เครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับยานอวกาศ เครื่องยนต์ระเบิด - อนาคตของการสร้างเครื่องยนต์รัสเซีย

มนุษยชาติพยายามดิ้นรนเพื่อดวงดาวมาโดยตลอด แต่ในศตวรรษที่ 20 ด้วยการพัฒนาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมันสามารถไปถึงอวกาศที่ไม่มีอากาศได้หรือไม่ การเอาชนะแรงโน้มถ่วงเป็นเรื่องยากและเพื่อให้บรรลุเป้าหมายจำเป็นต้องคิดค้นสิ่งพิเศษ เครื่องยนต์จรวดถูกใช้เป็นเครื่องมือในการขนส่ง และถ้าเราพิจารณาถึงสิ่งที่เป็นอยู่ในตอนนี้และสิ่งที่อาจเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้มนุษยชาติจะมีความหวังอะไรสำหรับห้วงอวกาศ?

เครื่องยนต์จรวดคืออะไรและมีประเภทใดบ้าง?

เครื่องยนต์จรวดถูกเข้าใจว่าเป็นกลไกที่ของเหลวที่ใช้งานได้และแหล่งที่มาของพลังงานสำหรับการทำงานนั้นอยู่ในตัวรถ เป็นวิธีเดียวในการปล่อยน้ำหนักบรรทุกขึ้นสู่วงโคจรของโลกและยังสามารถทำงานในพื้นที่ไร้อากาศได้อีกด้วย สัดส่วนการถือหุ้นหลักทำขึ้นจากการแปลงพลังงานศักย์ของเชื้อเพลิงเป็นพลังงานจลน์ซึ่งใช้ในรูปแบบของกระแสน้ำ ขึ้นอยู่กับประเภทของแหล่งพลังงานเครื่องยนต์จรวดเคมีนิวเคลียร์และไฟฟ้ามีความโดดเด่น

แนวคิดของแรงกระตุ้นเฉพาะ (หรือแรงขับ) ถูกใช้เป็นลักษณะของประสิทธิภาพ: อัตราส่วนของโมเมนตัมต่อการบริโภคมวลของสื่อการทำงาน คำนวณเป็น m / s แต่แม้ว่ามอเตอร์จรวดจะมีโมเมนตัมที่สำคัญ แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าจะใช้ คุณจะได้เรียนรู้ว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้นโดยการอ่านเกี่ยวกับกลไกนิวเคลียร์และไฟฟ้า

เครื่องยนต์จรวดเคมี

พวกมันขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาทางเคมีที่เชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์เข้าไป ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สำคัญในขณะที่พวกมันขยายตัวและเร่งความเร็วในหัวฉีดเพื่อออกจากเครื่องยนต์ ความร้อนที่เกิดจากเครื่องยนต์ดังกล่าวใช้เพื่อขยายของเหลวที่ใช้งานซึ่งมีรูปแบบก๊าซ กลไกประเภทนี้มีสองประเภท

เครื่องยนต์ขับเคลื่อนที่เป็นของแข็งมีการออกแบบที่เรียบง่ายราคาถูกในการผลิตและไม่ต้องใช้ค่าจัดเก็บและการเตรียมการที่สำคัญ สิ่งนี้กำหนดความน่าเชื่อถือและความพึงพอใจในการใช้งาน แต่ในเวลาเดียวกันประเภทนี้มีข้อเสียเปรียบอย่างมาก - สิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงสูงมาก นอกจากนี้ยังประกอบด้วยส่วนผสมของน้ำมันเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ในขณะเดียวกันก็ซับซ้อนคือเครื่องยนต์จรวดขับดันของเหลว ในนั้นเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์อยู่ในถังที่แตกต่างกันและจะถูกวัดลงในหัวฉีด ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือสามารถควบคุมระดับฟีดและความเร็วของยานอวกาศได้ แม้ว่ามอเตอร์จรวดดังกล่าวจะมีแรงกระตุ้นที่เฉพาะเจาะจงต่ำ แต่ก็มีแรงขับที่แข็งแกร่ง คุณสมบัติดังกล่าวนำไปสู่ความจริงที่ว่าตอนนี้พวกเขาถูกใช้ในทางปฏิบัติโดยเฉพาะ

เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์

นี่เป็นหนึ่งในอะนาล็อกที่เป็นไปได้สำหรับระบบการเคลื่อนไหวสมัยใหม่ ในเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ของเหลวที่ใช้งานจะได้รับความร้อนจากพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีหรือฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ กลไกดังกล่าวช่วยให้สามารถบรรลุแรงกระตุ้นเฉพาะที่สำคัญได้ และแรงขับทั้งหมดเทียบได้กับเครื่องยนต์เคมี แต่กลไกพลังงานนิวเคลียร์มีกี่ประเภท? รวม 3:

1. ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี.
2. นิวเคลียร์.
3. เทอร์โมนิวเคลียร์.

การใช้เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ในชั้นบรรยากาศของโลกค่อนข้างมีปัญหาเนื่องจากมลภาวะจากรังสี ทางออกที่เป็นไปได้สำหรับปัญหานี้คือประเภทเฟสของก๊าซ

เครื่องยนต์จรวดไฟฟ้า

ประเภทนี้มีศักยภาพสูงสุดในการพัฒนาและใช้งานในอนาคต มอเตอร์จรวดไฟฟ้ามีแนวโน้มดี ดังนั้นแรงกระตุ้นเฉพาะของพวกเขาสามารถเข้าถึงค่า 210 กม. / วินาที เครื่องยนต์มี 3 ประเภท:

1. อิเล็กโตรเทอร์มอล.
2. ไฟฟ้าสถิต (เช่นเครื่องยนต์จรวดไอออน)
3. แม่เหล็กไฟฟ้า.

คุณลักษณะหนึ่ง (ซึ่งเราสามารถพูดได้ว่าเป็นทั้งข้อดีและข้อเสีย) คือด้วยการเพิ่มขึ้นของแรงกระตุ้นที่เฉพาะเจาะจงจำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงน้อยลง แต่มีพลังงานมากขึ้น จากมุมมองนี้เครื่องยนต์จรวดไอออนที่ทำงานด้วยก๊าซมีโอกาสที่ดี ในขณะนี้ใช้ในทางปฏิบัติเพื่อแก้ไขวิถีของสถานีโคจรและดาวเทียม แหล่งไฟฟ้าที่ จำกัด ในอวกาศรวมถึงปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพการทำงานที่ระดับความสูงกว่า 100 กิโลเมตรซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานอย่างแพร่หลาย เครื่องยนต์จรวดพลาสม่ามีศักยภาพในการใช้งานได้ดีซึ่งของเหลวที่ใช้งานได้มีสถานะเป็นพลาสมา แต่จนถึงขณะนี้อยู่ในขั้นทดลองเท่านั้น

เครื่องยนต์จรวดสมัยใหม่ทำงานได้ดีในการนำเทคโนโลยีเข้าสู่วงโคจร แต่ไม่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเดินทางในอวกาศเป็นเวลานาน ดังนั้นเป็นเวลากว่าสิบปีแล้วที่นักวิทยาศาสตร์พยายามสร้างเครื่องยนต์อวกาศทางเลือกที่สามารถเร่งความเร็วของเรือเพื่อบันทึกความเร็วได้ ลองดูแนวคิดหลัก 7 ประการจากพื้นที่นี้

EmDrive

ในการเคลื่อนย้ายคุณต้องผลักไสออกจากบางสิ่ง - กฎนี้ถือเป็นหนึ่งในเสาหลักที่ไม่สั่นคลอนของฟิสิกส์และอวกาศ สิ่งที่จะเริ่มต้นจากพื้นดินน้ำอากาศหรือก๊าซเจ็ทเช่นเดียวกับในกรณีของเครื่องยนต์จรวดนั้นไม่สำคัญ

การทดลองทางความคิดที่รู้จักกันดี: ลองนึกภาพว่านักบินอวกาศคนหนึ่งเข้าไปในอวกาศ แต่จู่ๆสายเคเบิลที่เชื่อมต่อเขากับยานอวกาศก็ขาดและคน ๆ นั้นก็เริ่มบินจากไป ทั้งหมดที่เขามีคือกล่องเครื่องมือ เขาทำอะไรบ้าง? คำตอบที่ถูกต้อง: เขาต้องทิ้งเครื่องมือออกจากเรือ ตามกฎหมายว่าด้วยการอนุรักษ์โมเมนตัมบุคคลจะถูกโยนออกไปจากเครื่องมือด้วยแรงเดียวกับเครื่องมือจากบุคคลดังนั้นเขาจะค่อยๆเคลื่อนไปที่เรือ นี่คือแรงขับเจ็ท - วิธีเดียวที่เป็นไปได้ในการเคลื่อนที่ในพื้นที่ว่าง จริงอยู่ที่ EmDrive แสดงให้เห็นว่ามีโอกาสที่จะหักล้างคำสั่งที่ไม่สั่นคลอนนี้

ผู้สร้างเครื่องยนต์นี้คือวิศวกรชาวอังกฤษ Roger Shaer ผู้ก่อตั้ง บริษัท Satellite Propulsion Research ในปี 2544 การออกแบบของ EmDrive นั้นค่อนข้างฟุ่มเฟือยและเป็นถังโลหะที่มีรูปร่างปิดผนึกที่ปลายทั้งสองข้าง ภายในถังนี้มีแมกนีตรอนที่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับในไมโครเวฟทั่วไป และปรากฎว่าเพียงพอที่จะสร้างแรงผลักที่เล็กมาก แต่ค่อนข้างชัดเจน

ผู้เขียนเองอธิบายการทำงานของเครื่องยนต์ของเขาผ่านความแตกต่างของความดันของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปลายด้านต่างๆของ "ถัง" - ที่ปลายด้านแคบจะมีค่าน้อยกว่าที่ส่วนกว้าง สิ่งนี้ทำให้เกิดแรงผลักไปทางปลายแคบ ความเป็นไปได้ของการทำงานของเครื่องยนต์ดังกล่าวได้รับการท้าทายมากกว่าหนึ่งครั้ง แต่ในการทดลองทั้งหมดการติดตั้ง Shaer แสดงให้เห็นว่ามีแรงผลักไปในทิศทางที่ตั้งใจไว้

นักทดลองที่ได้ทดลองใช้ถัง Shaer ได้แก่ องค์กรต่างๆเช่น NASA มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเดรสเดนและ Chinese Academy of Sciences สิ่งประดิษฐ์ได้รับการทดสอบในหลายสภาวะรวมถึงในสุญญากาศซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีแรงผลักดัน 20 ไมครอน

นี่เป็นเรื่องเล็กน้อยมากเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์เจ็ทเคมี แต่จากข้อเท็จจริงที่ว่าเครื่องยนต์ของ Shaer สามารถทำงานได้นานเท่าที่คุณต้องการเนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีเชื้อเพลิง (แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์สามารถให้แมกนีตรอนทำงานได้) จึงมีความสามารถในการเร่งยานอวกาศให้มีความเร็วสูงมากโดยวัดเป็น a เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง

เพื่อพิสูจน์ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์อย่างเต็มที่จำเป็นต้องทำการตรวจวัดเพิ่มเติมอีกมากมายและกำจัดผลข้างเคียงที่อาจเกิดขึ้นได้ตัวอย่างเช่นจากสนามแม่เหล็กภายนอก อย่างไรก็ตามคำอธิบายทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับแรงขับที่ผิดปกติของเครื่องยนต์ Shaer ได้ถูกนำไปใช้แล้วซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะละเมิดกฎทางฟิสิกส์ตามปกติ

ตัวอย่างเช่นมีการเสนอเวอร์ชันที่เครื่องยนต์สามารถสร้างแรงขับได้เนื่องจากการทำงานร่วมกับสุญญากาศทางกายภาพซึ่งในระดับควอนตัมมีพลังงานที่ไม่เป็นศูนย์และเต็มไปด้วยอนุภาคมูลฐานเสมือนที่เกิดขึ้นใหม่และหายไปอย่างต่อเนื่อง ท้ายที่สุดแล้วใครจะถูกต้อง - ผู้เขียนทฤษฎีนี้ Shaer เองหรือผู้คลางแคลงอื่น ๆ เราจะค้นพบในอนาคตอันใกล้นี้

ใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะออกแรงกด ซึ่งหมายความว่าในทางทฤษฎีสามารถเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนไหวได้ - ตัวอย่างเช่นด้วยการแล่นเรือ เช่นเดียวกับที่เรือในหลายศตวรรษที่ผ่านมาติดลมบนใบเรือยานอวกาศแห่งอนาคตก็จะจับดวงอาทิตย์หรือแสงดาวดวงอื่นในใบเรือ

อย่างไรก็ตามปัญหาคือความดันแสงมีขนาดเล็กมากและลดลงตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นจากแหล่งกำเนิด ดังนั้นจึงจะมีประสิทธิภาพใบเรือดังกล่าวจะต้องมีน้ำหนักเบาและมีขนาดใหญ่มาก และสิ่งนี้จะเพิ่มความเสี่ยงต่อการทำลายโครงสร้างทั้งหมดเมื่อพบดาวเคราะห์น้อยหรือวัตถุอื่น ๆ

ความพยายามที่จะสร้างและส่งเรือใบพลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นสู่อวกาศได้เกิดขึ้นแล้ว - ในปี 1993 รัสเซียได้ทดสอบการเดินเรือพลังงานแสงอาทิตย์บนยาน Progress และในปี 2010 ญี่ปุ่นได้ทำการทดสอบที่ประสบความสำเร็จในการเดินทางไปยังดาวศุกร์ แต่ไม่เคยมีเรือลำเดียวที่ใช้การแล่นเรือเป็นแหล่งเร่งความเร็วหลัก อีกโครงการหนึ่งซึ่งเป็นเรือใบไฟฟ้ามีแนวโน้มค่อนข้างดีในแง่นี้

ใบเรือไฟฟ้า

ดวงอาทิตย์ไม่เพียงปล่อยโฟตอน แต่ยังรวมถึงอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าของสสารด้วยเช่นอิเล็กตรอนโปรตอนและไอออน ทั้งหมดนี้ก่อตัวเป็นสิ่งที่เรียกว่าลมสุริยะซึ่งพัดพาห่างจากพื้นผิวดวงอาทิตย์ประมาณหนึ่งล้านตันสสารทุกวินาที

ลมสุริยะแผ่กระจายไปหลายพันล้านกิโลเมตรและมีส่วนรับผิดชอบต่อปรากฏการณ์ทางธรรมชาติบางอย่างบนโลกของเรา: พายุธรณีแม่เหล็กและแสงเหนือ โลกได้รับการปกป้องจากลมสุริยะด้วยสนามแม่เหล็กของมันเอง

ลมสุริยะเช่นเดียวกับลมในอากาศค่อนข้างเหมาะสำหรับการเดินทางคุณเพียงแค่ต้องทำให้มันพัดไปในใบเรือ โครงการเรือใบไฟฟ้าซึ่งสร้างขึ้นในปี 2549 โดย Pekka Janhunen นักวิทยาศาสตร์ชาวฟินแลนด์ภายนอกมีความคล้ายคลึงกับดวงอาทิตย์เพียงเล็กน้อย เครื่องยนต์นี้ประกอบด้วยสายเคเบิลบาง ๆ ยาว ๆ คล้ายกับซี่ล้อที่ไม่มีขอบล้อ

ต้องขอบคุณปืนอิเล็กตรอนที่เปล่งออกมาตามทิศทางการเดินทางสายเคเบิลเหล่านี้จึงได้รับศักย์ไฟฟ้าบวก เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนน้อยกว่ามวลของโปรตอนประมาณ 1800 เท่าแรงผลักที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนจึงไม่มีบทบาทพื้นฐาน อิเล็กตรอนของลมสุริยะไม่สำคัญสำหรับการเดินเรือ แต่อนุภาคที่มีประจุบวก - โปรตอนและรังสีอัลฟาจะถูกขับไล่จากเชือกซึ่งจะทำให้เกิดแรงขับเจ็ท

แม้ว่าแรงขับนี้จะน้อยกว่าใบเรือสุริยะประมาณ 200 เท่า แต่องค์การอวกาศยุโรปก็ให้ความสนใจ ความจริงก็คือใบเรือไฟฟ้านั้นง่ายกว่ามากในการออกแบบผลิตติดตั้งและใช้งานในอวกาศ นอกจากนี้การใช้แรงโน้มถ่วงใบเรือยังช่วยให้คุณเดินทางไปยังแหล่งกำเนิดของลมที่เป็นตัวเอกและไม่ใช่แค่จากมันเท่านั้น และเนื่องจากพื้นที่ผิวของใบเรือดังกล่าวมีน้อยกว่าใบเรือสุริยะมากจึงมีความเสี่ยงต่อดาวเคราะห์น้อยและเศษซากอวกาศน้อยกว่ามาก บางทีเราอาจจะได้เห็นเรือทดลองลำแรกบนใบเรือไฟฟ้าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

เครื่องยนต์ไอออน

การไหลของอนุภาคที่มีประจุของสสารนั่นคือไอออนไม่เพียง แต่ปล่อยออกมาจากดวงดาวเท่านั้น ก๊าซไอออไนซ์ยังสามารถสร้างขึ้นเองได้ โดยปกติอนุภาคของก๊าซจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลของมันสูญเสียอิเล็กตรอนไปก็จะกลายเป็นไอออน ในมวลรวมก๊าซดังกล่าวยังไม่มีประจุไฟฟ้า แต่อนุภาคแต่ละอนุภาคจะกลายเป็นประจุไฟฟ้าซึ่งหมายความว่าสามารถเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กได้

ในเครื่องยนต์ไอออนก๊าซเฉื่อย (โดยปกติคือซีนอน) จะแตกตัวเป็นไอออนโดยกระแสของอิเล็กตรอนพลังงานสูง พวกมันทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมและได้รับประจุบวก นอกจากนี้ไอออนที่เกิดจะถูกเร่งในสนามไฟฟ้าสถิตด้วยความเร็ว 200 กม. / วินาทีซึ่งสูงกว่าอัตราการไหลของก๊าซจากเครื่องยนต์เจ็ทเคมีถึง 50 เท่า อย่างไรก็ตามเครื่องขับดันไอออนสมัยใหม่มีแรงขับน้อยมาก - ประมาณ 50-100 มิลลิวัตต์ เครื่องยนต์ดังกล่าวจะไม่สามารถเคลื่อนออกจากโต๊ะได้ด้วยซ้ำ แต่เขามีข้อดีที่ร้ายแรง

