan vain avaruudessa.

Avaruuden matalan tiheyden takia perinteiset ilmankerääjien suunnitelmat kelloputkena ovat järkeviä vain hyvin matalilla kiertoradoilla (100–120 km). Suuremmissa korkeuksissa ilmanoton tehokkuutta voidaan lisätä merkittävästi varustamalla moottori magneettikentän lähteellä (solenoidilla). Planeettien välinen väliaine on ionisoitu kaasu (plasma), ja ionisaation aste kasvaa etäisyydellä maasta, ja alkaen 10000 km: n korkeudesta tapahtuu melkein täydellinen ionisaatio.

Kuten jo todettiin, plasman hiukkasten liike magneettikentän voimajohtojen yli on estetty, ja magneettikentällä voi olla suppilon tehtävä ohjata varattujen hiukkasten virtauksia moottoriin. Tämän seurauksena massan poiminnan tehollinen alue käytännössä saavutettavissa olevilla magneettikentillä voi kasvaa useita tuhansia kertoja.

Esimerkiksi magneettikentän lähteessä, jonka muoto on silmukka, jonka virta on halkaisijaltaan 15 m ja magneettikentän induktio 10 Tc: n keskellä, alue, josta plasmavirta kerätään, on noin 2 km 2 . Moottori, jolla on samanlainen massanotto matalilla kiertoradoilla pakokaasunopeudella 100 km / s, voi luoda 2 kgf: n työntövoiman ja kuluttaa 200 kW: n voiman työntövoiman tuottamiseksi.

Tällaiset moottorit voivat olla sopivia kuljetuksiin kiertoradojen välillä, joiden korkeus vaihtelee välillä 300-10 000 km. Yllä väliaineen tiheys laskee voimakkaasti ja planeettojen välisessä tilassa hiukkasten pitoisuus on vain 10 cm –3, mikä vastaa tiheyttä 10–20 kg / m 3. Kuvitellaksemme aineen tällaisen harvinaisuuden astetta käytämme kuuluisan englantilaisen tähtitieteilijä J.Jeansin kuviollista vertailua: "Yhdellä uloshengityksellä kärpäsi voisi täyttää koko katedraalin tiheydellä."

Moottorin läpi kulkeva massavirta kasvaa tietysti raketin nopeuden kasvaessa, mutta samalla, virtausenergian lisääntyessä vakiolla magneettikentän voimakkuudella myös magneettisen sisääntulon tehollinen koko kasvaa. lasku. Tämän seurauksena massankulutus kasvaa vain suhteessa nopeuden kuutiojuureen.

Jos magneettimassan poimimalla varustettu moottori on puhtaasti ioninen (ilman kompensoitua ulosheitettävien hiukkasten varausta), ulkoisen massavirran jonkinlainen kasvu on mahdollista johtuen raketin sähkövarauksen esiintymisestä. Esimerkiksi, jos moottori kiihdyttää positiivisesti varautuneita ioneja, se saa negatiivisen varauksen ja alkaa houkutella ulkoavaruuden ioneja. Nämä ionit voidaan ohjata magneettikentällä kiihdytyslaitteeseen ja käyttää työskentelynesteenä.

Tällä tavoin riittävien massamenojen saamiseksi planeettojenvälisen väliaineen tiheydellä tarvitaan kuitenkin raketin erittäin suuret potentiaalit suhteessa ympäröivään tilaan. Avaruusalukselle, jonka halkaisija on 15 m 10 V: n potentiaalilla, massavirta on 4 · 10 –8 kg / s. Tämän virtauksen lisäkiihdytyksellä, esimerkiksi potentiaalilla, joka on 10 kertaa suurempi, moottorin työntövoima on 0,03 kgf. Mutta kiihtyvyys 10 7 V: n potentiaalierolla vastaa lämpöydinreaktioiden aikana muodostuneiden hiukkasten energiaa. Tässä tapauksessa, jos käytät niitä hävitettynä massana, avaruusplasman ionien lisääminen ei tuota huomattavaa työntövoiman kasvua.

Yhteenvetona kaikesta sanotusta voidaan todeta, että planeettojen välisen ja vielä enemmän tähtienvälisen väliaineen käyttö rakettimoottoreiden työvälineenä tulee mahdolliseksi, jos nykyisten magneettikentän lähteiden ominaisuuksia lisätään satoja tuhansia kertaa. Tällaisen korotuksen tapoja ei tällä hetkellä edes tiedetä.

Planeettien välisessä avaruudessa on kuitenkin riittävä määrä makrokappaleita - planeettoja, niiden satelliitteja, asteroideja, meteoriitteja. Emme koske kosmisten kappaleiden muodostavien kivien ja niiden ilmakehän suoraa käyttöä. Avaruuskappaleita muodostavia aineita voidaan periaatteessa käyttää missä tahansa tässä kuvatuissa moottoreissa. Tarkastellaan vain makrokappaleiden kontaktittoman käytön menetelmiä.

Gravitaatiovaikutus ilmenee voimakkaimmin ulkoavaruudessa. Valitettavasti mahdollisuudet käyttää sitä avaruusalusten kiihdyttämiseen ovat erittäin rajoitetut. Itse asiassa lentäen avaruusrungon ohi, raketti kiihtyy vetovoimansa takia, kunnes se ylittää vähimmäislähestymiskohdan. Lisäksi sen hidastuminen alkaa, ja raketin kineettisen energian kokonaismuutos on nolla. Jos vähimmäislähestymisen jälkeen olisi mahdollista seuloa painovoima tai muuttaa sen merkki päinvastaiseksi, monet avaruuslentojen ongelmat ratkaistaisiin helposti. Mutta valitettavasti nykyaikainen tiede ei edes tiedä, ovatko tällaiset manipulaatiot gravitaatiokentän kanssa mahdollisia.