แรงกระตุ้นที่เฉพาะเจาะจงขนาดใหญ่สามารถลดการใช้เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ได้อย่างมาก พลังงานที่ได้รับจากแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์จะใช้ในการทำให้เป็นไอออนของก๊าซดังนั้นเครื่องยนต์ไอออนจึงสามารถทำงานได้เป็นเวลานานมากถึงสามปีโดยไม่หยุดชะงัก ในช่วงเวลาดังกล่าวเขาจะมีเวลาเร่งยานอวกาศให้เร็วขึ้นอย่างที่เครื่องยนต์เคมีไม่เคยฝันถึง

เครื่องยนต์ไอออนได้ไถความกว้างใหญ่ของระบบสุริยะซ้ำแล้วซ้ำเล่าซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจต่างๆ แต่โดยปกติจะเป็นอุปกรณ์เสริมไม่ใช่หลัก ปัจจุบันเครื่องยนต์พลาสม่าถูกพูดถึงมากขึ้นในฐานะทางเลือกอื่นที่เป็นไปได้สำหรับเครื่องขับดันไอออน

เครื่องยนต์พลาสม่า

หากระดับไอออไนเซชันของอะตอมสูงขึ้น (ประมาณ 99%) สถานะรวมของสสารดังกล่าวเรียกว่าพลาสมา สถานะของพลาสมาสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะที่อุณหภูมิสูงดังนั้นก๊าซไอออไนซ์จึงถูกทำให้ร้อนได้ถึงหลายล้านองศาในเครื่องยนต์พลาสมา การทำความร้อนจะดำเนินการโดยใช้แหล่งพลังงานภายนอก - แผงโซลาร์เซลล์หรือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็กตามความเป็นจริงมากขึ้น

จากนั้นพลาสมาที่ร้อนจะถูกขับออกมาทางหัวฉีดของจรวดทำให้เกิดแรงขับมากกว่าไอออนทรัสเตอร์หลายสิบเท่า ตัวอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์พลาสม่าคือโครงการ VASIMR ซึ่งพัฒนามาตั้งแต่ทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่แล้ว ซึ่งแตกต่างจากเครื่องขับดันไอออนเครื่องขับดันพลาสมายังไม่ได้รับการทดสอบในอวกาศ แต่ความหวังอันยิ่งใหญ่นั้นตรึงอยู่กับพวกมัน เป็นเครื่องยนต์พลาสมา VASIMR ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้สมัครหลักสำหรับเที่ยวบินที่มีคนขับไปยังดาวอังคาร

เครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์

ผู้คนพยายามทำให้เชื่องพลังงานของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันมาตั้งแต่กลางศตวรรษที่ยี่สิบ แต่จนถึงขณะนี้พวกเขายังไม่สามารถทำได้ อย่างไรก็ตามฟิวชั่นนิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้ยังคงน่าสนใจมากเนื่องจากเป็นแหล่งพลังงานมหาศาลที่ได้จากเชื้อเพลิงราคาถูกมาก - ไอโซโทปของฮีเลียมและไฮโดรเจน

ในขณะนี้มีหลายโครงการสำหรับการออกแบบเครื่องยนต์เจ็ทด้วยพลังงานของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชัน สิ่งที่มีแนวโน้มมากที่สุดถือเป็นแบบจำลองที่มีพื้นฐานมาจากเครื่องปฏิกรณ์ที่มีการกักขังพลาสม่าแม่เหล็ก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์ในเครื่องยนต์ดังกล่าวจะเป็นห้องทรงกระบอกที่ไม่มีการบีบอัดยาว 100-300 เมตรและมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-3 เมตร ห้องนี้ต้องจ่ายเชื้อเพลิงในรูปของพลาสมาอุณหภูมิสูงซึ่งความดันเพียงพอจะเข้าสู่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ขดลวดของระบบแม่เหล็กที่อยู่รอบ ๆ ห้องจะต้องป้องกันไม่ให้พลาสมานี้สัมผัสกับอุปกรณ์

โซนปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ตั้งอยู่ตามแกนของกระบอกสูบดังกล่าว ด้วยความช่วยเหลือของสนามแม่เหล็กพลาสม่าที่ร้อนจัดจะไหลผ่านหัวฉีดของเครื่องปฏิกรณ์ทำให้เกิดแรงผลักมหาศาลมากกว่าเครื่องยนต์เคมีหลายเท่า

เครื่องยนต์ปฏิสสาร

สสารทั้งหมดรอบตัวเราประกอบด้วยเฟอร์มิออน - อนุภาคมูลฐานที่มีสปินครึ่งจำนวนเต็ม ตัวอย่างเช่นควาร์กซึ่งประกอบเป็นโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมเช่นเดียวกับอิเล็กตรอน ยิ่งไปกว่านั้นเฟอร์มิออนแต่ละตัวยังมีแอนตี้พาร์ติเคิลของตัวเอง สำหรับอิเล็กตรอนนี่คือโพซิตรอนสำหรับควาร์ก - แอนติควาร์ก

แอนติบอดีมีมวลเท่ากันและสปินเช่นเดียวกับ "สหาย" ตามปกติซึ่งแตกต่างกันในสัญลักษณ์ของพารามิเตอร์ควอนตัมอื่น ๆ ทั้งหมด ตามทฤษฎีแล้วแอนติบอดีสามารถสร้างปฏิสสารได้ แต่จนถึงขณะนี้ปฏิสสารยังไม่ได้รับการจดทะเบียนที่ใดในจักรวาล สำหรับวิทยาศาสตร์พื้นฐานคำถามใหญ่คือเหตุใดจึงไม่มีอยู่จริง

แต่ภายใต้สภาพห้องปฏิบัติการคุณจะได้รับปฏิสสารบางอย่าง ตัวอย่างเช่นเมื่อเร็ว ๆ นี้มีการทดลองเปรียบเทียบคุณสมบัติของโปรตอนและแอนติโปรตอนที่เก็บไว้ในกับดักแม่เหล็ก

เมื่อปฏิสสารและสสารธรรมดามาบรรจบกันกระบวนการทำลายล้างซึ่งกันและกันจะเกิดขึ้นพร้อมกับการระเบิดของพลังงานมหาศาล ดังนั้นถ้าเรารับน้ำหนักสสารและปฏิสสาร 1 กิโลกรัมปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อพวกมันมาเจอกันจะเทียบได้กับการระเบิดของ "ซาร์บอมบ์" ซึ่งเป็นระเบิดไฮโดรเจนที่ทรงพลังที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ

ยิ่งไปกว่านั้นพลังงานส่วนสำคัญจะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของโฟตอนของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีความต้องการที่จะใช้พลังงานนี้เพื่อการเดินทางในอวกาศโดยการสร้างเครื่องยนต์โฟตอนคล้ายกับใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ในกรณีนี้แสงจะถูกสร้างขึ้นโดยแหล่งภายในเท่านั้น

แต่เพื่อให้สามารถใช้รังสีในเครื่องยนต์เจ็ตได้อย่างมีประสิทธิภาพจำเป็นต้องแก้ปัญหาในการสร้าง "กระจก" ที่จะสามารถสะท้อนโฟตอนเหล่านี้ได้ ท้ายที่สุดเรือต้องผลักออกเพื่อสร้างแรงผลักดัน

ไม่มีวัสดุที่ทันสมัยเพียงแค่ไม่ทนต่อรังสีที่เกิดในกรณีที่เกิดการระเบิดและจะระเหยทันที ในนิยายวิทยาศาสตร์พี่น้อง Strugatsky แก้ปัญหานี้ด้วยการสร้าง "ตัวสะท้อนแสงสัมบูรณ์" ในชีวิตจริงยังไม่มีอะไรแบบนี้ งานนี้เช่นเดียวกับประเด็นในการสร้างปฏิสสารจำนวนมากและการจัดเก็บข้อมูลระยะยาวเป็นเรื่องของฟิสิกส์ในอนาคต

บทนำ

สองทศวรรษครึ่งแยกเราจากวันที่ 4 ตุลาคม 2500 ซึ่งถูกกำหนดให้แบ่งประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติออกเป็นสองยุคคือยุคก่อนจักรวาลและจักรวาล ในช่วงเวลานี้คนรุ่นหนึ่งเกิดและเติบโตขึ้นมาซึ่งได้รับความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับอวกาศที่ไม่ได้มาจากนวนิยายของ Jules Verne แต่มาจากข้อความเกือบทุกวันของหน่วยงานโทรเลขรายงานทางทีวีและหนังสือพิมพ์ ผู้คนหลายแสนคนในห้องปฏิบัติการศูนย์วิจัยสำนักออกแบบโรงงานและโรงงานต่างๆ "ทำงาน" ในอวกาศในปัจจุบันจนถึงระดับหนึ่ง มันไม่ได้กลายเป็นความรู้สึกมานาน แต่มันกลายเป็นสิ่งที่จำเป็นมาก ยานยนต์ที่มีคนขับการสื่อสารในอวกาศดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาและระบบนำทางส่วนใหญ่เป็นตัวกำหนดโฉมหน้าของยุคสมัยของเรา

ในขณะเดียวกันก็ไม่ได้มีไว้เพื่ออะไรที่เรียกว่าถนนในอวกาศที่สูงชัน ไม่ใช่ทุกสิ่งที่เกิดขึ้นกับพวกเขาอย่างที่เราต้องการ ในช่วง 2 ทศวรรษครึ่งที่ผ่านมาแนวความคิดเกี่ยวกับภารกิจสำคัญของการสำรวจอวกาศได้เปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง เกือบจะชัดเจนไม่เพียง แต่สำหรับมือสมัครเล่นนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงผู้เชี่ยวชาญด้วยสายการพัฒนาอวกาศ "ดวงจันทร์ - ดาวอังคาร - ไกลออกไปทุกหนทุกแห่ง" ได้เปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญโดยคำนึงถึงความต้องการและความสามารถของสังคม หลายโครงการเช่นการบินด้วยเครื่องบินไปยังดาวอังคารพบว่าตัวเองใกล้จะมีความเป็นไปได้ทางเทคนิคในระดับปัจจุบันของการพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศและในขณะเดียวกันก็เกินต้นทุนที่เป็นไปได้ทางเศรษฐกิจสำหรับวัตถุประสงค์เหล่านี้

ข้อเท็จจริงของการปฏิเสธที่จะปฏิบัติตามเส้นทาง“ หลัก” แสดงให้เห็นว่าอวกาศและอุตสาหกรรมอวกาศได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญทางอารมณ์และการเมืองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปัจจัยทางเศรษฐกิจด้วย ค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นอีกจะเป็นสิ่งที่สมเหตุสมผลก็ต่อเมื่อผลตอบแทนจากการลงทุนสามารถคาดหวังได้ว่าจะครอบคลุมส่วนสำคัญของการลงทุน ข้อกำหนดสำหรับการชดใช้ทางเศรษฐกิจของโครงการอวกาศในขั้นตอนใหม่นี้ส่วนใหญ่กำหนดเส้นทางของการพัฒนาอวกาศโดยรวม

ในโบรชัวร์นี้มีการพยายามจินตนาการถึงแนวทางที่เป็นไปได้ในการพัฒนาระบบขับเคลื่อนอวกาศในวันพรุ่งนี้ ตามธรรมชาติแล้วในเรื่องที่ซับซ้อนและยากเช่นการสร้างยานอวกาศมีตัวเลือกมากมายในการแก้ปัญหาเดียวกันเสมอ นอกจากนี้คลังแสงของแนวคิดและโอกาสทางเทคนิคยังเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและสิ่งใหม่ ๆ จำนวนมากอาจดีกว่าที่เป็นที่รู้จักในปัจจุบัน ดังนั้นผู้อ่านที่ต้องการคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามที่ว่ายานอวกาศจะติดตั้งเครื่องยนต์ประเภทใดกล่าวว่าใน 30-50 ปีนี้อาจผิดหวัง โบรชัวร์ไม่มีคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามนี้และแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย จะตรวจสอบแนวคิดและโครงการแบบดั้งเดิมและแบบใหม่จำนวนมากในด้านเครื่องมืออวกาศความสามารถและการปฏิบัติตามงานเหล่านั้นซึ่งตามมุมมองของวันนี้จะกลายเป็นสิ่งที่เกี่ยวข้องมากที่สุดในอนาคตอันไม่ไกล

จากมุมมองของโอกาสในการขับเคลื่อนอวกาศทิศทางหลักของการพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศสามารถแบ่งออกเป็นสี่กลุ่มตามเงื่อนไข

1. การเคลื่อนย้ายสินค้าขนาดใหญ่ (หลายหมื่นแสนตันต่อปี) จากพื้นผิวโลกไปยังวงโคจรต่ำ ปัจจุบันการขนส่งสินค้าเหล่านี้มีน้อยลงประมาณ 10 เท่า ปริมาณการขนส่งสินค้าที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเป็นสิ่งที่จำเป็นทั้งสำหรับการแก้ปัญหาพื้นฐานใหม่ ๆ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างโรงงานผลิตเทคโนโลยีอวกาศและระบบพลังงาน) และเพื่อให้แน่ใจว่าการวิจัยในห้วงอวกาศจะมีความต่อเนื่อง

2. การขนส่งสินค้าขนาดใหญ่จากวงโคจรต่ำไปยังวงโคจรสูงและในทางกลับกันการขนส่งสินค้าที่คล้ายกันจากวงโคจรใกล้โลกไปยังดวงจันทร์ สำหรับงานส่วนใหญ่การส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรอ้างอิงเป็นขั้นตอนกลาง ดาวเทียมสื่อสารระบบไฟฟ้าดังกล่าวและยานอวกาศอื่น ๆ อีกมากมายต้องอยู่ในวงโคจรสูง ดังนั้นจึงมีความต้องการวิธีการที่ประหยัดสำหรับเที่ยวบินระหว่างโรงพยาบาล

3. เที่ยวบินระหว่างดาวเคราะห์ที่รวดเร็ว

4. การสร้างยานอวกาศสำหรับเที่ยวบินนอกระบบสุริยะส่งยานอวกาศไปยังดวงดาวที่ใกล้ที่สุด

เพื่อประโยชน์ในการจัดระบบเครื่องยนต์อวกาศที่พิจารณาในโบรชัวร์จะแบ่งออกเป็นสามกลุ่มตามอัตภาพ: 1) เป็นอิสระโดยมีลักษณะของแหล่งพลังงานและของเหลวที่ใช้งานอยู่บนเรือ 2) ระบบขับเคลื่อนที่มีแหล่งพลังงานภายนอกและ 3) ระบบขับเคลื่อนโดยใช้แหล่งมวลภายนอกเป็นสื่อในการทำงาน

กลุ่มแรกประกอบด้วยเครื่องยนต์จรวดของเหลวและเคมีอื่น ๆ เครื่องยนต์นิวเคลียร์และเทอร์โมนิวเคลียร์เครื่องยนต์อวกาศที่สองที่ใช้พลังงานของเลเซอร์หรือเครื่องกำเนิดไมโครเวฟที่อยู่นอกยานอวกาศเพื่อเร่งการทำงานของของเหลวเช่นเดียวกับเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานของ ดวงอาทิตย์ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง ... ในที่สุดกลุ่มที่สาม ได้แก่ เครื่องยนต์ที่ใช้บรรยากาศตัวกลางระหว่างดาวเคราะห์หินของดาวเคราะห์และดาวเคราะห์น้อยเป็นของเหลวที่ใช้งานได้

ระบบมอเตอร์อัตโนมัติ

ความเป็นไปได้ของระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ บทบาทของเครื่องยนต์จรวดคือการแปลงพลังงานบางรูปแบบเป็นพลังงานจลน์ของจรวด ตามหลักการของแรงขับไอพ่นที่รู้จักกันดีการเปลี่ยนแปลงนี้สามารถรับรู้ได้โดยการทิ้งมวลเสริมนั่นคือโดยการให้ความเร็วที่แน่นอนกับของเหลวที่ใช้งานของเครื่องยนต์ ดังนั้นระบบขับเคลื่อนใด ๆ จะต้องมีแหล่งพลังงานแหล่งที่มาของมวลที่ถูกทิ้ง (ร่างกายทำงานของเครื่องยนต์) และตัวเครื่องยนต์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่พลังงานของแหล่งกำเนิดจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของร่างกายที่ทำงาน

ในการออกแบบเครื่องยนต์บางรุ่นสามารถรวมแหล่งพลังงานและของเหลวที่ใช้งานได้ ตัวอย่างเช่นในเครื่องยนต์จรวดขับดันของเหลว (LRE) พลังงานจะถูกปล่อยออกมาเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีของส่วนประกอบของของเหลวที่ใช้งานได้ หากแหล่งพลังงานและของเหลวที่ใช้งานอยู่บนจรวดระบบขับเคลื่อนดังกล่าวจะเรียกว่าระบบอัตโนมัติ

จากกฎการอนุรักษ์พลังงานที่ว่าสต็อกขั้นต่ำบนจรวดควรเท่ากับผลรวมของพลังงานจลน์ของน้ำหนักบรรทุกและงานที่ใช้เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงและแรงต้านอากาศเมื่อจรวดถูกปล่อยออกจาก พื้นผิวโลก. ตัวอย่างเช่นค่าใช้จ่ายในการส่งดาวเทียมที่มีมวล 1 กก. เมื่อส่งดาวเทียมประดิษฐ์ขึ้นสู่วงโคจรที่มีความสูง 300 กม. คือ 4.5 · 10 7 J.

เนื่องจากการเร่งความเร็วของแหล่งพลังงานยังต้องใช้ต้นทุนแรงงานจึงเป็นที่พึงปรารถนาที่จะใช้แหล่งดังกล่าวที่มีการปลดปล่อยพลังงานสูงสุดต่อหน่วยมวล พลังงานสามารถจัดเก็บได้ในหลากหลายรูปแบบเช่นเครื่องกลไฟฟ้าแม่เหล็กเคมีนิวเคลียร์ แหล่งพลังงานที่ใช้ปฏิกิริยาเคมีและนิวเคลียร์มีลักษณะที่ดีที่สุด

พลังงานเฉพาะสำหรับปฏิกิริยาที่ใช้อยู่ในปัจจุบันและปฏิกิริยาที่มีแนวโน้มแสดงไว้ในตาราง หนึ่ง.