Joissakin tapauksissa painovoiman vuorovaikutusta voidaan kuitenkin käyttää aluksella tapahtuvan massavaraston vähentämiseen. Tämä koskee ensisijaisesti avaruusalusten kiertoratojen tasoa. Esimerkiksi kun kuun ympäri kiertävä geostationaarinen satelliitti laukaistaan, ponneaineen kulutusta voidaan vähentää 10% verrattuna suoraan laukaisuun. Lisäksi "työntövoimajärjestelmät ovat mahdollisia, koska ne toimivat painovoimakentän epähomogeenisuuksien vuoksi, jotka eivät vaadi aluksella olevia massavarantoja hyötykuorman siirtämiseksi painovoimakentässä".

Niiden toimintaperiaate perustuu ns. Vuorovesi-voimien käyttöön (kuva 14). Jos kaksi kaapelilla liitettyä massaa pyörii maapallon keinotekoisen satelliitin kiertoradalla, tällainen järjestelmä yleensä liikkuu nopeudella, joka vastaa sen massakeskipisteen kiertorataa. Tämän seurauksena maasta kauimpana olevalla massalla on suurempi nopeus kuin sen tasapainoliikkeeseen tarvitaan, ja siksi siihen on kohdistettava ylimääräinen keskipakovoima. Maapalloa lähinnä olevan massan nopeus on päinvastoin pienempi kuin tasapainoinen ja ylempään massaan kohdistuu liikaa painovoimaa, yhtä suuri ja vastakkaiseen suuntaan suuntautunut voima.

Näitä voimia kutsutaan vuorovesivoimiksi. He venyttävät köyttä, ja löysäämällä kitkaa kitkalla pakotamme vuorovesivoimat tekemään työn. Tämä työ suoritetaan järjestelmän kineettisen energian ansiosta, ja seurauksena sen painopiste siirtyy alemmalle kiertoradalle. Samoin planeettojen välillä vaikuttavat vuorovesivoimat aiheuttavat niiden keskinäisen lähentymisen. Esimerkiksi kuun aiheuttamat valtamerivedet aiheuttavat maapallon pintaan kohdistuvan kitkan seurauksena kuun ja maan välisen etäisyyden vähenemistä.

Toisaalta tekemällä työtä vuorovesivoimien toimintaa vastaan, on mahdollista nostaa järjestelmän painopisteen kiertorata. Toista jakso sen jälkeen, kun massat ovat täysin vetäytyneet yhteen, ne on työnnettävä pois vapaasti avautuvalla kaapelilla. Mutta tällaisen käyttövoimajärjestelmän tehokkuus maapallon avaruudessa on hyvin heikko.

Vuorovesien voimakkuuden suuruus on yhtä suuri kuin kiertoradalla olevan painovoiman kiihtyvyyden tulo massojen välisen etäisyyden ja kiertoradan säteen suhteen suhteen. Kiertoradalla, jonka korkeus on 350 km ja massan välinen etäisyys 10 km, se on 1,4 · 10–2 N / kg, geostationaalisella kiertoradalla - 7 · 10 –5 N / kg. Yhdessä kohtaamisjaksossa tehty työ on vastaavasti 7 · 10 –2 ja 3,5 · 10 –4 J / kg. Avaruusaluksen siirtäminen kiertoradalta, jonka korkeus on 350 km, geostationaaliselle kiertoradalle (35880 km) kestää noin 108 jaksoa. Vaikka oletamme, että jokainen sykli valmistuu 1 sekunnissa, tällainen liike kestää yli 10 vuotta.

Kuva: 14. Kaavio "gravitaatiomoottorista" (nuolet osoittavat vuorovesien voiman suunnan): 1 - hyötykuorma, 2 - kaapeli, 3 - kaapelikäämityslaitteet, 4 - maa

On mahdollista, että kun ihmiskunta alkaa luoda siirtokuntia lähellä maapallon avaruutta ja on tarpeen kuljettaa monia miljoonia tonneja lastia korkeille kiertoradoille, niin hitaasti liikkuva menetelmä löytää sovelluksensa. Sen edut ovat ilmeisiä: kulutetun massan täydellinen puuttuminen ja propulsiojärjestelmän pieni teho.

Koska toisin kuin gravitaatiovuorovaikutus, ihmiset ovat oppineet hallitsemaan sähkömagneettista vuorovaikutusta, on mahdollista luoda moottorijärjestelmiä käyttämällä makrokappaleita tältä pohjalta. Yksinkertaisimmassa tapauksessa tällainen moottori on varattu hiukkaskiihdytin. Avaruuskappaleen ohi lennettäessä se säteilytetään varautuneilla hiukkasilla (esimerkiksi elektronilla). Tämän seurauksena avaruusrunko ja raketti ovat vastakkaisten merkkien varausten kantajia.

Latausten vetovoima johtaa raketin kiihtyvyyteen. Raketin maksimaalisen lähestymisen jälkeen avaruusrungolla voit joko sammuttaa kiihdyttimen ja ulkoavaruuden plasma kompensoi varaukset nopeasti, tai vaikka avaruusrungossa oleva varaus pysyy, lataa raketti ja sitten vetovoimat muuttuvat vastenmielisiksi voimiksi.

Tämän vuorovaikutuksen aiheuttama raketin nopeuden kasvu on verrannollinen raketin ja varatun rungon väliseen potentiaaliseen eroon. Esimerkiksi avaruusalukselle, jonka massa on 10 tonnia 106 V: n potentiaalierolla, nopeutta voidaan lisätä 1 m / s ja vastaavasti 108 V: lla 100 m / s. Tämän kiihdytysmenetelmän tehokkuus kasvaa raketin ja varautuneen rungon suhteellisen nopeuden kasvaessa, ja yli 10 km / s nopeudella se voi saavuttaa 20%.

Yhden lataussyklin nopeuden pienen kasvun vuoksi on suositeltavaa käyttää tällaisia \u200b\u200btyöntövoimajärjestelmiä niillä avaruusalueilla, joilla kohtaamiset kosmisten kappaleiden kanssa ovat melko usein (esimerkiksi asteroidivyössä). Lisäksi rakettien sähköstaattinen kiihdytys voi olla hyödyllinen suurten rahtivirtausten tapauksessa maapallon satelliittien kiertoradan välillä. Sitten voidaan toteuttaa seuraava lentotapa. Satelliittijärjestelmä, joista osa on varustettu varautuneilla hiukkaskiihdyttimillä, tuodaan lähelle toisiaan vastakkaisiin kiertoradoihin (kiertoradat vastakkaiseen kiertoon). Lataamalla vastakkaiseen pyörimiseen tulevia satelliitteja on mahdollista muuttaa koko järjestelmän kiertoradan parametreja. Tässä tapauksessa kaikki ehdot tämän kiihdytysmenetelmän tehokkaalle käytölle täyttyvät: suuri kohtaamistaajuus ja suuret suhteelliset nopeudet.

Yksi avaruusalusten sähköstaattisen kiihdytyksen merkittävistä haitoista on niiden pinnan pommittaminen avaruusplasman hiukkasilla, joita avaruusaluksen sähkökenttä kiihdyttää suuriksi energioiksi. Tuloksena on tunkeutuva gamma- ja röntgensäteily. Tämä haitta puuttuu käytettäessä magneettista vuorovaikutusta.

Jos raketti on varustettu magneettikentän lähteellä, se on vuorovaikutuksessa maapallon, planeettojen ja rauta-nikkeliasteroidien magneettikenttien kanssa. Kosmisten magneettikenttien voimakkuus on useita suuruusluokkia suurempi kuin vastaavien yksiköiden sähkökenttien voimakkuus. Mutta valitettavasti magneettikentällä on dipoliluonne, ja sen voiman vuorovaikutus ilmenee vain epähomogeenisuuksien (gradientin) läsnäollessa. Kosmisten kenttien gradientti on hyvin pieni: esimerkiksi 0,1 kgf: n vuorovaikutusvoiman saamiseksi maan magneettikentän kanssa tarvitaan solenoidia, jolla on yli 106 ampeerikierrosta ja halkaisija 100 m. olemassa olevat menetelmät magneettikentän, raketin, jolla on tällainen solenoidi, saamiseksi, vaikka jätämme hyötykuorman massan huomiotta, sen kiihtyvyys on vain 10–6 m / s 2.

Lupaavampaa on magneettisten järjestelmien käyttö aiemmin kuvatussa interbitaaliliikenteessä kuljetettaessa vastakkaisiin kiertoradoille pyöriviä satelliittiryhmiä. Tällaisten ajoneuvojen keskinäisen vetovoiman tai vastenmielisyyden vuoksi on mahdollista muuttaa niiden kiertoradan nopeutta. Koska magneettikenttä dipoliluonteensa vuoksi pienenee suhteessa etäisyyden kuutioon ja sähkökentän neliöön, tällaiset työntövoimajärjestelmät ovat massan ominaisuuksiltaan huonompia kuin sähköstaattiset.

Moderni sähkömagneettisuuden teoria myöntää magneettisten monopolien - analogisten sähkövarausten - olemassaolon. Jos tällaisia \u200b\u200bmonopoleja löydetään ja niitä voidaan saada riittävinä määrinä, avautuvat valtavat mahdollisuudet avaruustekniikalle. Raketti, jolla on yksinapainen magneettinen varaus, voi laukaista maapallon pinnalta ilman minkäänlaista massaan kulumista vain vuorovaikutuksesta sen magneettikentän kanssa ja kiihtyä sitten edelleen tähtienvälisissä ja planeettojen välisissä kentissä.

SYNTYMISOIKEUDESTA JA HENKILÖN OIKEUDESTA

Polku uudentyyppisten moottorijärjestelmien toteuttamiseen on pitkä ja vaikea, ja ne luodaan pääsääntöisesti vasta, kun niiden edut suhteessa nykyisiin eivät ilmaistu prosenttiyksiköinä, mutta muuttavat tilannetta merkittävästi. Joko samaan aikaan kuljetusten taloudelliset indikaattorit paranevat dramaattisesti tai ne mahdollistavat sellaisten ongelmien ratkaisemisen, joita ei ole ratkaistu jo käytettävissä olevilla keinoilla.

Mitkä ovat erilaisten käyttövoimajärjestelmien kyvyt ratkaista ongelmat, jotka kohtaavat eniten astronautia?

Suurten rahtivirtojen järjestäminen maapallolta matalille kiertoradoille. Ongelma ratkaistaan \u200b\u200bvain käyttämällä suuren työntövoiman moottoreita; siksi on suositeltavaa harkita sellaisia \u200b\u200bkeinoja sen ratkaisemiseksi kuin kemialliset moottorit, lämpöydin- ja lämpöydinmoottorit sekä suuritehoiset moottorit, joissa on etävoimansiirto. Näistä moottoreista tärkein rooli matalalle kiertoradalle laukaisemisen ongelman ratkaisemisessa kuuluu ja tulee olemaan pitkään kemiallisia moottoreita. Energia- ja työntöominaisuuksien osalta kaasufaasiset ydinmoottorit ja lämpöydinmoottorit soveltuvat tämän ongelman ratkaisemiseen, mutta ilmakehän radioaktiivisen saastumisen vaara on liian suuri.

Yleisesti on huomattava, että maapallon pinnalta matalille kiertoradoille tulevien rahtivirtojen lisääntyessä kysymykset kantorakettien vaikutusten minimoimisesta luonnollisiin prosesseihin tulevat yhä tärkeämmiksi. Riittävän alhaisilla laukaisuilla ja kantorakettien suhteellisen "pienellä teholla" ilmakehän ja ionosfäärin luonnolliset prosessit pystyvät kompensoimaan ohjuksen laukaisun aikana syntyvät parametrien paikalliset häiriöt. Esimerkkinä voidaan mainita otsonikerroksessa esiintyvän "ikkunan" kiristysprosessi, kun se on vuorovaikutuksessa rakettipolttimen kanssa. Luonnollisen ympäristön kompensointimahdollisuudet eivät kuitenkaan ole rajattomat, eikä tätä voida sivuuttaa.