ตารางที่ 1

พารามิเตอร์ของแหล่งพลังงานสำหรับเครื่องยนต์จรวดประเภทต่างๆ

จากนั้นเราสามารถสรุปได้ว่าในการส่งดาวเทียมของโลกที่มีมวล 1 กิโลกรัมเข้าสู่วงโคจรดูเหมือนว่าจะมีพลังงานเพียงพอที่ปล่อยออกมาในระหว่างปฏิกิริยาของส่วนผสมออกซิเจน - ไฮโดรเจนที่มีน้ำหนัก 3.5 กิโลกรัมหรือในระหว่างการแตกตัวของยูเรเนียม -235 น้ำหนัก 0.5 มก. อย่างไรก็ตามการแปลงพลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้บนจรวดให้เป็นพลังงานจลน์นั้นไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ

ประการแรกนี่เป็นเพราะประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานที่เก็บไว้เป็นพลังงานจลน์ของของเหลวที่ใช้งานได้นั้นน้อยกว่า 100% เสมอ พลังงานส่วนหนึ่ง (ในกรณีของมอเตอร์ไฟฟ้าส่วนใหญ่) จะกระจายไปในอวกาศอย่างไร้ประโยชน์ในรูปแบบของการแผ่รังสีความร้อนในขณะที่อีกส่วนหนึ่งถูกพัดพาไปในรูปของพลังงานภายในของมวลที่ถูกทิ้ง (ความร้อนพลังงานการแยกส่วน ฯลฯ ). การสูญเสียเหล่านี้โดดเด่นด้วยประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน

ประการที่สองการใช้พลังงานจลน์อย่างเต็มที่ของมวลที่ถูกทิ้งจะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อความเร็วของมันตรงข้ามและเท่ากับความเร็วของจรวดนั่นคือถ้ามวลนี้หลังจากออกจากเครื่องยนต์จะยังคงนิ่งเมื่อเทียบกับจุดปล่อย จรวด การสูญเสียที่เกิดจากความแตกต่างของค่าสัมบูรณ์ของความเร็วของมวลที่โยนและจรวดนั้นมีลักษณะตามประสิทธิภาพที่เรียกว่าแรงผลัก

ในรูป 1 แสดงแผนภาพสมดุลพลังงานสำหรับเครื่องยนต์จรวดต่างๆ ค่าโดยประมาณของการสูญเสียสัมพัทธ์จะได้รับสำหรับเครื่องยนต์จรวดเช่นเดียวกับสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า (ในวงเล็บ)

รูป: 1. สมดุลพลังงานของระบบขับเคลื่อนใน LPRE และ ERE (ในวงเล็บ)

งานที่ใช้โดยเครื่องยนต์จรวดเพื่อเร่งหน่วยมวลของจรวดมีขนาดของกำลังสองของความเร็วดังนั้นในการวัดงานนี้จึงสะดวกที่จะใช้ความเร็วลักษณะบางอย่าง v x. เมื่อเร่งความเร็วจรวดในความว่างเปล่าในช่วงที่ไม่มีสนามโน้มถ่วงความเร็วนี้จะเกิดขึ้นพร้อมกับความเร็วของจรวด ดังนั้นงานที่ใช้ในการเร่งความเร็วในเครื่องยนต์ของของเหลวที่ใช้งานสามารถแสดงในรูปของความเร็ว - อัตราการไหลที่เรียกว่า v และ.

ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วเหล่านี้ที่ความเร็วการไหลคงที่อธิบายได้โดยสมการ Tsiolkovsky v x \u003d v และ ln (1 + z) ที่ไหน z - จำนวน Tsiolkovsky เท่ากับอัตราส่วนของมวลของของเหลวที่ใช้งานได้ที่เก็บไว้บนจรวดต่อมวลของจรวด "ว่าง" (รวมถึงมวลของน้ำหนักบรรทุกเครื่องยนต์และโครงสร้าง)

ความเร็วลักษณะมักจะแสดงในรูปของความเร็วที่สอดคล้องกันเนื่องจากการใช้พลังงานที่ต้องใช้ในการทำงาน นี่คือความเร็วในการออกจากพื้นที่แห่งแรงดึงดูดความเร็วในการโคจรและความเร็วในการเข้าใกล้ดาวเคราะห์หากเป็นเป้าหมายของการบิน สำหรับการปล่อยดาวเทียมโลกเทียมความเร็วลักษณะเฉพาะคือ 9.5 กม. / วินาทีสำหรับการออกจากทรงกลมของแรงโน้มถ่วงของโลก - 12.5 สำหรับเที่ยวบินระหว่างดาวเคราะห์ - 30-50 กม. / วินาที

หมายเลข Tsiolkovsky เป็นลักษณะที่สำคัญที่สุดของจรวด: สำหรับมวลที่กำหนดของน้ำหนักบรรทุกจะกำหนดมวลการปล่อยจรวดดังนั้นค่าที่ต่ำที่สุดจึงเป็นที่ต้องการ ตามมาจากสมการ Tsiolkovsky ว่าสำหรับความเร็วลักษณะที่กำหนดจำนวน Tsiolkovsky สามารถลดลงได้โดยการเพิ่มความเร็วการไหลออกเท่านั้น ดังนั้นความเร็วในการหมดอายุจึงเป็นหนึ่งในคุณสมบัติหลักของเครื่องยนต์และการเพิ่มขึ้นเป็นภารกิจหลักในการปรับปรุงเครื่องยนต์จรวด

จากการกำหนดอัตราการไหลออกของเครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานรวมและมวลที่ถูกปฏิเสธเมื่อของเหลวทำงานถูกเร่งเนื่องจากพลังงานภายในอัตราการไหลออกสามารถคำนวณได้ง่ายโดยการหาพลังงานจลน์ของมวลที่ถูกปฏิเสธภายใน พลังงานคูณด้วยประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ ตาราง 1 แสดงอัตราการไหลที่สอดคล้องกับปฏิกิริยาที่แตกต่างกันโดยมีประสิทธิภาพของมอเตอร์เท่ากับ 100%

ในรูป 2 แสดงกราฟของการพึ่งพาความเร็วลักษณะเฉพาะกับความเร็วการไหลออกของตัวเลข Tsiolkovsky ต่างๆ จากการเปรียบเทียบกราฟนี้กับข้อมูลในตาราง 1 เราสามารถสรุปได้ว่าปัญหาการบินในอวกาศทั้งหมดสามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดายโดยใช้ยูเรเนียม -235 เป็นเชื้อเพลิงจรวดไม่ต้องพูดถึงดิวเทอเรียมและไอโซโทป อันที่จริงสำหรับความเร็วลักษณะ 50 กม. / วินาทีที่จำเป็นสำหรับการบินไปยังดาวเคราะห์หมายเลข Tsiolkovsky ที่ความเร็วการไหลออกที่สอดคล้องกับพลังงานฟิชชันของยูเรเนียมคือ 5.5 · 10 –3 แม้จะมีประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ 1% อัตราส่วนของมวลยูเรเนียมต่อมวลจรวดจะเหลือเพียง 0.056

อย่างไรก็ตามอะตอมของยูเรเนียมทั้งหมดต้องทำปฏิกิริยาในเครื่องยนต์เพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ออกแบบไว้ เนื่องจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่ดำรงอยู่ได้เองจำเป็นต้องมีมวลของวัสดุฟิสไซล์ที่ไม่น้อยกว่ามวลวิกฤตที่เรียกว่า (สำหรับยูเรเนียมประมาณ 1 กิโลกรัม) จากนั้นพลังงานมหาศาล 10 13 J จะถูกปล่อยออกมาในเครื่องยนต์ในช่วงเวลาหนึ่ง ประมาณ 10 -6 วินาทีการเปลี่ยนแม้แต่ส่วนหนึ่งของพลังงานนี้ไปเป็นพลังงานจลน์ของจรวดในช่วงเวลาสั้น ๆ นั้นสอดคล้องกับการเร่งความเร็วที่สูงมากและส่งผลให้เกิดการโอเวอร์โหลดที่ไม่มีการออกแบบจรวดใดสามารถต้านทานได้ นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยายังมีอุณหภูมิมากกว่า 50 ล้าน K และการมีปฏิสัมพันธ์กับผนังของเครื่องยนต์จะนำไปสู่การทำลายความร้อน

รูปที่. 2. การขึ้นอยู่กับความเร็วลักษณะเฉพาะของความเร็วการไหลออกสำหรับหมายเลข Tsiolkovsky ต่างๆ

ในกรณีของปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบควบคุมล่าช้าซึ่งเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูเศษฟิชชันจะสูญเสียพลังงานในการชนกับอะตอมที่ยังไม่เกิดปฏิกิริยาความเข้มข้นซึ่งมีขนาดสูงกว่าหลายลำดับและโดยทั่วไปสสารฟิไซล์ทั้งหมดจะได้รับพลังงานมาก น้อยกว่าพลังงานจำเพาะของปฏิกิริยานิวเคลียร์ ไม่เป็นประโยชน์ที่จะใช้พลังงานนี้เพื่อสร้างอัตราการไหลออกของสารฟิสไซล์เองเนื่องจากพลังงานมากเกินไปจะสูญเสียไปในรูปของพลังงานภายในของนิวเคลียสที่ไม่มีปฏิกิริยาดังนั้นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จะต่ำอย่างไม่อาจยอมรับได้

ในการเชื่อมต่อกับข้อ จำกัด เหล่านี้การใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานไปยังมวลที่เป็นกลางที่เก็บไว้บนจรวดกล่าวคือแหล่งที่มาของพลังงานและมวลที่ถูกโยนจะถูกแยกออกจากกัน

ควรสังเกตความแตกต่างพื้นฐานดังต่อไปนี้ในข้อกำหนดสำหรับอัตราการไหลของเครื่องยนต์ดังกล่าวและสำหรับเครื่องยนต์ซึ่งของเหลวที่ใช้งานเป็นแหล่งพลังงานพร้อมกัน ระบบการบินที่มีความเร็วไหลออกคงที่ซึ่งอธิบายโดยสมการ Tsiolkovsky ไม่เป็นประโยชน์ในแง่ของการสูญเสียแรงขับ (ประสิทธิภาพในการผลักคือ 100% เฉพาะที่จุดนั้นของวิถีที่ความเร็วการไหลออกเท่ากับความเร็วจรวด) แท้จริงดังต่อไปนี้จากรูปที่ 1 สำหรับเครื่องยนต์ Constant Outflow Velocity (LRE) ทั่วไปการสูญเสียพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับมวลที่ถูกทิ้งจะเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของการสูญเสียทั้งหมด

อย่างไรก็ตามจากการวิเคราะห์สมการการเคลื่อนที่ของจรวดพบว่าสำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานภายในของของเหลวทำงานเป็นแหล่งพลังงานที่ความเร็วไอเสียสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับเครื่องยนต์ที่กำหนดค่าต่ำสุดของ Tsiolkovsky มีการระบุจำนวนโดยไม่คำนึงถึงค่าของความเร็วลักษณะ ในทางกลับกันในเครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานแยกต่างหากและมวลที่คาดการณ์ไว้โหมดการเร่งความเร็วของจรวดที่มีความเร็วไอเสียคงที่จะไม่เหมาะสมอีกต่อไปและการเพิ่มประสิทธิภาพในการขับดันสามารถปรับปรุงลักษณะของจรวดได้อย่างมาก ความเร็วในการหมดอายุในกรณีนี้ควรเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของความเร็วจรวด

การอ้างอิงที่อธิบายถึงค่าเฉพาะของอัตราการไหลออกนั้นค่อนข้างซับซ้อนและเราจะไม่อยู่กับมัน นอกจากนี้มอเตอร์ความเร็วไอเสียแบบแปรผันยังยากที่จะนำไปใช้ในทางปฏิบัติ ดังนั้นจึงขอแนะนำให้ระบุลักษณะของเครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานที่แยกจากกันและมวลที่ถูกปฏิเสธโดยความเร็วไอเสียเฉลี่ยที่แน่นอน พลังงานสำรองขั้นต่ำบนจรวด (ลักษณะเช่นโดยมวลของยูเรเนียม -235) ทำได้ที่ความเร็วการไหลออกเท่ากับประมาณ 62% ของความเร็วลักษณะและจำนวน Tsiolkovsky เท่ากับ 4 และในทางกลับกันถ้า พลังงานสำรองบนเรือและความเร็วลักษณะจะได้รับจากนั้นค่าที่เหมาะสมที่สุดของความเร็วการหมดอายุนี้จะสอดคล้องกับน้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่เป็นไปได้ของจรวด

จากนี้เป็นไปตามที่ในเครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานแยกต่างหากและมวลที่คาดการณ์ไว้ความเร็วการไหลออกไม่ควรเกินค่าที่เหมาะสมซึ่งกำหนดโดยปัญหาการบินในอวกาศที่เฉพาะเจาะจง ตำแหน่งนี้ไม่ขัดแย้งกับข้อความข้างต้นเกี่ยวกับความปรารถนาที่จะเพิ่มความเร็วไอเสียเมื่อพัฒนาเครื่องยนต์ใหม่เนื่องจากสำหรับปัญหาส่วนใหญ่ในวงจรเครื่องยนต์ที่มีอยู่จึงยังไม่บรรลุความเร็วไอเสียที่เหมาะสม

ในบางกรณีแม้สำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานภายในของของไหลที่ใช้งานได้ก็เป็นประโยชน์ในการลดอัตราการไหลโดยการเพิ่มมวลแบบพาสซีฟ ตัวอย่างเช่นจรวดที่มีเครื่องยนต์ขับเคลื่อนของเหลวออกจากดวงจันทร์ควรแจ้งน้ำหนักบรรทุกที่มีความเร็วประมาณ 2.5 กม. / วินาที ความเร็วการไหลออกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับงานนี้คือ 1.6 กม. / วินาที (0.62 v x) เครื่องยนต์จรวดขับดันของเหลวมีความเร็วการไหลออกที่สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นจึงเป็นประโยชน์ที่จะลดลงให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมที่สุดโดยการเพิ่มฝุ่นดวงจันทร์ลงในของเหลวที่ใช้งานได้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่วนประกอบที่ระเหยที่อุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์) ถ้าจรวดมีรถถังเปล่าที่ปล่อยระหว่างลงจอดบนดวงจันทร์ ... จากการดำเนินการนี้สามารถเพิ่มน้ำหนักบรรทุกได้ขึ้นอยู่กับประเภทของเชื้อเพลิงจรวด 20-50%

รูป: 3. การจำแนกประเภทของมอเตอร์อิสระ

พารามิเตอร์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่นำเครื่องยนต์จรวดมาเปรียบเทียบกันคือแรงขับนั่นคือแรงที่เครื่องยนต์สร้างขึ้นเพื่อเร่งความเร็วของจรวด ปริมาณแรงขับจะเท่ากับผลคูณของอัตราการไหลที่สองของมวลทิ้ง (ของเหลวที่ใช้ในการทำงานของเครื่องยนต์) โดยอัตราการไหล ตามพารามิเตอร์นี้พวกเขาแยกความแตกต่างระหว่างเครื่องยนต์ที่มีแรงขับสูงเมื่อแรงขับเกินน้ำหนักของจรวดและสามารถปล่อยออกมาจากพื้นผิวโลกได้และเครื่องยนต์แรงขับต่ำเหมาะสำหรับการยิงจากวงโคจรของดาวเทียมเท่านั้น

การแบ่งออกเป็นเครื่องยนต์ที่มีแรงขับต่ำและแรงขับสูงเกี่ยวข้องโดยตรงกับพารามิเตอร์อื่นนั่นคือความถ่วงจำเพาะของเครื่องยนต์ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของน้ำหนักของเครื่องยนต์ต่อแรงขับที่พัฒนาขึ้น ตามธรรมชาติแล้วเครื่องยนต์ที่มีความถ่วงจำเพาะมากกว่าหนึ่งควรจัดเป็นเครื่องยนต์ที่มีแรงขับต่ำ

ตอนนี้ให้เราพิจารณาแผนการที่มีแนวโน้มของเครื่องยนต์อัตโนมัติรวมถึงวิธีการปรับปรุงโครงร่างที่มีอยู่จากมุมมองของการปรับปรุงพารามิเตอร์ที่พิจารณาและประการแรกคืออัตราการไหล อย่างไรก็ตามก่อนอื่นให้เราทราบว่าตามวิธีการแปลงพลังงานเป็นพลังงานจลน์ของมวลที่ทิ้งไปเครื่องยนต์จรวดสองประเภทหลักสามารถแยกแยะได้ - ความร้อนและไฟฟ้า (รูปที่ 3) นอกจากนี้ยังมีระเบิดโฟตอนและเครื่องยนต์อื่น ๆ

เครื่องยนต์ความร้อน กลไกหลักในการแปลงพลังงานในเครื่องยนต์ความร้อนเช่นเดียวกับเครื่องยนต์ความร้อน (กังหันก๊าซเครื่องยนต์สันดาปภายใน) คือการขยายตัวของก๊าซซึ่งถูกบีบอัดก่อนหน้านี้และให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง อุปกรณ์ที่ทำการแปลงร่างนี้คือหัวฉีดเจ็ท (ช่องที่มีโปรไฟล์ของหน้าตัดตัวแปร) ซึ่งของเหลวที่ใช้งานจะไหลออกไปยังพื้นที่ภายนอก

อัตราการไหลออกที่เต้าเสียบหัวฉีดแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณหภูมิของไหลที่ใช้งานได้และแปรผกผันกับน้ำหนักโมเลกุล ประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ของหัวฉีดเป็นความร้อน BATT ของเครื่องพิจารณาจากความแตกต่างของอุณหภูมิก๊าซที่ทางเข้าและที่ทางออกของหัวฉีดซึ่งในทางกลับกันจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความดันสัมพัทธ์นั่นคือขึ้นอยู่กับระดับการขยายตัวของก๊าซ อัตราส่วนการขยายตัวของก๊าซถูก จำกัด ด้วยขนาดและน้ำหนักของเครื่องยนต์ดังนั้นในการออกแบบจริงประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ไม่เกิน 60–70%

ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้เพียงสองประการในการปรับปรุงคุณลักษณะของเครื่องยนต์จรวดระบายความร้อน - การเพิ่มอุณหภูมิของของเหลวที่ใช้งานได้และลดน้ำหนักโมเลกุล

ขีดความสามารถของเครื่องยนต์เคมี ในเครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้พลังงานของปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งแพร่หลายในปัจจุบันเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวและเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของแข็ง (เครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของแข็ง) ของเหลวที่ใช้งานจะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของเชื้อเพลิงกับ ออกซิไดเซอร์ อุณหภูมิของของเหลวทำงานถูกกำหนดโดยความร้อนของปฏิกิริยาและน้ำหนักโมเลกุลจะถูกกำหนดโดยน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ระบุไว้ในตาราง 1 ปฏิกิริยาเคมีให้อัตราส่วนที่เหมาะสมระหว่างน้ำหนักโมเลกุลและอุณหภูมิในแง่ของการได้รับอัตราการไหลสูงสุด

ในปัจจุบันเครื่องยนต์จรวดเคมีเกือบถึงขีด จำกัด ประสิทธิภาพสูงสุดแล้ว ปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดโดยใช้ออกซิเจนเป็นตัวออกซิไดซ์ได้รับการยอมรับมานานแล้ว: เครื่องยนต์ออกซิเจนน้ำมันก๊าดและไฮโดรเจน - ออกซิเจนถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีอวกาศเป็นเวลาหลายปี การปรับปรุงประสิทธิภาพบางอย่างสามารถทำได้โดยใช้สารออกซิแดนท์ที่มีฟลูออรีน แต่เนื่องจากฟลูออรีนเป็นสารที่มีฤทธิ์รุนแรงทางเคมีการเพิ่มขึ้นของแรงขับที่เฉพาะเจาะจงซึ่งสามารถพิสูจน์การใช้องค์ประกอบทางเคมีนี้ได้จึงแทบจะไม่สามารถพิสูจน์ความไม่สะดวกในการปฏิบัติงาน

วิธีที่รุนแรงที่สุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์เคมีคือการใช้ปฏิกิริยาการรวมตัวกันของอนุมูลอิสระ อนุมูลอิสระคืออะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าหรือกลุ่มของอะตอมที่มีสถานะไม่เสถียรของเปลือกอิเล็กตรอนซึ่งได้มาจากการแยกตัวของสารประกอบโมเลกุล ตัวอย่างเช่นในปฏิกิริยา H2O -\u003e OH + H กากไฮดรอกซิลและไฮโดรเจนอะตอมเป็นอนุมูล พลังงานสูงสุดเกิดจากปฏิกิริยาการก่อตัวของโมเลกุลไฮโดรเจน H + H -\u003e H 2 (พลังงานจำเพาะของปฏิกิริยานี้สอดคล้องกับอัตราการไหลออกประมาณ 30 กม. / วินาที)

อย่างไรก็ตามเนื่องจากมีแนวโน้มสูงที่อนุมูลอิสระจะรวมตัวเป็นโมเลกุลที่เสถียรการสะสมและการเก็บรักษาจึงทำได้เฉพาะที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับ 0 K เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีลดลงอย่างรวดเร็ว แต่ถึงแม้จะอยู่ที่ 0 K ความเป็นไปได้ก็ยังคงอยู่สำหรับปฏิกิริยาที่เรียกว่าอุโมงค์ ดังนั้นจึงไม่สามารถกักเก็บอนุมูลอิสระไว้ในรูปบริสุทธิ์ได้ มันควรจะตรึงอนุมูลไว้ในเมทริกซ์ที่เป็นกลาง (ตัวอย่างเช่นวางอะตอมไฮโดรเจนในตาข่ายคริสตัลของไฮโดรเจนที่เป็นของแข็ง) ในขณะที่ความเข้มข้นของอนุมูลอิสระในหลักการไม่สามารถเกิน 50% ได้

แม้ส่วนผสมของไฮโดรเจนอะตอม 10% และไฮโดรเจนโมเลกุล 90% จะทำให้ได้รับความเร็วในการไหลออกประมาณ 5 กม. / วินาทีที่อุณหภูมิเพียง 1200 K ตลอดระยะเวลากว่า 20 ปีในการทำงานกับปัญหานี้ เป็นไปได้ที่จะบรรลุความเข้มข้นของอนุมูลอิสระไม่เกินสิบเปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตามประโยชน์ของอนุมูลอิสระกระตุ้นให้เกิดการค้นคว้าเพิ่มเติม

เครื่องยนต์ความร้อนนิวเคลียร์ ทิศทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการปรับปรุงคุณลักษณะของเครื่องยนต์จรวดความร้อนคือการใช้พลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์ ตามที่ระบุไว้แล้วขอแนะนำให้ใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เฉพาะในแผนการที่มีแหล่งพลังงานแยกและมวลที่ถูกปฏิเสธ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่นี่ทำหน้าที่เป็นแหล่งความร้อนซึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังของเหลวที่ใช้งานได้

ในเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ที่ง่ายที่สุดเช่นเดียวกับในเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แกนกลางประกอบด้วยองค์ประกอบของเชื้อเพลิงซึ่งเป็นสารประกอบของยูเรเนียมหรือพลูโตเนียมที่ล้อมรอบด้วยเปลือกหอย อันเป็นผลมาจากการสลายตัวของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทำให้พวกมันร้อนขึ้น ของเหลวที่ใช้ในการทำงานจะถูกสูบเข้าไปในแกนกลางด้วยความช่วยเหลือของปั๊มซึ่งมันรับความร้อนจากแกนกลางระเหยอุณหภูมิสูงขึ้นและความเร็วจะเพิ่มขึ้นในหัวฉีดเจ็ท

อุณหภูมิสูงสุดของของเหลวทำงานถูก จำกัด โดยอุณหภูมิหลอมละลายขององค์ประกอบเชื้อเพลิงและคำนึงถึงความแตกต่างของอุณหภูมิที่ต้องการ (สำหรับการถ่ายเทความร้อน) และความต้านทานต่อสารเคมีของวัสดุจึงต้องไม่เกิน 2,000 K. เนื่องจากอุณหภูมิของการทำงาน ของเหลวในเครื่องยนต์เคมีคือ 3000–3500 K ซึ่งเป็นวิธีเดียวที่จะเพิ่มอัตราการไหลในเครื่องยนต์นิวเคลียร์ที่มีแกนแข็งเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์เคมีน้ำหนักโมเลกุลของของเหลวทำงานจะลดลง ไฮโดรเจนมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำสุด (2 กรัม / โมล) ซึ่งเป็นไปได้ที่จะได้รับความเร็วไหลออก 8-9.5 กม. / วินาที นี่คือขีด จำกัด สูงสุดสำหรับเครื่องยนต์จรวดความร้อนนิวเคลียร์แกนกลาง คุณลักษณะที่ใกล้เคียงกับค่าเหล่านี้ได้รับในสหรัฐอเมริกาจากเครื่องยนต์นิวเคลียร์รุ่นทดลอง "Nerva"

ในการเพิ่มอุณหภูมิของของเหลวที่ใช้งานได้ในเครื่องยนต์นิวเคลียร์จำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้เครื่องปฏิกรณ์ที่สารฟิสไซล์อยู่ในช่วงก๊าซ อย่างไรก็ตามปัญหาหลายประการเกิดขึ้นในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เฟสก๊าซเหล่านี้ สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ดำรงอยู่ได้ด้วยตัวเองจำเป็นต้องมีมวลของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไม่น้อยกว่าที่วิกฤตมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา เนื่องจากความหนาแน่นของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเฟสก๊าซที่อุณหภูมิสูงอยู่ในระดับต่ำจึงจำเป็นต้องใช้แรงดันสูงและแกนกลางจำนวนมากเพื่อให้ถึงมวลวิกฤต

ปัญหาที่ยากที่สองในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบเฟสแก๊สคือการกำจัดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยาพร้อมกับของเหลวที่ใช้งานได้ซึ่งจะช่วยลดลักษณะพลังงานของจรวดได้อย่างมาก

ขึ้นอยู่กับว่าของเหลวทำงานผสมกับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หรือแยกออกจากกันโครงร่างของเครื่องยนต์ที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกันจะแตกต่างกันตามลำดับ ข้อเสียที่สำคัญของโครงร่างที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งทำให้เกิดข้อสงสัยในความได้เปรียบคือการกำจัดยูเรเนียมจำนวนมากพร้อมกับของเหลวที่ใช้งานได้ - ประมาณ 100 กิโลกรัมต่อของเหลวที่ใช้งานได้ 1 ตัน

ในรูปแบบที่แตกต่างกันการบรรทุกเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สามารถลดลงอย่างมีนัยสำคัญหรือลดลงเหลือศูนย์ สนามแม่เหล็กแรงสูงถูกสร้างขึ้นในปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ด้วยความช่วยเหลือของโซลีนอยด์ซึ่งเติบโตไปทางขอบ การกำหนดค่าสนามในกรณีนี้จะเรียกว่า "ขวด" แม่เหล็ก "ขวด" แม่เหล็กมีคุณสมบัติที่ทำให้สารในสถานะพลาสมาสามารถกักเก็บไว้ได้เป็นเวลานานโดยไม่ต้องมีผนังทึบ อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ยูเรเนียมจะเข้าสู่สถานะพลาสมาและสนามแม่เหล็กป้องกันไม่ให้ผสมกับของเหลวที่ใช้งานได้ (ไฮโดรเจน) กระแสน้ำไหลไปรอบ ๆ "ขวด" แม่เหล็กที่มีเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ดึงความร้อนออกไป เพื่อหลีกเลี่ยงการผสมต้องเป็นไปตามเงื่อนไขการไหลแบบลามินาร์ ในกรณีนี้การแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพระหว่างแกนกลางและของเหลวที่ใช้งานทำได้โดยการแผ่รังสีเท่านั้น เนื่องจากไฮโดรเจนมีความโปร่งใสต่อการแผ่รังสีของยูเรเนียมพลาสม่าลิเธียมจะถูกเติมเข้าไปในปริมาณ 1-2% ซึ่งเมื่อแตกตัวเป็นไอออนแล้วจะดูดซับรังสีอย่างมาก ในรูปแบบดังกล่าวคาดว่าจะมีความเร็วไหลออก 20-30 กม. / วินาทีโดยมีการกำจัดยูเรเนียมน้อยกว่า 2% เมื่อเทียบกับอัตราการไหลของของไหลที่ใช้งานได้

นอกจากนี้ยังมีการตรวจสอบแบบแผนของเครื่องยนต์เฟสแก๊สซึ่งไม่มีการกำจัดฟิสไซล์เลย แผนผังขององค์ประกอบเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดังกล่าวแสดงในรูปที่ 4. เครื่องยนต์เป็นแคปซูลสองชั้นที่ทำจากวัสดุทนไฟโปร่งใส (ตัวอย่างเช่น leucosapphire) สารฟิสไซล์ถูกวางไว้ในแคปซูลซึ่งอยู่ในเฟสก๊าซภายใต้สภาวะการทำงาน ไฮโดรเจนถูกสูบระหว่างผนังเพื่อทำให้เย็นลง เนื่องจากทั้งผนังและไฮโดรเจนมีความโปร่งใสต่อการแผ่รังสีพลังงานนิวเคลียร์ที่ปล่อยออกมาในรูปของการแผ่รังสีจึงออกมาโดยที่มันให้ความร้อนไฮโดรเจนเท่ากัน แต่มีการเติมลิเทียม แกนเครื่องปฏิกรณ์ถูกรวบรวมจากองค์ประกอบเชื้อเพลิงดังกล่าว

การดำเนินการตามโครงการนี้ถูกขัดขวางโดยการขาดวัสดุที่เหมาะสมสำหรับผนังโปร่งใสซึ่งทนต่อการสัมผัสกับยูเรเนียมที่เป็นก๊าซที่อุณหภูมิสูงและฟลักซ์การแผ่รังสีสูง

เมื่อพลาสมาถูกเก็บไว้ใน "ขวด" แม่เหล็กจึงเป็นไปได้ที่จะใช้เครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์โดยใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน อย่างไรก็ตามวงจรพัลซิ่งถือเป็นวิธีที่มีแนวโน้มมากกว่าในการใช้เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งจะได้รับการพิจารณาในภายหลัง

รูป: 4. เซลล์ของโซนที่ใช้งานของก๊าซที่แตกต่างกัน NRE: 1 - ผนังแซฟไฟร์, 2 - พลาสมายูเรเนียม, 3 - ของเหลวที่ใช้งานได้

เครื่องยนต์เจ็ทไฟฟ้า เครื่องยนต์เจ็ทไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์สำหรับแปลงพลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นบนจรวดเป็นพลังงานจลน์ของมวลที่คาดการณ์ไว้ วิธีที่ง่ายที่สุดในการแปลงจะดำเนินการในมอเตอร์ไฟฟ้าที่เรียกว่ามอเตอร์ไฟฟ้าเมื่อของเหลวที่ใช้งานได้รับความร้อนจากกระแสไฟฟ้าแล้วเร่งด้วยหัวฉีดเจ็ทเช่นเดียวกับเครื่องยนต์ความร้อนทั่วไป

แม้ว่าความร้อนไฟฟ้าจะได้รับอุณหภูมิที่สูงมาก แต่มอเตอร์ที่มีการเร่งความเร็วแม่เหล็กไฟฟ้าของของเหลวทำงานก็เป็นที่ต้องการมากกว่า ในเครื่องยนต์ดังกล่าวพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์และด้วยเหตุนี้จึงมีข้อ จำกัด ทางอุณหพลศาสตร์เกี่ยวกับค่าของอัตราการไหลและประสิทธิภาพของการแปลงพลังงาน

ตามแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการเร่งของไหลทำงานมอเตอร์ไอออนพลาสม่าและความถี่สูงจะแตกต่างกัน ในเครื่องยนต์ไอออนการเร่งความเร็วเกิดขึ้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้ากับไอออนหรืออนุภาคขนาดใหญ่ที่มีประจุไฟฟ้าของของเหลวที่ใช้งานได้ มอเตอร์พลาสม่าใช้ปฏิสัมพันธ์ของกระแสกับสนามแม่เหล็ก และในที่สุดในมอเตอร์ความถี่สูงการเร่งความเร็วจะกระทำโดยสนามของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ ในมอเตอร์ไฟฟ้ามันค่อนข้างง่ายที่จะได้รับความเร็วในการไหลออกที่สูงตามอำเภอใจโดยขึ้นอยู่กับความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง (เช่นถ้าคุณใช้เครื่องเร่งอนุภาคเป็นมอเตอร์)

เนื่องจากไม่มีตัวสะสมพลังงานไฟฟ้า (แบตเตอรี่) การใช้หลักการของการเร่งความเร็วแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเหมาะสมเฉพาะเมื่อใช้ร่วมกับการเปลี่ยนพลังงานนิวเคลียร์เป็นพลังงานไฟฟ้า ในปัจจุบันยังไม่ทราบวิธีการโดยตรงที่มีประสิทธิภาพสำหรับการแปลงดังกล่าวดังนั้นจึงมีการพิจารณาการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติร่วมกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์บนเครื่องบินที่ทำงานบนวงจรความร้อน

แผนผังของโรงไฟฟ้าในอวกาศประกอบด้วยเช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าที่ใช้พื้นดินแหล่งความร้อน (ในกรณีนี้คือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) เครื่องยนต์ความร้อน (การแปลงความร้อนที่ให้มาเป็นไฟฟ้า) และตู้เย็น (อุปกรณ์ที่เอาออก ความร้อนเหลือทิ้ง) ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่างโรงไฟฟ้าอวกาศและโรงไฟฟ้าภาคพื้นดินคือวิธีการกำจัดความร้อน ในอวกาศการปลดปล่อยความร้อนทำได้โดยการแผ่รังสีเท่านั้น

สถานการณ์นี้ร้ายแรงเพียงใดสามารถดูได้จากตัวอย่างต่อไปนี้ ในการแผ่ความร้อน 1 กิโลวัตต์ที่อุณหภูมิเฉลี่ยของช่องระบายความร้อนในโรงไฟฟ้าพื้นผิวที่ 50 ° C พื้นที่ผิวที่แผ่ออกของตู้เย็นคือ 1.64 ม. 2 สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีกำลัง 100 กิโลวัตต์ซึ่งสอดคล้องกับกำลังของเครื่องยนต์ขับเคลื่อนด้วยของเหลวที่มีแรงขับเพียง 30 kgf และประสิทธิภาพโดยรวมของระบบขับเคลื่อน 20% ที่อุณหภูมิเดียวกันตู้เย็นที่มี ต้องมีพื้นที่ 1300 ม. 2

พลังงานที่แผ่ออกมาต่อหนึ่งหน่วยพื้นผิวเป็นสัดส่วนกับกำลังที่สี่ของอุณหภูมิดังนั้นเพื่อลดพื้นที่ของตู้เย็นจึงจำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิ เนื่องจากประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าในฐานะเครื่องยนต์ให้ความร้อนเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งความร้อนและตู้เย็นจึงจำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดที่สอดคล้องกันเพื่อรักษาค่าประสิทธิภาพ

ดังนั้นงานทั่วไปในการเพิ่มประสิทธิภาพของทั้งมอเตอร์ความร้อนและไฟฟ้าคือการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอุณหภูมิสูง ความต้องการพลังงานในอวกาศทำให้เกิดการวิจัยอย่างเข้มข้นในด้านการแปลงความร้อนโดยตรงที่อุณหภูมิสูงเป็นไฟฟ้า

ระบบการแปลงที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการติดตั้งในพื้นที่กลายเป็นตัวแปลงความร้อน (TEC) หลักการทำงานของ TPE แสดงไว้ในรูปที่ 5 โดยที่ TEC เป็นไดโอดช่องว่าง interelectrode ซึ่งเต็มไปด้วยไอซีเซียม ที่อุณหภูมิสูงแคโทดจะปล่อยอิเล็กตรอนที่ควบแน่นที่ขั้วบวกโดยเรียกเก็บประจุให้มีศักย์เป็นลบเมื่อเทียบกับแคโทด เป็นผลให้ความต่างศักย์เกิดขึ้นระหว่างแคโทดและแอโนดและเมื่อปิดกับโหลดกระแสไฟฟ้าจะไหลในวงจร

การระบายความร้อนของแคโทดที่เกิดจาก "การระเหย" ของอิเล็กตรอนและการสูญเสียรังสีจะได้รับการชดเชยโดยการจัดหาความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ความร้อนที่ปล่อยออกมาที่ขั้วบวกอันเป็นผลมาจากการควบแน่นของอิเล็กตรอนและการแผ่รังสีความร้อนจากด้านแคโทดจะถูกระบายออกโดยสารหล่อเย็นหรือโดยตรงโดยการแผ่รังสีสู่อวกาศ