Vaatimus vähimmäisvaikutuksesta luonnollisiin prosesseihin ilmeisesti toimii lisäkannustimena ulkoisia energialähteitä käyttävien kantorakettien luomiselle. Koska moottoreissa, joissa on ulkoiset energialähteet (erityisesti laserlähteillä), erilaisia \u200b\u200baineita voidaan käyttää työaineena, on mahdollista valita käyttöaine, jolla on minimaalinen vaikutus luonnollisiin prosesseihin.

Toinen houkutteleva näkökohta moottoreiden käyttämisessä ulkoisten lähteiden kanssa kantoraketeissa on se, että laitteen monimutkaisin osa (energialähde ja laserilähetin) on ajoneuvon ulkopuolella eikä se ole alttiina laukaisuvaiheelle ominaisille vaikutuksille (ylikuormitus, tärinä, jne.), ja se on saatavana huoltoa ja korjausta varten. Lopuksi, tällainen laukaisujärjestelmä on uudelleenkäytettävä järjestelmä (ainakin siinä mielessä, että järjestelmän maaosaa käytetään), mikä on erittäin tärkeää intensiivisten rahtivirtojen järjestämisen kannalta.

Näistä syistä moottorit, jotka käyttävät maapallolla tai maan lähellä olevalla kiertoradalla sijaitsevien lasereiden energiaa, kilpailevat tulevaisuudessa vakavasti perinteisen laukaisumenetelmän kanssa, erityisesti suhteellisen pienten kuormien massalähtöongelmissa. Tällaisten järjestelmien pitäisi näkyä ensi vuosisadan alussa, samaan aikaan kun suunnitellaan ensimmäisten teollisesti tärkeiden SSE: n käyttöönottoa.

Suurten lastien kuljetus matalilta kiertoradoilta korkeille ja päinvastoin, samanlaisten lastien kuljettaminen maapallon kiertoradalta Kuuhun. Toisin kuin kuormien laukeaminen matalalle kiertoradalle, tämä toimenpide voidaan suorittaa sekä korkean että matalan työntövoiman moottoreilla. Kun käytetään suuren työntövoiman moottoreita, laite saavuttaa korkean kiertoradan tai kuun läheisyyden paljon nopeammin kuin käytettäessä matalan työntövoiman moottoreita (yksiköt ja kymmeniä kilotehoja). Korkealle kiertoradalle toimitetun hyötykuorman osuus riippuu kuitenkin työnesteen nopeudesta, ja tässä matalapaineisilla moottoreilla voi olla etuja joihinkin korkean työntövoiman moottoreihin verrattuna.

Erityisesti vertaileva analyysi tämän ongelman ratkaisemisesta nestemäisten polttoaineiden rakettimoottoreiden ja ydinvoimalaitoksilla varustettujen sähköisten suihkumoottorien avulla osoittaa, että jos ensimmäisessä tapauksessa matalalta kiertoradalta paikallaan toimitetun lastin osuus on noin 30%, sitten toisessa se on 60–65%. Tällä olosuhteella voi olla ratkaiseva merkitys, kun valitaan kuljetusajoneuvoja ison lastin kuljettamiseen, kun ratkaiseva tekijä on yhdellä lennolla kuljetetun rahdin määrä eikä viimeisen kesto.

Matalan työntövoiman moottoreilla on ominaisuus, joka voi olla suuri etu useille kuljetetuille tavaroille: matala työntövoima aiheuttaa pieniä ylikuormituksia. Tässä suhteessa on mahdollista koota suurikokoisia rakenteita matalalle kiertoradalle ja siirtää ne sitten korkeille, asettamatta tällä tavoin luotulle rakenteelle tiukkoja vaatimuksia ylikuormituksille, jotka ovat tyypillisiä käytettäessä suuritehoisia moottoreita.

Seuraavien kahden vuosikymmenen aikana ilmeisesti tarkasteltavaan toimintaan käytetään vain nestemäisiä polttoaineita käyttäviä rakettimoottoreita ja sähköisiä suihkumoottoreita, joissa on aurinkopaneelit tai ydinvoimalat.

Tulevaisuudessa kuljetustarkoituksiin ja Kuun kiertoradan säteellä voidaan käyttää moottoreita, joissa on ulkoiset keinotekoiset energialähteet (ja melko tehokkaasti). Joten lasersädettä voidaan käyttää energialähteenä samoille sähkömoottoreille, mutta on tietysti paljon tehokkaampaa käyttää energiaansa suoraan työnesteen kiihdyttämiseen

Luonnollinen kysymys, joka nousee esiin keskusteltaessa ongelmasta käyttää lasermoottoreita enintään 300 tuhannen kilometrin etäisyydellä: mitkä ovat parametrit sille laitteistolle, joka muodostaa säteen, joka siirtää sähkömagneettista energiaa tällaisella etäisyydellä ilman merkittäviä menetyksiä?

Laskelmat osoittavat, että 300 tuhannen kilometrin etäisyydellä laitteessa ja voimalaitoksella on oltava 30–40 m: n kokoiset antennit, minkä lisäksi näiden antennien pintavalmistuksen tarkkuuden on oltava 0,1 µm. Siksi on selvää, että tällä tavoin saatua energiaa on äärimmäisen vaikea käyttää suuren työntövoiman aikaansaamiseksi. Toisaalta suhteellisen pienen tehon (jopa useita megawattia) lähettäminen tällaisen ainutlaatuisen kanavan kautta on tuskin suositeltavaa, jo pelkästään siitä syystä, että vastaanottavan antennin sijasta on kannattavampaa sijoittaa aurinkoparisto laitteeseen.