รูป: 5. แผนผังของตัวแปลงเทอร์มิโอนิกของพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า: 1 - แคโทด 2 - ช่องว่างอินเทอร์อิเล็กโทรดที่เต็มไปด้วยไอซีเซียม 3 - แอโนด 4 - โหลด

ตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทรอนิกส์ที่มีแคโทดทังสเตนสามารถทำงานที่อุณหภูมิแคโทดสูงถึง 2500 K และอุณหภูมิแอโนดที่ 1,000–1400 K โดยมีกำลังไฟฟ้าเฉพาะตั้งแต่ 5 ถึง 40 W / cm 2 โดยมีประสิทธิภาพสูงถึง 25% ข้อเสียของ TPE คือแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานต่ำ (ประมาณ 0.5 V) ดังนั้นจึงใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมขององค์ประกอบ

ในทางทฤษฎีอุณหภูมิของช่องระบายความร้อนซึ่งเหมาะสมที่สุดในแง่ของขนาดของตู้เย็นควรเท่ากับ 75% ของอุณหภูมิของแหล่งความร้อน ด้วยข้อ จำกัด ด้านอุณหภูมิที่กำหนดโดยเครื่องปฏิกรณ์โซลิดสเตตตู้เย็นหม้อน้ำจะเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุดของโรงไฟฟ้าอวกาศหากไม่ใช่ส่วนที่หนักที่สุด เพื่อให้ตู้เย็นทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพพื้นผิวของมันต้องมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่ต่ำกว่าของวงจรความร้อน

เป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุสิ่งนี้เนื่องจากการนำความร้อนตามธรรมชาติของวัสดุจำเป็นต้องมีการถ่ายเทความร้อนโดยการหมุนเวียนของเหลวหรือตัวพาความร้อนที่เป็นก๊าซ ในกรณีนี้การสูญเสียพลังงานเพิ่มเติมจะปรากฏขึ้นสำหรับการสูบน้ำหล่อเย็นและการติดตั้งจะเสี่ยงต่อการพังทลายของอุกกาบาต ด้วยพื้นผิวขนาดใหญ่ของตู้เย็นความน่าจะเป็นของอุกกาบาตที่มีขนาดเพียงพอที่จะทำลายผนังของช่องด้วยน้ำหล่อเย็นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งจะนำไปสู่การกดทับและความล้มเหลวของการติดตั้ง

โซลูชันการออกแบบที่ประสบความสำเร็จที่สุดในการหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ (การสูญเสียพลังงานและการพังทลายของอุกกาบาต) คือการใช้ท่อความร้อน ท่อความร้อนเป็นช่องที่มีสารหล่อเย็นหมุนเวียนบนผนังด้านในซึ่งไส้ตะเกียงที่เรียกว่ามีช่องว่าง (ในกรณีที่ง่ายที่สุดคือตาข่ายละเอียด) ท่อที่เตรียมการอพยพจะเต็มไปด้วยของเหลวในปริมาณที่เพียงพอที่จะเติมช่องว่างระหว่างไส้ตะเกียงและผนังท่อซึ่งจะถูกยึดโดยกองกำลังของเส้นเลือดฝอย

ในท่อความร้อนโซนของความร้อนการถ่ายเทความร้อนและการระบายความร้อนมีความโดดเด่น ในตู้เย็นหม้อน้ำจะมีการรวมสองโซนสุดท้ายตามกฎ ความร้อนที่จ่ายให้กับโซนทำความร้อนจะระเหยของเหลวไอระเหยที่ผ่านรูไส้ตะเกียงเข้าไปในช่องว่างด้านในของท่อและรีบไปที่โซนทำความเย็น ที่นั่นการควบแน่นของของเหลวเกิดขึ้นพร้อมกับการถ่ายเทความร้อนควบแน่นไปยังผนังท่อซึ่งจะถูกกำจัดออกโดยการแผ่รังสี ของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นจะถูกส่งกลับโดยกองกำลังของเส้นเลือดฝอยที่สร้างขึ้นในไส้ตะเกียงและในช่องว่างระหว่างไส้ตะเกียงกับผนังท่อกลับไปที่โซนทำความร้อน

กระบวนการถ่ายเทความร้อนดังกล่าวมีประสิทธิภาพมากเช่นขณะนี้ท่อได้รับการทดสอบแล้วว่าส่งฟลักซ์ความร้อน 10 กิโลวัตต์สำหรับแต่ละ 1 ซม. 2 ของหน้าตัดท่อในระยะทางหลายเมตรโดยมีอุณหภูมิแตกต่างกันระหว่างท่อ สิ้นสุดน้อยกว่า 0.01 K. ซึ่งเทียบเท่ากับการถ่ายเทความร้อนของแท่งทึบที่มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนสูงกว่าค่าที่เกี่ยวข้องสำหรับทองแดงหลายพันเท่า เฉพาะระบบที่มีสารหล่อเย็นโลหะเหลวเท่านั้นที่สามารถแข่งขันกับท่อความร้อนในแง่ของความสามารถในการถ่ายเทความร้อน แต่ต้องใช้ต้นทุนในการสูบน้ำ

รูป: 6. โครงร่างของตู้เย็น - ตัวปล่อยฝุ่น: 1 - ปั๊ม, 2 - ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน, 3 - ฝุ่นแม่เหล็ก, 4 - ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า, 5 - เส้นสนามแม่เหล็ก

พื้นผิวของตู้เย็นหม้อน้ำถูกรวบรวมจากท่อความร้อน โซนจ่ายความร้อนสามารถสัมผัสโดยตรงกับยูนิตที่จะระบายความร้อนหรือล้างด้วยตัวส่งความร้อนระดับกลางก็ได้ เนื่องจากต้องใช้ท่อความร้อนจำนวนมากเพื่อสร้างพื้นผิวที่แผ่รังสีและช่องของพวกมันอาจไม่ได้เชื่อมต่อกันความเสียหายที่เกิดกับท่อหนึ่งหรือหลายท่อโดยอุกกาบาตจะส่งผลเพียงเล็กน้อยต่อการทำงานของการติดตั้งทั้งหมด

แผนการระบายความร้อนเป็นไปได้เมื่อตัวพาความร้อนเป็นฝุ่นแม่เหล็ก (รูปที่ 6) ซึ่งปั๊มผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนโดยเอาความร้อนเหลือทิ้งของโรงไฟฟ้าออกและถูกโยนออกไปยังพื้นที่ภายนอก ที่นั่นพวกเขาถูกจับและกลับไปที่ช่องปั๊มอีกครั้ง ในสนามแม่เหล็กอนุภาคแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสานซึ่งกันและกันเรียงตัวกันตามแนวของแรงสร้างเปลือกที่แผ่ออกมา ด้วยความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กที่เพียงพอของสารฝุ่นสนามแม่เหล็กภายนอกทั้งหมดจึงมีความเข้มข้นในเปลือกนี้และจะไม่เกิดการกระจัดกระจายที่ไร้ประโยชน์

ข้อดีของตัวปล่อยตู้เย็นประเภทนี้คือความสามารถในการคงกระพันต่อความเสียหายของอุกกาบาตได้อย่างสมบูรณ์เช่นเดียวกับขนาดที่เล็กเมื่อขนส่งโรงไฟฟ้าจากพื้นผิวโลกไปยังวงโคจรของดาวเทียมเนื่องจากฝุ่นสามารถอยู่ในภาชนะขนาดเล็กได้ ปัจจุบันโครงการนี้ยังอยู่ในขั้นตอนของการศึกษาทางทฤษฎี การใช้งานถูก จำกัด โดยการขาดแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กที่มีแสงและประหยัด

มอเตอร์พัลส์สำหรับการระเบิดขนาดเล็กและเครื่องยนต์โฟตอน หลักการทำงานของเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์พัลซิ่ง (INRM) แผนภาพแสดงในรูปที่ 7, และ และ ขประกอบด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าการระเบิดนิวเคลียร์หรือเทอร์โมนิวเคลียร์เป็นระยะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวสะท้อนแสงขนาดใหญ่ องค์ประกอบที่สำคัญของ INRP คือแหล่งสนามแม่เหล็กซึ่งป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่มีประจุเข้าสู่พื้นผิวตัวสะท้อนแสงและแดมเปอร์ซึ่งทำหน้าที่ในการทำให้โหลดอิมพัลส์ที่ส่งไปยังจรวดได้อย่างราบรื่น

โดยปกติในเครื่องยนต์ดังกล่าวอันเป็นผลมาจากการระเบิดวัสดุของตัวสะท้อนแสงหรือของเหลวที่ใช้งานได้ที่จ่ายให้กับพื้นผิวของตัวสะท้อนแสงจะระเหยออกไป นอกจากนี้เพื่อปรับปรุงเงื่อนไขสำหรับการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ให้เพิ่มเศษส่วนของอะตอมที่ทำปฏิกิริยาและลดอุณหภูมิการระเบิดประจุนิวเคลียร์จะอยู่ในเปลือกของสารแฝงที่มีความหนาเพียงพอ เป็นผลให้มวลที่ทิ้งไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยสารที่ไม่เข้าร่วมในปฏิกิริยา (ไฮโดรเจนลิเธียม ฯลฯ ) และความเร็วไอเสียในเครื่องยนต์ดังกล่าว จำกัด ไว้ที่ 100 กม. / วินาที

หากพบวิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคที่น่าพอใจสำหรับการระบายความร้อนของตัวสะท้อนแสงโดยไม่ทำให้วัสดุระเหยออกไปและเป็นไปได้ที่จะทำปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยไม่มีการก่อตัวของเปลือกรอบประจุดังนั้นความเร็วการไหลออกในเครื่องยนต์ดังกล่าวจะเข้าใกล้ค่าที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี - 10 5 กม. / วินาที. ในกรณีนี้ INRD จะมีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่ามอเตอร์ไฟฟ้าเนื่องจากส่วนแบ่งของความร้อนที่นำออกจากพวกมันจะน้อยลงอย่างมาก (สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าจะอยู่ที่ 75–90% ของกำลังของการติดตั้งนิวเคลียร์) และการแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถ ดำเนินการที่อุณหภูมิสูงขึ้น เป็นผลให้พื้นที่และดังนั้นมวลของตู้เย็นหม้อน้ำจะน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญ

รูปที่. 7. ไดอะแกรมของมอเตอร์อิมพัลส์ (และ - เกี่ยวกับองค์ประกอบ transuranicข - เครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์): 1 - ยานอวกาศ 2 - แดมเปอร์ 3 - ระบบจ่ายเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ 4 - รีเฟลกเตอร์ 5 - โซนระเบิด 6 - ระบบแปลงพลังงาน 7 - คดเคี้ยวเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก 8 - ระบบจุดระเบิดปฏิกิริยา ( เครื่องเร่งอนุภาคหรือเลเซอร์)

สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันปัญหาหลักคือการลดมวลของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบยั่งยืน (มวลวิกฤต) สำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันที่ทำจากยูเรเนียม -235 และพลูโตเนียมมวลวิกฤตนั้นยิ่งใหญ่มาก (เช่น 1 และ 3 กิโลกรัม) เนื่องจากพลังงานที่ปล่อยออกมาสูงเกินไปในระหว่างการระเบิดของมวลดังกล่าวการใช้สิ่งเหล่านี้โดยตรง ไม่รวมองค์ประกอบใน INRD

มวลวิกฤตสามารถลดลงอย่างมีนัยสำคัญไม่ว่าจะโดยการเพิ่มความหนาแน่นของฟิสไซล์โดยการบีบอัดด้วยความดัน 10 14 - 10 15 Pa หรือโดยการเปลี่ยนไปใช้องค์ประกอบทางเคมีที่มีมวลนิวเคลียร์ขนาดใหญ่ - องค์ประกอบทรานซูรานิก เทคโนโลยีสมัยใหม่ช่วยให้สามารถสร้างแรงดันพัลส์ตามขนาดที่ต้องการได้ แต่จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนและมีน้ำหนักมากซึ่งเหมาะสมกว่าที่จะใช้สำหรับปฏิกิริยาการสังเคราะห์ ดังนั้นจึงสามารถใช้เฉพาะธาตุทรานซูรานิก (ส่วนใหญ่เป็น Californium-252) เป็นเชื้อเพลิงในฟิชชัน INRE

มวลวิกฤตของแคลิฟอเนียเนียมอยู่ที่ประมาณ 7 กรัมและการระเบิดของมวลดังกล่าวจะปล่อยออกมา 10 10 J แผนภาพของเครื่องยนต์ที่ใช้แคลิฟอเนียเนียมแสดงไว้ในรูปที่ 7, และ... ในนั้นด้วยความช่วยเหลือของเครื่องเร่งความเร็วพิเศษที่ตั้งอยู่รอบนอกของตัวสะท้อนอนุภาคของแคลิฟอร์เนียจะถูกยิงออกมาซึ่งพร้อม ๆ กันการชนกันก่อตัวเป็นมวลวิกฤตทั้งหมดเริ่มการระเบิดนิวเคลียร์ ยิ่งไปกว่านั้นเนื่องจากการบีบอัดที่เกิดจากการชนกันของอนุภาคมวลวิกฤตสามารถลดลงได้โดยปัจจัย 1.5–2 การระเบิดจะทำซ้ำจนกว่าจรวดจะรับความเร็วที่ต้องการ: ในการเร่งจรวดที่มีมวลสุดท้าย 100 ตันเป็นความเร็ว 10 กม. / วินาทีจำเป็นต้องใช้แคลิฟอร์เนียหลายกิโลกรัม

อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์ที่ใช้องค์ประกอบ transuranic ซึ่งมีความเรียบง่ายพื้นฐานมีข้อเสียที่สำคัญหลายประการและแทบจะไม่สามารถนำไปใช้งานได้ในอนาคตอันใกล้ แคลิฟอเนียมีราคาแพงมากไม่มีอยู่ในธรรมชาติและได้มาจากการฉายรังสีธาตุหนักในตัวเร่งโปรตอนหรือฟลักซ์นิวตรอนที่ทรงพลัง ในขณะเดียวกันผลผลิตที่มีประโยชน์ของแคลิฟอเนียเนียมมีน้อยมากและตัวอย่างเช่นการผลิตแคลิฟอร์เนียในสหรัฐอเมริกาในยุค 60 มีเพียง 1 กรัมต่อปี เนื่องจากครึ่งชีวิตของ California-252 คือ 2.5 ปีจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสะสมมวลวิกฤตในการผลิตระดับนี้

และในที่สุดหากได้รับแคลิฟอเนียร์ในปริมาณที่ต้องการก็เป็นไปได้ที่จะเก็บไว้ในจรวดในรูปแบบของอนุภาคขนาดเล็กที่คั่นด้วยตัวดูดซับนิวตรอนจำนวนมากซึ่งจะเพิ่มมวลของเครื่องยนต์ นอกจากนี้การระเบิดขององค์ประกอบทรานซูรานิกยังก่อให้เกิดชิ้นส่วนฟิชชันที่หนักหน่วงซึ่งยากต่อการหยุดโดยสนามแม่เหล็กของตัวสะท้อนแสงและนิวตรอนจำนวนมากที่แทบไม่ได้ทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็ก เป็นผลให้การระบายความร้อนของโครงสร้างเครื่องยนต์กลายเป็นปัญหาที่วกวน

สต็อกของแคลิฟอร์เนียมสามารถลดลงได้บ้างหากยูเรเนียมป้อนเข้าไปในเขตการระเบิดในช่วงเวลา 10 –6 - 10 –5 วินาทีในปริมาณที่ใกล้เคียงกับแคลิฟอเนียร์โดยประมาณ ในกรณีนี้ยูเรเนียมจะเผาไหม้ในฟลักซ์นิวตรอนที่เกิดจากการระเบิดของแคลิฟอร์เนีย จากนั้นหลังจากช่วงเวลาเดียวกันสามารถป้อนยูเรเนียมในส่วนถัดไปได้ ดังนั้นปฏิกิริยาแบบเรียงซ้อนจะถูกจัดระเบียบ แต่จะทำให้หมาด ๆ และหลังจากผ่านไป 3-5 รอบจำเป็นต้องระเบิดแคลิฟอเนียร์อีกครั้ง

การใช้แคลิฟอเนียร์เพื่อเริ่มปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์อาจมีแนวโน้มที่ดีกว่า ในกรณีนี้มีการใช้แคลิฟอเนียร์เพียงครั้งเดียวจากนั้นส่วนของเชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์ (ตัวอย่างเช่นส่วนผสมของดิวทีเรียม - ทริเทียม) จะถูกป้อนเข้าสู่โซนปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง เชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์มีราคาถูกกว่าแคลิฟอร์เนียอย่างไม่น่าเชื่อและปัจจัยทางเศรษฐกิจจะไม่มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเครื่องยนต์ดังกล่าว นอกจากนี้องค์ประกอบของแสงจะเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการป้องกันความร้อนของตัวสะท้อนแสง

อย่างไรก็ตามแม้ว่าเราจะเพิกเฉยต่อปัญหาในการจัดหาเชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์ไปยังโซนการเผาไหม้ระดับพลังงานต่อเนื่องขั้นต่ำสำหรับปฏิกิริยาที่ยั่งยืนนี้จะเท่ากับ 10 14 W. นี่คือพลังมากกว่า 1,000 เท่าของเครื่องยนต์จรวดแซทเทิร์น -5 ด้วยความเร็วการไหลออก 10 3 กม. / วินาทีเครื่องยนต์ดังกล่าวจะมีแรงขับ 10,000 tf ดังนั้นปัญหาการกระจายความร้อนที่ระดับพลังงานที่ต้องการจึงเป็นเรื่องยากมาก หากเราคิดว่าพลังงานเพียง 0.1% ถูกปล่อยออกมาในองค์ประกอบโครงสร้างของเครื่องยนต์ดังนั้นจึงต้องใช้หม้อน้ำตู้เย็นที่มีพื้นที่ 10,000 ม. 2 เพื่อลบจำนวนนี้

เมื่อใช้ของเหลวที่ใช้งานได้อัตราการไหลจะลดลง 3 เท่าและแรงขับจะเพิ่มขึ้นเป็น 30,000 tf ในการสร้างแรงผลักดังกล่าวจำเป็นต้องมีอัตราการไหลของของไหลที่ใช้งานได้ 1,000 กก. / วินาที จรวดที่มีน้ำหนัก 10,000 ตันพร้อมเครื่องยนต์ดังกล่าวสามารถทำความเร็วได้ถึง 100 กม. / วินาทีภายใน 1 ชั่วโมง