Siitä huolimatta ilmeisesti on olemassa vaihtoehtoja lasersäteilyä käyttävien propulsiojärjestelmien käytölle korkean kiertoradan kuljetus- ja tavarankuljetuksiin Kuuhun, mikä on perusteltua sekä teknisestä että taloudellisesta näkökulmasta. Matkan varrella on teknisiä vaikeuksia ja ongelmia, mutta ne näyttävät melko ylittäviltä nykyaikaisen tekniikan kohtuullisen ekstrapoloinnin yhteydessä.

Miehittävät planeettojenväliset lennot. Lukuisat robottiasemien lennot Venukselle, Marsille ja aurinkokunnan kaukaisille planeetoille ovat luoneet vaikutelman, että tämä on pikemminkin tänään kuin huomenna. Joka tapauksessa miehitetyt lennot Marsille ja Venukselle eivät ole enää pitkään olleet tieteiskirjallisuuden kohteena. Samanaikaisesti näiden ongelmien mahdollinen ratkaisu nykyaikaisen tekniikan puitteissa, toisin sanoen käyttämällä vain nestemäistä polttoainetta käyttäviä rakettimoottoreita, näyttää erittäin hankalalta ja erittäin kalliilta. Yksi "vaatimattomimmista" vaihtoehdoista Marsille suuntautuvalle retkelle suunnittelee 50 tonnin planeettojen välisen avaruusaluksen hyötykuormalla avaruusalusten rakenneosien ja 500-700 tonnin kokonaispolttoaineen laukaisemista matalalle kiertoradalle viidellä seitsemällä Saturn-5-rakettien laukaisut.

Mutta pelkkä ei ole alkuperäinen massa, vaan tarve suorittaa suuri määrä monimutkaisia \u200b\u200basennustöitä avaruudessa. Kuten jo todettiin, 500 - 1000 tonnin painoisen kokonaiskuorman poistaminen on johtavien avaruusvaltojen tavallinen tehtävä 1980-luvun loppuun mennessä. On huomattava, että Marsiin suuntautuvan lennon ongelman ratkaisemiseksi matalan työntövoiman sähkömoottoreilla ja ydinvoimaloilla tai kiinteäfaasisella ydinreaktorilla, jonka ulosvirtausnopeus on noin 9 km / s, vertailurata on 150-200 tonnia. Marsin retkikunnan kesto on kaikissa tapauksissa suunnilleen sama - 2 vuotta 8 kuukautta.

Retken keston lyhentäminen 2 kertaa edellyttää suuruusluokan energiakustannusten kasvua. Samaan aikaan planeettojen tutkimusretkien keston lyhentäminen on erittäin toivottavaa. Täällä avautuvat laajat mahdollisuudet moottoreille, joilla on korkea energiatehokkuus, erityisesti kaasufaasimoottoreille, lämpö- ja pulssi-lämpöydinmoottoreille. On helppo nähdä, että puhumme täällä moottoreista, joiden luomisongelma on nykyaikaisten teknisten ominaisuuksien partaalla. Tältä osin ainakin miehitettyjen planeettojenvälisten lentojen ensimmäisissä vaiheissa voidaan saavuttaa merkittävä voitto käyttämällä moottoreita, jotka käyttävät ulkoisia sähkömagneettisen säteilyn lähteitä korkean työntövoiman moottoreina lähdettäessä satelliittiradalta.

Eri tyyppisten moottoreiden vertailuominaisuudet Marsin retkikunnassa on annettu taulukossa. 2.

taulukko 2

Tutkimusmatkat Marsille

Ovatko tähtilennot todellisia? Nykyaikaisen käsityksen mukaan tähtienväliseen matkaan soveltuvat parhaiten fotonimoottorit, jotka käyttävät aineen tuhoutumisen reaktiota antiaineen kanssa. Ratkaisu tällaisten moottoreiden luomiseen ja polttoaineiden hankkimiseen on kuitenkin niin kaukana nykyaikaisen tekniikan ominaisuuksista, että resepti on selvästi merkityksetön.

Ryhmä brittiläisiä tutkijoita yritti analysoida miehitettyjen lentojen ongelmaa lähimpiin tähtiin (Proxima Centauri ,? Centauri, Bernardin tähti) perustuen nykyaikaisten teknisten valmiuksien liian kauas ekstrapolointiin. Nykyaikaisen tekniikan näkökulmasta mahdollisia järjestelmiä tarkasteltaessa pidimme sähköreaktiivisina ydinvoimalan kanssa, kiihdytysjärjestelmiä, joissa on avaruuspohjaisesta laserista peräisin olevaa säteilyenergiaa, aurinkopurjejärjestelmiä ja suuritehoisia ydinvoimaloita. Kuten kävi ilmi, luetellut moottorityypit eri syistä eivät voi ratkaista ongelmaa, ja tässä on miksi.

Sähköinen suihkumoottori ydinvoimalaitoksella antaa liian alhaisen kiihtyvyyden, mikä johtaa pitkälle matkalle. Avaruuspohjaiset laserkäyttöiset kiihdytysjärjestelmät ja aurinkopurjejärjestelmät ovat kevyempiä kuin ydinvoimajärjestelmät, mutta muunnetun energian osuus (avaruusaluksen liikkeen kineettiseksi energiaksi) on niin pieni, että tarvitaan myös pitkiä kiihtyvyysaikoja. Korkean työntövoiman ydinmoottorit, kuten Nerva-lämpöydinmoottori, voivat tarjota vaaditun kiihtyvyyden. Tällaisilla järjestelmillä saavutettavat ulosvirtausnopeudet ovat kuitenkin luokkaa 10 km / s, mikä tarkoittaa, että vaaditun lopullisen nopeuden saavuttamiseksi tarvitaan erittäin suuri massasuhde. Tarvittavan polttoaineen määrä kaikissa tällaisissa järjestelmissä tekee niistä mahdottomia toteuttaa.

Kirjoittajat pitävät mikro-räjähdyksiin perustuvaa fuusiomoottoria, jossa reaktio aloitetaan aiemmin kuvatulla elektronikiihdyttimellä, olevan lähinnä tähtiin lentämiseen sopivan propulsiojärjestelmän toteutusta. Kirjoittajien johtopäätökset eivät kuitenkaan ole kiistattomia. Tässä on kyse sekä ehdotetun järjestelmän toteuttamismahdollisuuksista että kilpailevien järjestelmien läsnäolosta.