อย่างไรก็ตามโครงร่างของเครื่องยนต์ที่มีการระเบิดขนาดเล็กทางความร้อนดูเหมือนจะใกล้เคียงกับการนำไปใช้มากขึ้น เครื่องยนต์เหล่านี้ได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวางในสื่อมวลชนและได้รับการตีพิมพ์การออกแบบแนวคิดหลายประการของเครื่องยนต์เหล่านี้ สาระสำคัญของการระเบิดขนาดเล็กด้วยความร้อนคือสิ่งที่เรียกว่าการกักขังพลาสม่าเฉื่อยเมื่อปฏิกิริยามีเวลาเกิดขึ้นก่อนที่เชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ได้รับความร้อนจะบินออกจากกันภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิที่สูงซึ่งจำเป็นในการจุดระเบิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์

ในรูปแบบที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์ที่อยู่กับที่ปัญหาหลักและยังไม่ได้รับการแก้ไขคือการกักขังพลาสมาร้อนด้วยสนามแม่เหล็ก เพื่อให้ได้ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ควบคุมที่อุณหภูมิหลายล้านองศาต้องเป็นไปตามเกณฑ์ของลอว์สัน nเหรอ? \u003e \u003d 10 14 โดยที่ n - ความเข้มข้นของอนุภาค (จำนวนอะตอมใน 1 ซม. 3) และ? - เวลา ด้วยการกักขังเฉื่อยเกณฑ์ของ Lawson จะเป็นจริงเนื่องจากความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็นผลให้เวลาที่ต้องใช้ในการเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์จะลดลงตามจำนวนที่เท่ากัน

สิ่งนี้ทำได้โดยการฉายรังสีพัลส์แบบสมมาตรของเป้าหมายขนาดเล็กของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์โดยใช้การแผ่รังสีเลเซอร์กำลังสูงหรือการไหลของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าความเข้มสูง (อิเล็กตรอนและไอออน) ยิ่งไปกว่านั้นฟลักซ์พลังงานในช่วงชีพจรควรเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว อันเป็นผลมาจากการฉายรังสีทำให้เกิดการระเหยอย่างรุนแรงของชั้นผิวของชิ้นงานสิ่งที่เรียกว่าการระเหย อนุภาคที่ระเหยได้รับความเร็วสูงและเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์เจ็ทสร้างโมเมนตัมการหดตัวซึ่งนำไปสู่การพัฒนาของแรงกดดันมหาศาลซึ่งมีจำนวนมากถึงหลายพันล้านปาสกาล

ผลการระเหยได้รับการปรับปรุงอย่างมากโดยคลื่นกระแทกที่มาบรรจบกันเป็นผลให้ความหนาแน่นของเชื้อเพลิงที่อยู่ตรงกลางของเป้าหมายเพิ่มขึ้นหลายพันเท่าและความดันจะถึงค่าที่สอดคล้องกับความดันในใจกลางดวงดาว (ประมาณ 10 16 Pa) ในกรณีนี้เชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์จะร้อนขึ้นและมีเงื่อนไขสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์

สำหรับการระเบิดขนาดเล็กเป้าหมายที่มีมวลเพียง 0.001 - 0.01 กรัมก็เพียงพอแล้วมวลนี้สอดคล้องกับพลังงานการระเบิดขนาดเล็ก 10 8 - 10 10 J. ประมาณ 80% ของวัสดุเป้าหมายถูกพัดพาไปอันเป็นผลมาจากการระเหยและไม่ มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา นอกจากนี้ผลตอบสนองแทบจะไม่เกิน 30% เป็นผลให้ความเร็วในการไหลออกที่ จำกัด สำหรับการระเบิดขนาดเล็กทางเทอร์โมนิวเคลียร์จะอยู่ที่ประมาณ 6 · 10 6 m / s ซึ่งสอดคล้องกับแรงผลักดันเฉพาะที่ 6 · 10 5 วินาที สำหรับการระเบิดที่เกิดจากลำแสงอิเล็กตรอนจำเป็นต้องล้อมรอบเป้าหมายด้วยเปลือกของธาตุที่มีน้ำหนักอะตอมสูงซึ่งจะช่วยลดความเร็วการไหลออกที่ จำกัด ลงได้มากขึ้น

รูปแบบของเครื่องยนต์ที่ใช้การระเบิดขนาดเล็กทางเทอร์โมนิวเคลียร์แสดงไว้ในรูปที่ 7, ข... ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเครื่องยนต์ดังกล่าวและเครื่องยนต์ตามองค์ประกอบทรานซูรานิกคือการปรากฏตัวของระบบสำหรับการเริ่มต้นปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์และแหล่งพลังงานไฟฟ้าเพื่อให้พลังงานแก่มัน ระบบเริ่มต้นเป็นชุดของแหล่งกำเนิดแสงหรือเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุซึ่งจัดเรียงในลักษณะที่จะฉายรังสีเป้าหมายให้สมมาตรที่สุด ในฐานะแหล่งกำเนิดรังสีสามารถใช้เลเซอร์ทรงพลังหนึ่งตัวกับการแบ่งลำแสงออกเป็นเลเซอร์หลายตัวหรือหลายตัวรวมกัน

เป้าหมายถูกยิงเข้าไปในช่องว่างเหนือตัวสะท้อนแสงและในช่วงเวลาที่มันผ่านจุดโฟกัสของรังสีพัลส์การจุดระเบิดจะถูกสร้างขึ้น พลาสม่าฟิวชันสะท้อนจากสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยโซลีนอยด์ของตัวนำยิ่งยวดและถูกโยนออกไปนอกอวกาศทำให้เกิดแรงขับเจ็ท ในการผลิตกระแสไฟฟ้าสามารถใช้โซลีนอยด์พิเศษหรือโซลีนอยด์เดียวกับที่เป็นแหล่งของสนามแม่เหล็กป้องกันได้ เมื่อพลาสมาเคลื่อนที่ทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กจะมี EMF อยู่ในโซลีนอยด์และกระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะไปสร้างพัลส์ถัดไป

ในโครงการเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์ของอเมริกาที่มีการจุดระเบิดด้วยเลเซอร์ของปฏิกิริยาเสนอให้ใช้เลเซอร์ที่มีพลังงานต่อพัลส์ 1 MJ ระยะเวลาพัลส์ 10 ns และอัตราการทำซ้ำของพัลส์ 500 เฮิรตซ์ มวลของเลเซอร์อยู่ที่ประมาณ 150 ตันด้วยพลังงานที่ปล่อยออกมาในการระเบิดเพียงครั้งเดียว 10 8 J เครื่องยนต์ดังกล่าวตามการคำนวณของผู้เขียนโครงการสามารถเร่งน้ำหนักบรรทุกที่มีน้ำหนัก 100 ตันให้เป็นความเร็ว 10 กม. / วินาทีในหนึ่งวัน ซึ่งจะต้องมีการระเบิดขนาดเล็กประมาณ 10 8 ครั้ง

นักวิจัยชาวอังกฤษในโครงการเครื่องยนต์ระเบิดขนาดเล็กทางเทอร์โมนิวเคลียร์เสนอให้เริ่มปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์โดยใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอน อัตราการทำซ้ำของพัลส์ "ยิง" คือ 100 เฮิรตซ์พลังงานในการระเบิดขนาดเล็กแต่ละครั้งคือ 10 11 J เครื่องยนต์เผาไหม้เชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์หลายร้อยตันตลอดทั้งปีเพื่อเร่งน้ำหนักบรรทุก 100 ตันเป็นความเร็ว 0.15 ความเร็วของ เบา.

ความยากลำบากหลักในการสร้างเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์แบบพัลซิ่งคือการพัฒนาระบบเริ่มต้นปฏิกิริยา เนื่องจากไม่มีเลเซอร์และอุปกรณ์เร่งความเร็วที่เหมาะสมซึ่งในทางใดทางหนึ่งก็ส่งผลกระทบต่อความจริงที่ว่าปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้นั้นยังไม่ได้รับรู้ มวลของระบบเริ่มต้นเป็นสัดส่วนกับพลังงานของการระเบิดขนาดเล็กดังนั้นจึงเป็นที่พึงปรารถนาที่จะปล่อยพลังงานให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในการระเบิดแต่ละครั้ง แต่จากนั้นด้วยแรงผลักที่กำหนดจะต้องมั่นใจว่ามีอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์สูงและเพื่อให้ได้ความเร็วตามลักษณะที่กำหนดจะต้องระบุจำนวนพัลส์ที่มากขึ้นตามลำดับ จำนวนพัลส์ที่อนุญาตถูก จำกัด โดยทรัพยากรระบบ

ในเรื่องนี้นักวิทยาศาสตร์โซเวียต E.P. Velikhov และ V.V. Chernukha ได้เสนอวิธีการจุดระเบิดแบบเรียงซ้อนของเป้าหมายเทอร์โมนิวเคลียร์ สาระสำคัญของวิธีการนี้ประกอบด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าหลังจากการจุดระเบิดของเป้าหมายแรกประมาณ 10 –6 วินาทีเป้าหมายที่ใหญ่กว่าจะถูกป้อนเข้าไปในพื้นที่ของการระเบิดซึ่งส่วนหนึ่งของพลังงานของการระเบิดครั้งแรกคือ ใช้ในการเริ่มต้นปฏิกิริยา จากนั้นเป้าหมายที่มีมวลมากขึ้นจะถูกป้อนเป็นต้นการใช้เป้าหมายที่มีการปลดปล่อยพลังงานเพิ่มขึ้นสิบเท่าในแต่ละน้ำตกมีความเป็นไปได้ที่จะได้รับพลังงานระเบิด 10 10 - 10 11 J สำหรับระบบเริ่มต้นที่มีการปลดปล่อยพลังงาน 10 8 เจ.

ในกรณีนี้อัตราการเกิดซ้ำของพัลส์จะลดลงตาม แต่ในเวลาเดียวกันภาระพัลส์บนตัวสะท้อนแสงจะเพิ่มขึ้น ในรูปแบบการเรียงซ้อนเป็นไปได้ที่จะใช้เชื้อเพลิงที่ยากต่อการจุดระเบิด (ตัวอย่างเช่นดิวทีเรียมบริสุทธิ์) ในขั้นตอนต่อมาของน้ำตก สิ่งนี้ช่วยลดความต้องการไอโซโทปลงอย่างมากและในขณะเดียวกันก็ทำให้ผลผลิตนิวตรอนลดลง

อีกภารกิจที่สำคัญไม่แพ้กันในการพัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์แบบพัลซิ่งคือการกำจัดความร้อนที่ปล่อยออกมาในโครงสร้าง ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในปฏิกิริยาดิวเทอเรียม - ทริเทียมพลังงานมากถึง 80% ถูกพัดพาไปโดยนิวตรอนซึ่งไม่ถูกกักเก็บไว้โดยสนามแม่เหล็กของตัวสะท้อนแสง วิธีแก้ปัญหาที่สำคัญคือการใช้ส่วนผสมของไฮโดรเจนธรรมดากับไอโซโทปโบรอน -11 เป็นเชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์ แม้ว่าการปลดปล่อยพลังงานในระหว่างการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงนี้จะน้อยกว่าสำหรับส่วนผสมของดิวเทอเรียม - ทริเทียม แต่นิวตรอนก็ขาดไป อย่างไรก็ตามปฏิกิริยานี้ต้องการอุณหภูมิที่สูงขึ้นในการเริ่มต้นและการควบคุมเป็นเรื่องของอนาคตอันไกล

ตามสมมติฐานพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพความเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้ในธรรมชาติคือความเร็วแสง - 300,000 กม. / วินาที ตามธรรมชาติแล้วความเร็วนี้จะเป็นตัว จำกัด สำหรับความเร็วของการไหลออกในเครื่องยนต์จรวด ความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงสามารถหาได้ในมอเตอร์ไฟฟ้าเช่นเครื่องเร่งอิเล็กตรอนหรือไอออน อย่างไรก็ตามจากการพิจารณาทางกายภาพทั่วไปดังต่อไปนี้ในกรณีนี้พลังงานที่ใช้ในการเร่งอนุภาคนั้นเหมาะสมกว่าจากมุมมองของการได้รับความเร็วลักษณะสูงสุดเพื่อใช้ในการสร้างแรงผลักโดยใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

เป็นที่ทราบกันดีว่าการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งรวมถึงแสงที่มองเห็นได้จะออกแรงกดบนเนื้อวัสดุ ดังนั้นร่างกายที่เปล่งแสงจะประสบกับแรงกระตุ้นการหดตัวของโฟตอนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นร่างกายที่เปล่งออกมาแต่ละทิศทางอาจเป็นเครื่องยนต์โฟตอน แรงผลักปฏิกิริยาของการแผ่รังสีแบบกำหนดทิศทางเท่ากับกำลังการแผ่รังสีหารด้วยความเร็วแสงนั่นคือทุกๆ 1 กิโลวัตต์ของพลังงานที่แผ่ออกมาจะสร้างแรงผลัก 3.3 · 10 –7 kgf

เครื่องยนต์โฟตอนที่ง่ายที่สุดสามารถเป็นตัวปล่อยตู้เย็นที่ป้องกันด้านหนึ่ง เนื่องจากประมาณ 10% ของพลังงานที่เกิดจากโรงไฟฟ้าบนเครื่องบินจะถูกถ่ายโอนไปยังพลังงานของเครื่องบินเจ็ทของเครื่องยนต์เจ็ทไฟฟ้าจากนั้นด้วยความเร็วในการไหลออกเท่ากับ 0.1 ของความเร็วแสงแรงขับที่เกิดจากตู้เย็นหม้อน้ำจึงเทียบเคียงได้ กับแรงขับของเครื่องยนต์

แม้จะมีความเรียบง่ายแบบสัมพัทธ์ของเครื่องยนต์โฟตอน แต่ก็ไม่เหมาะสมที่จะใช้กับแหล่งพลังงานที่ใช้อยู่ในปัจจุบันรวมถึงแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ โดยปกติแล้วมีเพียงส่วนหนึ่งของมวลต้นทางเท่านั้นที่ไปเป็นพลังงาน: สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน - 0.5% สำหรับเทอร์โมนิวเคลียร์ - 0.15% หากใช้เฉพาะโฟตอนเป็นสื่อในการทำงานดังนั้นพร้อมกับน้ำหนักบรรทุกจำเป็นต้องเร่งให้ผลิตภัณฑ์เกิดปฏิกิริยาเป็นความเร็วสุดท้าย ดังนั้นจึงเหมาะสมที่จะใช้เครื่องยนต์โฟตอนร่วมกับแหล่งพลังงานเท่านั้นซึ่งมวลทั้งหมดหรืออย่างน้อยที่สุดก็ถูกเปลี่ยนเป็นพลังงาน ตามแนวคิดสมัยใหม่แหล่งที่มาดังกล่าวอาจเป็นเพียงปฏิกิริยาการทำลายล้างนั่นคือปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคและแอนติอนุภาค

สำหรับการสังเคราะห์แอนตี้พาร์ติเคิล (เช่นแอนติโปรตอน) จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทรงพลังและผลผลิตของแอนตี้พาร์ติเคิลในปฏิกิริยานั้นน้อยมาก เชื่อกันว่าการได้รับพลังงาน 1 J ที่มีอยู่ในแอนติโปรตอนจะต้องใช้ไฟฟ้าอย่างน้อย 100 กิโลจูล ดังนั้นการสะสมของปฏิสสารจำนวนมากจึงเกินความสามารถของเทคโนโลยีสมัยใหม่

ปัญหาอีกประการหนึ่งที่เกิดขึ้นในการใช้เครื่องยนต์โฟตอนคือการจัดเก็บปฏิสสาร เนื่องจากวัสดุของโครงสร้างจรวดเป็นสารทั่วไปจึงต้องไม่รวมการสัมผัสของปฏิสสารกับผนังถัง ดังนั้นปฏิสสารสามารถ "แขวน" ได้ในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก

ข้อกำหนดสำหรับระบบกำจัดความร้อนในเครื่องยนต์โฟตอนจะเข้มงวดมาก ระบบกำจัดความร้อนที่นำมาใช้ในปัจจุบันรวมถึงตู้เย็นหม้อน้ำมีมวลอย่างน้อย 0.01 กก. ต่อกำลังไฟที่ปล่อยออกมา 1 กิโลวัตต์ ในกรณีนี้แม้ว่าเราจะละเลยส่วนประกอบอื่น ๆ ของจรวด แต่ก็จะมีความเร่งไม่เกิน 2 · 10 –4 m / s 2 และการเร่งความเร็วของจรวดดังกล่าวให้มีความเร็วเพียง 10 กม. / วินาทีจะ มีอายุมากกว่าหนึ่งปี

จากที่ได้กล่าวไปแล้วการสร้างโฟตอนเอ็นจิ้นเป็นเรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น นักวิจัยหลายคนตั้งคำถามถึงความเป็นเหตุเป็นผลและแม้กระทั่งความเป็นไปได้พื้นฐานของการสร้างมันคนอื่น ๆ อ้างว่ากลไกโฟตอนโดยตรงกับสาขานิยายวิทยาศาสตร์

ระบบมอเตอร์พร้อมแหล่งพลังงานภายนอก

ข้างต้นมีการพิจารณาข้อกำหนดสำหรับระบบขับเคลื่อนอวกาศที่มีแนวโน้มของประเภทอิสระและแสดงให้เห็นว่าข้อกำหนดเหล่านี้กำหนดทิศทางของการพัฒนาระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติอย่างไร ในระบบอิสระพลังงานและมวลที่ต้องใช้ในการสร้างแรงขับและเร่งความเร็วของยานอวกาศจะอยู่บนตัวยาน ดังนั้นความคืบหน้าในการพัฒนาเครื่องยนต์ดังกล่าวจึงเกี่ยวข้องกับการปรับปรุงลักษณะพลังงานที่เฉพาะเจาะจงนั่นคือการเพิ่มขึ้นของปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ต่อหน่วยมวลของร่างกายที่ใช้งานได้

สถานการณ์จะเปลี่ยนไปหากแหล่งที่มาของพลังงานด้วยความช่วยเหลือของการสร้างแรงผลักนั้นอยู่นอกเครื่องมือ ในกรณีนี้ลักษณะเฉพาะที่ระบุจะสูญเสียความหมาย อย่างไรก็ตามยังคงมีความสำคัญว่าจะจ่ายพลังงานให้กับระบบขับเคลื่อนเท่าใดและปริมาณพลังงานที่ให้มานั้นเหมาะสมสำหรับการเร่งของไหลที่ใช้งานได้อย่างไร

หากเราแยกตัวออกจากประเด็นการแปลงพลังงานที่มาจากภายนอกเป็นพลังงานจลน์ของของเหลวทำงานที่ไหลออกมาด้วยความเร็วสูงในระยะหนึ่งปัจจัยหลักจะกลายเป็นปริมาณพลังงานที่จ่ายให้กับระบบขับเคลื่อนต่อหนึ่งหน่วยเวลา ดังนั้นจึงเป็นไปตามลักษณะของระบบขับเคลื่อนของยานอวกาศไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลและลักษณะเฉพาะของแหล่งพลังงาน แต่ถูกกำหนดโดยพลังของแหล่งภายนอกและประสิทธิภาพของการถ่ายเทพลังงานจากแหล่งกำเนิดไปยังระบบขับเคลื่อน ของยานอวกาศ

เช่นเดียวกับในกรณีของเครื่องยนต์อิสระที่มีแหล่งพลังงานและมวลแยกจากกันในเครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานภายนอกด้วยการเพิ่มกำลังไฟฟ้าเข้าสู่ระบบขับเคลื่อนการใช้มวลของตัวถังในการสร้างหน่วย แรงขับลดลงเนื่องจากความเร็วของการไหลออกของของเหลวทำงานเพิ่มขึ้น หากความเร็วการไหลออกสูงกว่า 4.5–5 กม. / วินาทีจรวดหรือยานอวกาศที่ติดตั้งระบบขับเคลื่อนภายนอกจะเริ่มมีประสิทธิภาพดีกว่ายานพาหนะที่มีเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนของเหลวในลักษณะที่สำคัญเช่นอัตราส่วนของมวลบรรทุกต่อมวลยิง

คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของการใช้แหล่งภายนอกคือการขยายช่วงของของเหลวในการทำงานที่ใช้ในเครื่องยนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้งานของพวกมันสามารถอำนวยความสะดวกอย่างมากในการใช้อากาศในชั้นบรรยากาศเป็นสื่อในการทำงานเมื่อปล่อยยานที่ปล่อยจากพื้นผิวโลกเข้าสู่วงโคจรต่ำ มีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าบนพื้นฐานของเครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานภายนอกเป็นไปได้ที่จะสร้างระบบขนส่งสำหรับปล่อยน้ำหนักบรรทุกเข้าสู่วงโคจรของโลกโดยมีลักษณะที่เหนือกว่าระบบที่มีเครื่องยนต์เคมีอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งเหล่านี้เป็นข้อพิจารณาเบื้องต้นเกี่ยวกับโอกาสสำหรับระบบขับเคลื่อนที่มีแหล่งพลังงานและโมเมนตัมภายนอก มีความสามารถอะไรบ้างรวมถึงศักยภาพ (เรากำลังพูดถึงอนาคต) วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่มีไว้สำหรับการนำแนวคิดในการใช้พลังงานจากแหล่งภายนอกมาใช้กับระบบขับเคลื่อนหรือไม่?

พิจารณาองค์ประกอบหลักที่ประกอบเป็นระบบมอเตอร์โดยใช้แหล่งภายนอก ประการแรกคือระบบขับเคลื่อนเอง (การออกแบบและลักษณะส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับประเภทของของเหลวที่ใช้งานและประเภทของพลังงานที่ใช้) ประการที่สองแหล่งพลังงานภายนอกทั้งจากธรรมชาติและจากสิ่งประดิษฐ์ ดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นสื่อระหว่างดาวเคราะห์และดวงดาวสามารถใช้เป็นแหล่งธรรมชาติได้ ตัวอย่างเช่นแหล่งพลังงานภายนอกเทียมคือแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลัง

องค์ประกอบที่จำเป็นประการที่สามของระบบมอเตอร์ที่มีแหล่งพลังงานภายนอกคืออุปกรณ์สำหรับรับและหากจำเป็นให้แปลงพลังงานเป็นรูปแบบที่เหมาะสมสำหรับการเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของของเหลวที่ใช้งานได้ และสุดท้ายองค์ประกอบหลักประการที่สี่ประการสุดท้ายของระบบขับเคลื่อนคือเส้นทางในการส่งพลังงานจากแหล่งกำเนิดไปยังอุปกรณ์รับ สเกลอวกาศและความเร็วมหาศาลนำไปสู่ระยะทางไกลระหว่างแหล่งพลังงานและยานอวกาศ ยิ่งไปกว่านั้นแม้ว่าในช่วงเวลาเริ่มต้นระยะทางนี้จะค่อนข้างเล็ก แต่ก็เพิ่มขึ้นอย่างมากในระหว่างการทำงานของระบบขับเคลื่อน ดังนั้นในการใช้แนวคิดในการใช้พลังงานจากแหล่งภายนอกจึงจำเป็นต้องพัฒนาวิธีการส่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพในระยะทางไกล (เมื่อใช้แหล่งกำเนิดเทียม)

พิจารณาคุณสมบัติของการใช้ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานภายนอก ความหนาแน่นของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดลงตามสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากดวงอาทิตย์และในแง่นี้พารามิเตอร์ของเส้นทางการถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งกำเนิดไปยังระบบขับเคลื่อนจะคงที่ (เฉพาะระยะห่างจากดวงอาทิตย์ถึงยานอวกาศ การเปลี่ยนแปลง) อย่างไรก็ตามลักษณะของระบบขับเคลื่อนโดยรวมส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับค่าของพารามิเตอร์ตัวแปรเดียวของทางเดิน

อันที่จริงเมื่อระยะห่างจากแหล่งพลังงานถึงยานอวกาศเปลี่ยนไป 2 เท่าความหนาแน่นของฟลักซ์กำลังจะเปลี่ยนไป 4 เท่า ซึ่งหมายความว่าในการขับเคลื่อนระบบขับเคลื่อนกำลังคงที่จำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ของอุปกรณ์ที่รับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์เป็น 4 เท่า เมื่อบินไปยังดาวเคราะห์ที่ห่างไกลระยะห่างจากดวงอาทิตย์มากกว่าระยะห่างของโลกจากดวงอาทิตย์หลายเท่าความหนาแน่นของรังสีดวงอาทิตย์จะต่ำมากจนแทบไม่แนะนำให้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ แต่ถึงแม้ระยะทางที่การใช้พลังงานแสงอาทิตย์จะถูกต้องนั้นก็มีค่ามหาศาล - หลายร้อยล้านกิโลเมตร (ซึ่งเป็นขนาดลักษณะเฉพาะของเส้นทางการส่งผ่านพลังงาน)

ในกรณีของการใช้แหล่งกำเนิดเทียมการดำเนินการส่งพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในระยะทางดังกล่าวเป็นปัญหาอย่างมาก ตัวอย่างเช่นพิจารณาเส้นทางสำหรับการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดเทียม

ข้อ จำกัด แรกที่ดึงดูดสายตาได้ทันทีคือพลังที่ จำกัด ของแหล่งที่มา หากพลังรวมของรังสีดวงอาทิตย์มีขนาดหลายคำสั่งที่สูงกว่ากำลังที่ต้องใช้ในการขับเคลื่อนระบบขับเคลื่อนและไม่จำกัดความสามารถของมันลักษณะพลังงานของระบบขับเคลื่อนที่มีแหล่งกำเนิดเทียมจะถูก จำกัด โดยพลังของแหล่งกำเนิดและ เราควรพยายามอย่างเต็มที่เพื่อให้แน่ใจว่าพลังของแหล่งภายนอกมาถึงเครื่องยนต์ให้มากที่สุด ... ดังนั้นจึงเป็นไปตามความต้องการในการถ่ายเทพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงในแหล่งกำเนิด - เส้นทางยานอวกาศ ตามหลักการแล้วแหล่งพลังงานทั้งหมดจะต้องเข้าสู่เครื่องรับของยานอวกาศ ในความเป็นจริงนี่ควรเป็นเศษส่วนอย่างน้อยหลายสิบเปอร์เซ็นต์ของพลังงานต้นทาง

การส่งผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพสามารถรับรู้ได้โดยการสร้างรังสีให้เป็นลำแสงแคบ ๆ ความเป็นไปได้ในการสร้างลำแสงของโครงร่างที่ต้องการการแพร่กระจายและการรับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบกำหนดทิศทางจะถูกกำหนดโดยความยาวคลื่น (ความถี่) ขนาดของพื้นผิวที่เปล่งหรือรับและพารามิเตอร์ของตัวกลางที่การแพร่กระจายเกิดขึ้น

การรับและการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การรับและส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดำเนินการโดยเสาอากาศ เสาอากาศรับและส่งมีหลายอย่างเหมือนกันและมักจะใช้อุปกรณ์เดียวกันเป็นทั้งเสาอากาศส่งและรับ จนถึงตอนนี้เรากำลังพูดถึงเสาอากาศแบบเดิมซึ่งมีหน้าที่ในการส่งหรือรับและรวบรวมพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบ อย่างไรก็ตามมีเสาอากาศที่รับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าอยู่แล้วซึ่ง ได้แก่ แบตเตอรี่และอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ที่เรียกว่า rectennas ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อรับรังสีเอกรงค์ในช่วงความถี่สูงพิเศษ (ไมโครเวฟ) และแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรง

ดังนั้นในความหมายที่กว้างกว่าเสาอากาศรับสัญญาณจะหมายถึงอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อรับและแปลงพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานประเภทอื่น อุปกรณ์ดังกล่าวทั้งหมดมีจุดร่วมหลายอย่างที่ส่งผลต่อลักษณะของเสาอากาศอย่างมาก ประการแรกสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของเสาอากาศความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาหรือได้รับทิศทางของรังสีในการส่งเสาอากาศหรือความสามารถในการรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับการรับเสาอากาศ

ระดับทิศทางของรังสีที่มีความยาวคลื่น? ซึ่งสามารถรับรู้ได้โดยใช้เสาอากาศขนาด งโดดเด่นด้วยค่าพิเศษ - มุมของความแตกต่าง? ~? / ง... เมื่อส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีทิศทางสูง (มีการสูญเสียต่ำ) ลำแสงแยกส่วนเกือบทั้งหมดจะตกลงบนพื้นผิวของเสาอากาศรับ หากระยะห่างระหว่างเสาอากาศส่งและรับมีขนาดใหญ่มุมที่ต้องการของความแตกต่างของรังสีจะมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นขนาดของเสาอากาศที่วัดเป็นหน่วยของความยาวคลื่นจะต้องมีนัยสำคัญ

ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 1 ซม. จำเป็นต้องใช้เสาอากาศที่มีขนาด 100 ม. เพื่อส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่มีการสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญในระยะทางประมาณ 1,000 กม. จากมุมมองของประสิทธิภาพการส่งข้อมูลจะได้เปรียบกว่า เพื่อใช้ความยาวคลื่นที่สั้นลงเนื่องจากระยะการส่งผ่านที่มีประสิทธิภาพนั้นแปรผกผันกับความยาวคลื่น อย่างไรก็ตามการลดความยาวคลื่นในขณะที่ช่วยแก้ปัญหาหนึ่ง (ปัญหาระยะทาง) ทำให้เกิดปัญหาอื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อกำหนดสำหรับความแม่นยำของโครงสร้างความแม่นยำในการชี้ตำแหน่งการรักษาเสถียรภาพของเสาอากาศในทิศทางของการรับและการส่งสัญญาณ ฯลฯ มีความเข้มงวดมากขึ้นเช่นเคยในกรณีเช่นนี้จำเป็นต้องมีการประนีประนอมอย่างมีประสิทธิภาพระหว่าง ข้อกำหนดที่กำหนดโดยปัญหาที่กำลังแก้ไขและความสามารถทางเทคนิคและเศรษฐกิจ

การจำแนกประเภทของมอเตอร์ที่มีแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ระบบแรงดึงสมมุติที่มีแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกมีความหลากหลายมาก พวกเขาใช้แหล่งกำเนิดรังสีจากธรรมชาติและเทียมและช่วงความยาวคลื่นที่เป็นไปได้ที่ใช้จะครอบคลุมตั้งแต่ X-ray ไปจนถึงไมโครเวฟ นอกจากนี้ยังใช้วิธีการต่างๆในการแปลงพลังงานรังสีเป็นแรงขับ ความจริงที่ว่าแหล่งพลังงานสำหรับสร้างแรงขับอยู่นอกยานอวกาศมีผลอย่างมากต่อลักษณะของระบบขับเคลื่อนและยานอวกาศทั้งหมด เสาอากาศรับสัญญาณขนาดใหญ่กลายเป็นคุณสมบัติที่ขาดไม่ได้

การจำแนกประเภทโดยประมาณของเครื่องยนต์เจ็ทที่มีแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกแสดงไว้ในรูปที่ 8. มาพิจารณาระบบขับเคลื่อนที่มีแหล่งกำเนิดรังสีตามธรรมชาติเป็นอันดับแรก - ดวงอาทิตย์ การแผ่รังสีของมันสามารถใช้เพื่อสร้างแรงผลักดันในสองเวอร์ชัน: 1) เมื่อเปลี่ยนพลังงานของรังสีดวงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า (เช่นการใช้แผงโซลาร์เซลล์) พร้อมกับการใช้พลังงานของเครื่องยนต์เจ็ทไฟฟ้าในภายหลัง 2) ใช้ความดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (ระบบฉุดเรียกว่าใบเรือแสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับหลักการนี้)

รูป: 8. ประเภทของระบบขับเคลื่อนปฏิกิริยา (RDS) ที่มีแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก

ใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ สาระสำคัญของหลักการทำงานของระบบดังกล่าวจากชื่อที่ brigantine และ caravels หายใจอย่างโรแมนติกในความเป็นจริงนั้นคล้ายคลึงกับหลักการทำงานของเรือใบ ในกรณีนี้ยานอวกาศมีพื้นผิวที่พัฒนาอย่างมากซึ่งเกิดจากฟิล์มกระจกบาง ๆ การแผ่รังสีแสงอาทิตย์ที่ตกลงมาในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวของฟิล์มและสะท้อนจากมันในกระจกทำให้เกิดแรงขับในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวของฟิล์ม ด้วยการดูดซับรังสีบางส่วนทิศทางการผลักจะทำมุมที่แน่นอนกับพื้นผิวนี้และโดยการปรับทิศทางใบเรือจะทำให้ได้แรงขับในทิศทางที่ต้องการ

ข้อดีของระบบฉุดดังกล่าวมีความชัดเจน: ไม่ต้องใช้พลังงานหรือใช้ของเหลวในการทำงาน อย่างไรก็ตามเพื่อให้ได้อัตราเร่งที่เพียงพอจำเป็นต้องใช้ฟิล์มที่บางมากเพื่อให้อัตราส่วนของพื้นที่แล่นเรือต่อมวลของเรือพร้อมกับใบเรือมีขนาดใหญ่พอ พื้นที่แล่นเรือตามแนวคิดสมัยใหม่ก็มีขนาดค่อนข้างใหญ่เช่นกัน ตัวอย่างเช่นเพื่อสร้างแรงผลัก 1 kgf สำหรับอุปกรณ์ที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 1 AU จาก. (150 ล้านกม.) จำเป็นต้องมีพื้นที่แล่น 3 · 10 5 ม. 2

แต่งานในการสร้างโครงสร้างดังกล่าวที่มีลักษณะมวลที่ยอมรับได้นั้นค่อนข้างเป็นจริงสำหรับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสหรัฐอเมริกาการเดินเรือพลังงานแสงอาทิตย์ประเภทต่างๆได้รับการพิจารณาโดยเกี่ยวข้องกับการพัฒนายานอวกาศที่ออกแบบมาเพื่อบินไปยังดาวหางฮัลเลย์ หนึ่งในการออกแบบใบเรือที่มีแนวโน้มมากที่สุด - "ไจโรสโคปพลังงานแสงอาทิตย์" - แสดงในรูปที่ 9. "ไจโรสโคป" ประกอบด้วยใบมีด 12 ใบยาว 7.4 กม. และกว้าง 8 ม. แต่ละใบมีน้ำหนัก 200 กก. เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งให้กับใบมีดทุกๆ 150 ม. จะมี "ไม้ระแนง" จากการคำนวณพบว่ามีการแล่นคล้ายกันที่ระยะทาง 1 AU นั่นคือจากดวงอาทิตย์ควรให้แรงผลัก 0.5 kgf ด้วยความช่วยเหลือของการแล่นเรือยานอวกาศเมื่อแก้ปัญหาการบินไปยังดาวหางฮัลเลย์จะต้องมีความเร็ว 55 กม. / วินาที

รูป: 9. หนึ่งในการออกแบบใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ที่เป็นไปได้คือ "ไจโรสโคปพลังงานแสงอาทิตย์"

จากการประมาณการเบื้องต้นเพื่อให้โครงการมีความเป็นไปได้ความหนาของฟิล์มที่ขึ้นรูปใบเรือควรอยู่ที่ประมาณ 0.0025 มม. และความถ่วงจำเพาะควรอยู่ที่ประมาณ 3 ก. / ม. 2 ดังนั้นความยากลำบากหลักในการดำเนินโครงการคือการเลือกใช้วัสดุฟิล์ม

นอกเหนือจากการบินไปยังดาวหางฮัลเลย์ดังกล่าวข้างต้นแล้วการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่ระหว่างวงโคจรระดับต่ำและแนวธรณีกับการส่งดินดาวอังคารมายังโลกถือเป็นการดำเนินการที่เป็นไปได้ด้วยการใช้ใบเรือสุริยะ การใช้ใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับเที่ยวบินไปยังดาวเคราะห์ชั้นนอกถือว่าทำไม่ได้