Jotta voidaan kuvitella selkeämmin, minkä moottoreiden ominaisuuksien on tapahduttava, jotta tähtienvälinen kulku olisi mahdollista, riittää, että tarkastellaan taulukkoa. 3, joka näyttää tiedot maasta lennoille aurinkokunnan kaukaisimmalle planeetalle - Plutolle.

Taulukko 3

Lennot Plutoon

Tämä tehtävä on paljon helpompaa kuin lentäminen tähtiin. Riittää, kun verrataan molemmissa tapauksissa ylitettäviä matkoja. Auringonvalo kulkee noin 300 000 km / s nopeudella Plutoon 5 tunnissa, kun taas lähimpiin tähtiin (? Centauriin) se kestää 4,3 vuotta. Suorat (ts. Ilman häiriöliikkeitä käyttävät) lennot Plutoon voidaan kuitenkin tehdä kohtuullisessa ajassa, jos vain moottoreilla on parametrit, joiden toteutus liittyy lämpöydinmoottoreiden luomiseen. Jopa kaasufaasien ydinmoottoreiden ominaisuudet eivät riitä tämän tehtävän suorittamiseen.

Itse asiassa vain ydinvoimaloiden kaltaisten moottoreiden myötä on mahdollista vakavasti harjoittaa miehitettyjä lentoja koko aurinkokunnassa. Sillä välin vain miehitettyjä kiertolentoja tarjoavia käyttövälineitä voidaan pitää enemmän tai vähemmän hallituina. Tästä syystä, huolimatta kaikista astronautian jo saavuttamista valtavista menestyksistä, avaruuden työntövoimien tekniikan vallankumous (ja ehkä useampi kuin yksi) edellyttää, että miehitetyistä lennoista, ensin kaukaisille planeetoille ja sitten aurinkokunnan ulkopuolelle, tulee todellisuutta .

Kannen 4. sivu

Huomautuksia

1

On huomattava, että ihmisen kuuhun pääsemisen ohjelma on jo maksanut noin 24 miljardia dollaria, ja Marsin retkikuntaohjelman kustannusten arvioidaan olevan 70-80 miljardia dollaria.

2

Tietysti, jos kuussa olisi rakettien ponneaineiden varastoja, tyhjien säiliöiden täyttäminen niillä antaisi vieläkin suuremman hyötykuorman. Tällainen tankkaus vastaa kuitenkin laivalla olevan energiavarannon kasvua, joten yllä olevia optimaalisen vanhentumisnopeuden näkökohtia ei sovelleta.

3

Rakettitekniikassa moottoreiden karakterisointiin käytetään pakokaasunopeuden sijasta usein toista vastaavaa käsitettä - erityinen työntövoima (ominaisimpulssi), joka on numeerisesti yhtä suuri kuin pakokaasunopeus jaettuna painovoiman kiihtyvyydellä (9,81 m / s 2), ja mitataan vastaavasti sekunteina. Ominaispainovoima vastaa työntövoimaa, joka syntyy 1 kg: n massaisen työaineen kulutuksesta 1 sekunnissa. Seuraavassa käytämme virtausnopeuden ohella myös tätä käsitettä. Joidenkin työkappaleiden ominaisvoiman arvot on annettu taulukossa. yksi.

4

Väliliuokset ovat mahdollisia, kun suurin osa uraanista on kiinteässä tilassa ja vain pieni osa siitä on kaasumaisessa vaiheessa. Mutta sitten on vaikea saada aikaan korkea nesteen lämpötila, koska suurin osa energiasta vapautuu suhteellisen alhaisessa lämpötilassa.

5

Lentokoneen VRM-koneissa työntövoiman riippuvuus nopeudesta on itse asiassa monimutkaisempi. Aluksi se kasvaa lämpösyklin tehokkuuden lisääntymisen vuoksi, koska nopeuden kasvun myötä puristussuhde kasvaa. Tietystä nopeuden arvosta alkaen se kuitenkin laskee.

Tämän artikkelin voisi aloittaa perinteisellä kohdalla siitä, kuinka tieteiskirjallisuuden kirjoittajat esittävät rohkeita ideoita, ja tutkijat kääntävät ne sitten todellisuuteen. Voit, mutta et halua kirjoittaa postimerkkeihin. On parempi muistaa, että nykyaikaisilla rakettimoottoreilla, kiinteällä ponneaineella ja nestemäisillä, on enemmän kuin epätyydyttävät ominaisuudet suhteellisen pitkien matkojen lennoille. Ne antavat lastin laittaa maapallon kiertoradalle, toimittaa jotain myös Kuuhun, vaikka tällainen lento on kalliimpi. Mutta Marsille lentäminen tällaisilla moottoreilla ei ole enää helppoa. Anna heille polttoainetta ja hapetinta oikeassa määrin. Ja nämä tilavuudet ovat suoraan verrannollisia kuljettavaan etäisyyteen.

Vaihtoehto perinteisille kemiallisille rakettimoottoreille ovat sähkö-, plasma- ja ydinmoottorit. Kaikista vaihtoehtoisista moottoreista vain yksi järjestelmä pääsi moottorin kehitysvaiheeseen - ydinvoima (NRE). Neuvostoliitossa ja Yhdysvalloissa, jo viime vuosisadan 50-luvulla, alettiin rakentaa ydinrakettimoottoreita. Amerikkalaiset työskentelivät tällaisen voimalaitoksen molempien versioiden parissa: reaktiivinen ja impulssi. Ensimmäiseen käsitteeseen kuuluu käyttönesteen lämmittäminen ydinreaktorilla, jota seuraa työntäminen suuttimien läpi. Pulssattu NRE puolestaan \u200b\u200bajaa avaruusalusta peräkkäisten pienen ydinpolttoainemäärän räjähdysten kautta.

Myös Yhdysvalloissa keksittiin Orion-projekti, jossa yhdistettiin NRM: n molemmat versiot. Tämä tehtiin seuraavasti: pienet ydinpanokset, joiden kapasiteetti oli noin 100 tonnia TNT-ekvivalentteina, heitettiin aluksen hännästä. Metallilevyt ammuttiin niiden jälkeen. Etäisyydellä aluksesta panos räjäytettiin, levy haihdutettiin ja aine hajotettiin eri suuntiin. Osa siitä putosi vahvistettuun aluksen hännään ja siirsi sitä eteenpäin. Pieni työntövoiman kasvu olisi pitänyt antaa levyn haihdutuksella ottamalla iskut. Tällaisen lennon yksikkökustannusten piti tuolloin olla vain 150 dollaria hyötykuorman kiloa kohden.

Se meni jopa testauksen pisteeseen: kokemus on osoittanut, että liike peräkkäisten impulssien avulla on mahdollista sekä riittävän vahvan syöttölevyn luominen. Mutta Orion-projekti suljettiin vuonna 1965 lupaavaksi. Siitä huolimatta tämä on toistaiseksi ainoa olemassa oleva käsite, joka voi sallia retkien suorittamisen ainakin aurinkokunnassa.

Prototyypin rakentamiseen asti oli mahdollista päästä vain rakettikäyttöiseen ydinreaktoriin. Nämä olivat Neuvostoliiton RD-0410 ja Amerikan NERVA. Ne työskentelivät samalla periaatteella: "tavallisessa" ydinreaktorissa työskentelevä neste lämpenee, mikä suuttimista poistettuna aiheuttaa työntövoimaa. Molempien moottoreiden käyttöneste oli nestemäistä vetyä, mutta Neuvostoliiton neuvostossa yhtä heptaania käytettiin apuaineena.

RD-0410: n työntövoima oli 3,5 tonnia, NERVA antoi melkein 34, mutta sillä oli myös suuret mitat: 43,7 metriä pitkä ja halkaisijaltaan 10,5, kun vastaavasti Neuvostoliiton moottori oli 3,5 ja 1,6 metriä. Samaan aikaan amerikkalainen moottori oli kolme kertaa heikompi kuin Neuvostoliiton voimavara - RD-0410 pystyi toimimaan koko tunnin.

Molemmat moottorit pysyivät kuitenkin lupauksestaan \u200b\u200bhuolimatta maapallolla eivätkä lentäneet mihinkään. Tärkein syy molempien hankkeiden (NERVA 70-luvun puolivälissä, RD-0410 vuonna 1985) päättämiseen on rahaa. Kemiallisten moottoreiden ominaisuudet ovat huonommat kuin ydinvoimaloiden, mutta ydinvoimalalla varustetun rakettimoottorin ja saman hyötykuorman omaavan aluksen yhden laukaisun hinta voi olla 8–12 kertaa enemmän kuin saman Soyuzin käynnistäminen nesteen kanssa -ponneaine. Ja tässä ei oteta huomioon kaikkia kustannuksia, jotka ovat tarpeen ydinmoottoreiden saattamiseksi soveltuviksi käytännön käyttöön.

"Halpojen" sukkuloiden käytöstä poistaminen ja avaruusteknologian viime aikoina vallankumouksellisten läpimurtojen puuttuminen edellyttävät uusia ratkaisuja. Tämän vuoden huhtikuussa Roscosmosin silloinen johtaja A. Perminov ilmoitti aikovansa kehittää ja ottaa käyttöön täysin uuden ydinreaktorin. Tämän pitäisi Roskosmoksen mukaan parantaa radikaalisti "tilannetta" koko maailman kosmonautiossa. Nyt kävi selväksi, kenestä tulisi tulla seuraavia kosmonautian vallankumouksellisia: ydinrakettimoottorin kehittää liittovaltion valtion yksikköyritys "Keldysh Center". Yrityksen pääjohtaja A. Koroteev on jo ilahduttanut yleisöä siitä, että uuden ydinrakettimoottorin avaruusaluksen alustava suunnittelu on valmis ensi vuonna. Moottoriprojektin pitäisi olla valmis vuoteen 2019 mennessä, ja testit suunnitellaan vuodelle 2025.

Kompleksi nimettiin TEM - kuljetus- ja energiamoduuliksi. Se kuljettaa kaasujäähdytteistä ydinreaktoria. Suoraa käyttövoimayksikköä ei ole vielä päätetty: joko se on suihkumoottori, kuten RD-0410, tai sähköinen rakettimoottori (EPM). Jälkimmäistä tyyppiä ei kuitenkaan ole vielä käytetty massiivisesti missään päin maailmaa: vain kolme avaruusalusta oli varustettu niillä. Mutta se, että reaktori pystyy toimittamaan moottorin lisäksi myös monia muita yksiköitä tai jopa käyttämään koko TEM: ää avaruusvoimalana, puhuu EJE: n puolesta.

Maailman ensimmäinen koottiin Venäjällä
ydin avaruusmoottori

Jostain syystä sensaatiomainen uutinen 10. elokuuta kulki huomaamattomasti maailmassa ja tiedotusvälineissämme amerikkalaisen Fergusonin ja Ukrainan tapahtumien taustalla.
Yritän täyttää tämän aukon ja sijoittaa artikkelin täysin sellaisen periaatteen mukaisesti kuin se on. Kaikkien tulisi tietää tällaisesta tapahtumasta, ja olen ylpeä tutkijoistamme ja maastamme.

Avaruusalusten ydinmoottori

"JSC: n koneenrakennustehtaalla Elektrostalissa, lähellä Moskovaa, asiantuntijat kokoontuivat ensimmäisen avaruusydinvoimajärjestelmän (NPP) vakiomallin polttoaine-elementin (TVEL). Tämän kertoi valtion valtion Rosatomin lehdistöpalvelu. Reaktorilaitoksen pääsuunnittelija on JSC NIKIET.

Työ tehdään projektin "Megawattiluokan ydinvoimalaan perustuvan liikenne- ja energiamoduulin luominen" puitteissa. NIKIETin johtajan ja pääsuunnittelijan Juri Dragunovin mukaan ydinvoimalan pitäisi suunnitelman mukaan olla valmis vuonna 2018, Lenta kirjoittaa.

"Reaktorilaitoksen osalta valtion atomienergiayhtiö Rosatomin työn laajuuden kannalta kaikki etenee suunnitelmien mukaisesti, etenemissuunnitelman mukaisesti", Dragunov sanoi. Ydinvoimalaitosta on tarkoitus käyttää kaukoputkiin ja pitkäaikaiseen toimintaan kiertoradalla. Erityisesti tämän asennuksen luominen mahdollistaa huomattavan lyhentää Marsin retkikuntaan tarvittavaa aikaa.

Venäjän talouden nykyaikaistamista ja teknologista kehittämistä käsittelevä komissio hyväksyi YEDS-projektin vuonna 2009 Venäjän presidentin alaisuudessa. Luonnoksen suunnittelu valmistui vuoteen 2012 mennessä

Tämä on harppaus tulevaisuuteen. Tämän moottorin avulla voimme laskeutua ensin Marsiin ja palata takaisin. Tämä on harppaus jo 22-luvulla, irrottautuminen kaikesta muusta. Tänään Venäjä yrittää hallita avaruusteollisuutta, uusia avaruusportteja ja raketteja rakennetaan. Toivon, että pystymme palauttamaan entisen Neuvostoliiton kosmonautin suuruuden "

Jo tämän vuosikymmenen lopussa Venäjälle voidaan luoda avaruusalus planeettojen väliseen ydinkäyttöiseen matkustamiseen. Ja tämä muuttaa dramaattisesti tilannetta sekä maapallon avaruudessa että itse maapallolla.

Itse YaEDU on valmis lennolle vuonna 2018. Tämän ilmoitti Keldysh-keskuksen johtaja, akateemikko Anatoly Koroteev. "Meidän on valmisteltava ensimmäinen näyte (megawattiluokan ydinvoimalasta. - Noin" Expert Online ") lentosuunnittelutestejä varten vuonna 2018. Onko se lentää vai ei, se on toinen asia, jono voi olla, mutta sen on oltava valmis lentoon ", RIA Novosti kertoi. Tämä tarkoittaa, että yksi kunnianhimoisimmista Neuvostoliiton ja Venäjän projekteista avaruustutkimuksen alalla on siirtymässä välittömän käytännön toteutuksen vaiheeseen.

Vuonna 2010 Venäjän presidentti ja nyt pääministeri Dmitri Medvedev käskivät tämän vuosikymmenen loppuun mennessä luoda maahamme avaruusliikenteen ja energiamoduulin, joka perustuu megawattiluokan ydinvoimalaan. Liittovaltion budjetista, Roscosmosilta ja Rosatomilta on tarkoitus osoittaa 17 miljardia ruplaa tämän projektin kehittämiseen vuoteen 2018 saakka. Tästä summasta 7,2 miljardia osoitettiin valtionyhtiölle Rosatomille reaktorilaitoksen luomiseksi (tämä on Dollezhalin energiatekniikan tutkimus- ja suunnitteluinstituutin vastuulla), 4 miljardia - Keldyshin keskukselle ydinvoiman luomiseksi. käyttövoimajärjestelmä. RSC Energia aikoo 5,8 miljardia ruplaa luoda kuljetus- ja energiamoduulin, toisin sanoen rakettilaivan.

Mikä on näiden kehitysten käytännön hyöty Venäjälle? Tämä hyöty on paljon suurempi kuin 17 miljardia ruplaa, jonka valtio aikoo käyttää vuoteen 2018 mennessä kantoraketin luomiseen, jonka aluksella on 1 MW: n ydinvoimala. Ensinnäkin se on maamme ja koko ihmiskunnan voimavarojen dramaattinen laajentuminen. Ydinkäyttöinen avaruusalus tarjoaa ihmisille todellisia mahdollisuuksia matkustaa Marsille ja muille planeetoille.

Toiseksi tällaiset alukset mahdollistavat voimakkaan toiminnan lisäämisen maapallon avaruudessa voimakkaasti ja tarjoavat todellisen mahdollisuuden aloittaa kuun asuttaminen (jo on olemassa hankkeita ydinvoimaloiden rakentamiseksi maapallon satelliitille). "Ydinvoimajärjestelmien käyttöä harkitaan suurissa miehitetyissä järjestelmissä eikä pienissä avaruusaluksissa, jotka voivat lentää muun tyyppisissä laitteissa, joissa käytetään ionimoottoreita tai aurinkotuulivoimaa. Interorbitaalisessa uudelleenkäytettävässä hinaajassa on mahdollista käyttää ydinvoimalaa, jossa on ionipotkurit. Esimerkiksi rahdin kuljettamiseen matalan ja korkean kiertoradan välillä, lentojen suorittamiseen asteroideihin. Voit luoda uudelleenkäytettävän kuun hinaajan tai lähettää retkikunnan Marsille ”, sanoo professori Oleg Gorshkov. Tällaiset alukset muuttavat dramaattisesti avaruustutkimuksen taloutta. RSC Energian asiantuntijoiden laskelmien mukaan ydinvoimalalla toimiva kantoraketti alentaa hyötykuorman laukaisun ympärysmittaiselle kiertoradalle kustannukset yli kaksi kertaa verrattuna nestemäistä polttoainetta käyttäviin rakettimoottoreihin. Kolmanneksi nämä ovat uusia materiaaleja ja tekniikoita, jotka luodaan tämän projektin toteuttamisen aikana ja tuodaan sitten muille teollisuudenaloille - metallurgia, koneenrakennus jne. Toisin sanoen tämä on yksi sellaisista läpimurtohankkeista, jotka voivat todella viedä eteenpäin sekä Venäjän että maailmantaloutta.