เครื่องยนต์เจ็ทเลเซอร์หลักการทำงานของเครื่องยนต์เจ็ทเลเซอร์นั้นขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่รู้จักกันดีนั่นคือความเป็นไปได้ของการระเหยของวัสดุภายใต้อิทธิพลของรังสีเลเซอร์ การระเหยจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและนำไปสู่การก่อตัวของเครื่องบินเจ็ทความเร็วเหนือเสียงเมื่อฟลักซ์พลังงานบนพื้นผิวของสารมีความหนาแน่นสูง ที่ฟลักซ์ที่สูงขึ้นไอน้ำสามารถแตกตัวเป็นไอออนได้ทำให้มีแรงกระตุ้นที่เฉพาะเจาะจงสูงมาก ปริมาณการเคลื่อนที่ของเครื่องบินเจ็ททำให้เกิดแรงขับในลักษณะเดียวกับในกรณีของเครื่องยนต์เจ็ททั่วไป แนวคิดในการใช้พลังงานของเลเซอร์จากภาคพื้นดินกำลังสูงในการส่งดาวเทียมประดิษฐ์ขึ้นสู่วงโคจรถูกนำเสนอโดย A. Kantorovits ในปี พ.ศ. 2514-2515

โดยหลักการแล้วเครื่องยนต์เลเซอร์จะรวมแรงกระตุ้นเฉพาะที่สูงมากที่พบในเครื่องยนต์นิวเคลียร์และไฟฟ้าที่มีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงพร้อมความน่าเชื่อถือที่มีอยู่ในเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงเคมี ค่าอิมพัลส์จำเพาะที่สูงสามารถทำได้เนื่องจากเป็นผลมาจากการดูดซับรังสีโดยของเหลวที่ใช้งานได้ทำให้เกิดพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงขึ้น อัตราส่วนขนาดใหญ่ของมวลของน้ำหนักบรรทุกต่อมวลของจรวดนั้นมั่นใจได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าแหล่งพลังงานนั้นตั้งอยู่บนโลก

การตระหนักถึงข้อได้เปรียบหลักเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการแก้ปัญหาสองประการ ประการแรกต้องมั่นใจว่าการส่งลำแสงเลเซอร์ทรงพลังที่มีมุมไดเวอร์เจนซ์ขนาดเล็กมากและประการที่สองต้องมีการสร้างเลเซอร์ขนาดใหญ่ที่สามารถเข้าถึงได้ทางเทคโนโลยีและประหยัดและอุปกรณ์จ่ายไฟ

ปัจจุบันมีการพิจารณาวิธีการรับแรงขับจากการใช้รังสีเลเซอร์หลายวิธี ตัวอย่างเช่นหนึ่งในนั้นประกอบด้วยการระเหยอย่างรวดเร็วของเชื้อเพลิงแข็งซึ่งดูดซับรังสีซึ่งเป็นผลมาจากการเกิดไอน้ำร้อน ถ้านอกจากนี้ไอน้ำดูดซับส่วนหนึ่งของพลังงานรังสีเลเซอร์ก็จะได้รับอุณหภูมิ 5,000 - 12,000 K พื้นผิวด้านในของหัวฉีดจรวดในกรณีนี้คือตัวสะท้อนพาราโบลาเพื่อให้หัวฉีดพร้อมกันทำหน้าที่เป็นกระจกสำหรับ การแผ่รังสีเลเซอร์และหัวฉีดสำหรับก๊าซที่ส่งออก

ตัวสะท้อนแสงพาราโบลาได้รับลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าฟลักซ์สูงสุดที่ผ่านชั้นบรรยากาศโดยไม่ผิดเพี้ยนและโฟกัสไปที่แท่งเชื้อเพลิงแข็งที่โฟกัสอยู่ ดังนั้นเชื้อเพลิงที่ระเหยจะผ่านบริเวณของรังสีเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง (10 7 - 10 9 W / cm 2) และให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง จากนั้นก๊าซที่ได้รับความร้อนที่อุณหภูมิสูงจะขยายตัวและพลังงานความร้อนจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ระบบดังกล่าวให้แรงขับที่เฉพาะเจาะจงสูงกว่าระบบระเหยแบบธรรมดา

ในการส่งจรวดที่มีน้ำหนักบรรทุกไม่เกิน 1 ตันเข้าสู่วงโคจรแบบ geocentric หนึ่งในโครงการเสนอให้ใช้เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์แบบพัลซิ่ง เลเซอร์ดังกล่าวสามารถผลิตแสงพัลส์ที่มีความแตกต่างของลำแสงน้อยกว่า 0.2 "และมีระยะเวลาหลายมิลลิวินาที

ตามการประมาณการเบื้องต้นค่าใช้จ่ายในการส่งน้ำหนักบรรทุก 1 กิโลกรัมขึ้นสู่วงโคจรใกล้โลกโดยใช้การติดตั้งเลเซอร์บนพื้นดินจะอยู่ที่ประมาณ 50 ดอลลาร์วงโคจรใกล้โลก พลังงานทั้งหมดที่จ่ายให้กับเครื่องยนต์ระหว่างการปล่อยจรวดขึ้นสู่วงโคจรนั้นเป็นสัดส่วนกับผลคูณของพลังของแหล่งกำเนิดและเวลาที่ปล่อย สำหรับน้ำหนักบรรทุกที่เท่ากันแทบจะไม่ขึ้นกับเวลาเปิดตัว ซึ่งหมายความว่าด้วยการเพิ่มเวลาในการยิงทำให้สามารถลดพลังของแหล่งกำเนิดและในทางกลับกันโดยการเพิ่มพลังของแหล่งกำเนิดเพื่อลดเวลาในการปล่อยจรวดขึ้นสู่วงโคจร

พลังงานเลเซอร์ขั้นต่ำอาจอยู่ที่ 200-300 เมกะวัตต์หากจรวดเร่งความเร็วเป็นระยะเวลานาน แต่สิ่งนี้ยังนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของโซนเร่งความเร็วซึ่งเป็นระยะทางสูงสุดที่ลำแสงเลเซอร์ต้องเดินทางไปถึงจรวด ผู้รับ. เพื่อรักษาประสิทธิภาพในการถ่ายเทพลังงานด้วยระยะทางที่เพิ่มขึ้นจึงจำเป็นดังที่ได้กล่าวไปแล้วไม่ว่าจะเป็นการลดความแตกต่างของลำแสงหรือเพื่อเพิ่มขนาดของอุปกรณ์รับสัญญาณบนจรวด ตัวเลือกแรกต้องการเลนส์เลเซอร์ที่ได้รับการปรับปรุงตัวเลือกที่สองนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของการลากจรวด การพึ่งพากำลังแสงเลเซอร์โดยประมาณกับความยาวของโซนเร่งความเร็วสำหรับระบบยิงซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการส่งน้ำหนักบรรทุก 1 ตันเข้าสู่วงโคจรแสดงในรูปที่ สิบ.

มะเดื่อ 10. การพึ่งพาพลังงานเลเซอร์ลักษณะเฉพาะโดยประมาณกับความยาวการเร่งความเร็วเมื่อนำน้ำหนักบรรทุกที่มีมวล 1 ตันออก

คุณลักษณะของโครงการที่อธิบายคือการใช้พลังงานของปฏิกิริยาเคมีร่วมกับพลังงานของการแผ่รังสีเลเซอร์เพื่อให้ความร้อนแก่ของเหลวที่ใช้งานได้ รอบเครื่องยนต์เริ่มต้นด้วยการจุดระเบิดของเชื้อเพลิงและการจ่ายชีพจรเบา ๆ พัลส์แสงทำให้เกิดความร้อนเพิ่มเติมของตัวกลางในการทำงานซึ่งเป็นผลมาจากการเกิดพลาสมาที่มีอุณหภูมิประมาณ 20,000 K ซึ่งจะขยายตัวและไล่ก๊าซออกจากหัวฉีดของเครื่องยนต์ หลังจากแก๊สออกจากหัวฉีดจะมีการจ่ายพัลส์ไฟใหม่เชื้อเพลิงจะติดไฟและทำซ้ำรอบทั้งหมดอีกครั้ง

ระยะเวลาของเครื่องยนต์กระตุกขึ้นอยู่กับระยะเวลาของชีพจรเบา ตัวอย่างเช่นในการสร้างแรงขับ 800 วินาที (ความดันก๊าซบนฐานจรวดถึง 3 MPa) จำเป็นต้องจ่ายพัลส์เบาที่มีความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงาน 2 · 10 7 W / cm 2 และระยะเวลา 10 -6 วินาทีในขณะที่ความเร็วในตอนท้ายของการเร่งความเร็วจะถึง 8 กม. / วินาที เนื่องจากแรงขับจะตั้งฉากกับทางออกของหัวฉีดของเครื่องยนต์เสมอทิศทางของลำแสงเลเซอร์จึงไม่จำเป็นต้องตรงกับทิศทางของแกนตามยาวของจรวด

อีกวิธีหนึ่งในการสร้างแรงขับโดยใช้การดูดกลืนรังสีเลเซอร์เหมาะสำหรับการเร่งยานอวกาศในส่วนบรรยากาศของวิถี ได้รับการเสนอโดยกลุ่มนักวิจัยจาก FIAN ภายใต้การนำของ AM Prokhorov ในปี 1973 ในรุ่นนี้รังสีที่ไม่มีการดูดซึมอย่างมีนัยสำคัญจะผ่านชั้นบรรยากาศและกระทบพื้นผิวสะท้อนพาราโบลาซึ่งตั้งอยู่ในส่วนหางของเครื่องบิน เชื่อมต่ออย่างแน่นหนา ความเข้มของรังสีในบริเวณโฟกัสของพื้นผิวนี้จะต้องเกินเกณฑ์ที่จะเกิดการสลายทางไฟฟ้าของอากาศในบริเวณนั้น แรงขับเกิดขึ้นโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงอื่นใดนอกจากอากาศในบรรยากาศ หากมีการเปลี่ยนแปลงของอากาศระหว่างเลเซอร์พัลส์เครื่องยนต์จะทำงานเป็นเครื่องยนต์เจ็ตแบบเลเซอร์

รูป: 11. Laser pulsating VRM: 1 - เปลือกพาราโบลาพร้อมพื้นผิวด้านในขัดเงา, 2 - โฟกัสของพาราโบลา, 3 - การสลายของอากาศ, 4 - คลื่นการระเบิดแสง, 5 - ลำแสงเลเซอร์

การแสดงแผนผังของเลเซอร์ที่เร้าใจm เครื่องยนต์เจ็ทอากาศให้รูป 11. ลำแสงเลเซอร์ที่กระทบพื้นผิวด้านในที่ขัดเงาจะถูกโฟกัสเพื่อสร้างกระแสความเข้มสูง การสลายตัวของอากาศครั้งต่อไปจะสร้างคลื่นกระแทกซึ่งแพร่กระจายไปทางทางออกของหัวฉีด ยิ่งไปกว่านั้นความดันก๊าซสูงทั้งหมดที่อยู่ด้านหลังจะถูกแปลงเป็นแรงที่กระทำกับผนังหัวฉีดนั่นคือแรงผลัก

เครื่องยนต์เลเซอร์ MHD ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของงานวิเคราะห์เครื่องยนต์ที่มีแนวโน้มสำหรับเรือขนส่งแบบขั้นตอนเดียวในสหรัฐอเมริกาได้ทำการวิจัยเพื่อสร้างเครื่องยนต์ MHD โดยใช้เลเซอร์ ข้อได้เปรียบหลักของเครื่องยนต์ดังกล่าวเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์เจ็ทด้วยเลเซอร์คือเนื่องจากการเร่งความเร็วของตัวกลางในการทำงานด้วยความช่วยเหลือของกองกำลังไฟฟ้ากระแสสลับจึงเป็นไปได้ที่จะได้รับความเร็วสูงของการไหลออกของกระแสเจ็ท พลาสม่าที่ได้จากอากาศในชั้นบรรยากาศใช้เป็นสื่อในการทำงาน แหล่งพลังงาน - เครื่องกำเนิดเลเซอร์ของสถานีออร์บิทัลหรือภาคพื้นดินตามที่ยานขนส่งเคลื่อนที่

เครื่องยนต์ MHD ของยานอวกาศขนส่งที่มีพื้นที่หน้าตัดเท่ากับพื้นที่หน้าตัดของยานส่ง Saturn-5 มีเครื่องรับรังสีเลเซอร์อยู่ด้านหน้าตามด้วยช่องอากาศเข้ารูปวงแหวน จากช่องรับอากาศอากาศจะเข้าสู่ห้องไอออไนเซชันซึ่งภายใต้อิทธิพลของรังสีเลเซอร์จะแตกตัวเป็นไอออนและเปลี่ยนเป็นพลาสมาหนาแน่น ส่วนหลักของรังสีเลเซอร์ไม่ได้ถูกดูดซับในพลาสมาที่เกิดขึ้น แต่จะสะท้อนบนผนังพร้อมกับวางตัวแปลงรังสีเลเซอร์เป็นกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะใช้ในการสร้างแรงขับเช่นเดียวกับที่ทำในเครื่องยนต์พลาสม่าหน้าสุดท้าย: พลาสมาจะถูกเร่งโดยแรงที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของกระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก พลาสม่าที่หนีออกจากเครื่องยนต์จะสร้างแรงขับเจ็ท

การวิเคราะห์พารามิเตอร์ปฏิบัติการดำเนินการโดยสัมพันธ์กับค่าของมวลวงโคจรของยานอวกาศขนส่ง 22 t: ปัจจุบัน 360 kA - ที่ระดับพื้นดิน 600 kA (สูงสุด) - ที่แรงขับสูงสุดสำหรับความเร็วในการบิน 500 m / s และความเร็ววงโคจร 280 m / s ความเร็วไหลออกกระแสน้ำของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าหลายร้อยเมตรต่อวินาทีใกล้โลกและ 460 กม. / วินาทีในวงโคจร พลังของรังสีเลเซอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็น 1.35 GW ในระหว่างการเร่งความเร็วของยานอวกาศจนกระทั่งถึงความเร็วในการบิน 750 m / s และจากความเร็วในการบินประมาณ 1.5 กม. / วินาทีจะเพิ่มขึ้นเป็น 3.75 GW ในการบิน ความเร็ว.

มอเตอร์เรโซเนเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากวงจรเครื่องยนต์ที่พิจารณาก่อนหน้านี้เครื่องยนต์นี้ไม่มีของเหลวที่ใช้งานได้หรือมากกว่านั้นการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามีบทบาท เราได้พิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการใช้ความดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างแรงผลักในระบบต่างๆเช่นใบเรือแสงอาทิตย์และพบว่าเมื่อใช้แหล่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเกือบไม่ จำกัด เช่นดวงอาทิตย์ค่าแรงผลักที่เป็นไปได้คือหลายกิโลกรัม

เป็นไปได้ไหมที่จะได้รับแรงผลักดันที่เห็นได้ชัดเจนเนื่องจากความดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อใช้แหล่งกำเนิดรังสีเทียม (เช่นเลเซอร์หรือเครื่องกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพในช่วงไมโครเวฟ)

ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการสร้างแรงผลักเนื่องจากความกดดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ปล่อยให้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นสูงเพียงพอต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยตกลงบนพื้นผิว หากพลังทั้งหมดนี้สามารถเปลี่ยนเป็นแรงผลักได้ค่าของหลังที่มีพื้นผิวรับรังสีที่พัฒนาเพียงพออาจมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตามกระบวนการแปลงพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์ของยานอวกาศมีลักษณะเฉพาะที่มีเพียงส่วนที่ไม่มีนัยสำคัญอย่างยิ่งของพลังงานที่ตกกระทบ (กล่าวคือ ว/คที่ไหน ว - การไหลของพลังงาน จาก - ความเร็วแสง) จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของยานอวกาศ

พลังงานที่เหลืออยู่ในอวกาศอีกครั้งอย่างไม่สามารถแก้ไขได้ หากพลังงานนี้สามารถทำให้ตกลงบนพื้นผิวเดิมซ้ำ ๆ ได้ก็จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าให้เป็นพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของยานอวกาศได้อย่างมาก แนวคิดนี้เกิดขึ้นได้ในมอเตอร์เรโซเนเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้า

แผนผังของมอเตอร์เรโซเนเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้า (EMRM) แสดงในรูปที่ 12. การเร่งความเร็วของยานอวกาศเกิดขึ้นเนื่องจากความกดดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในเครื่องสะท้อนเสียงแบบเปิดที่เกิดจากกระจก 2, 3 บนกระจกของยานอวกาศ

การสูบรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโดยแหล่งกำเนิด 1 ไปยังเครื่องเรโซเนเตอร์จะดำเนินการผ่านวาล์ว 4 ความดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในเรโซเนเตอร์สูงกว่าความดันการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิดหลายเท่า (เนื่องจากการสะสมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในเรโซเนเตอร์ ). การเร่งความเร็วของยานอวกาศจะดำเนินต่อไปจนกว่าการลดทอนของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าในเครื่องสะท้อนเสียงจะสมบูรณ์หลังจากปิดแหล่งกำเนิด 1. ในกรณีที่ไม่มีการกระเจิงด้านข้างและการสูญเสียในกระจกและตัวกลางพลังงานของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์โดยสมบูรณ์ ของยานอวกาศ

ระบบขับเคลื่อนจะถือว่าแหล่งที่อยู่นิ่งและยานอวกาศมีกระจกที่สัมพันธ์กันอย่างเคร่งครัด สิ่งนี้ช่วยให้สามารถใช้พัลส์ของคลื่นที่สะท้อนจากกระจกแต่ละบานสลับกันได้หลายครั้งเพื่อเพิ่มโมเมนตัมของยานอวกาศ เป็นผลมาจากการใช้พัลส์โฟตอนซ้ำ ๆ ซึ่งถ่ายโอนพลังงานส่วนน้อยทั้งหมดไปยังยานอวกาศด้วยการสะท้อนแต่ละครั้งจากกระจกเคลื่อนที่ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์ที่สูงในการแปลงพลังงานของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์ของ ยานอวกาศสำเร็จซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของ EMRE เหนือเครื่องยนต์ประเภทอื่น ๆ ที่ใช้แรงกดดันในการสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแรงขับ ในเวลาเดียวกันควรสังเกตว่ามีปัญหาทางเทคโนโลยีอย่างมากที่ต้องเอาชนะหากมีการดำเนินโครงการนี้

รูป: 12. แผนผังของเครื่องยนต์เรโซเนเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้า: 1 - แหล่งที่มาของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า 2 - กระจกของการติดตั้งภาคพื้นดิน 3 - กระจกของเครื่องบิน 4 - วาล์ว 5 - ยานอวกาศ

การวิเคราะห์โครงร่าง EMPE แสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์หลักของระบบขับเคลื่อนถูกกำหนดโดยลักษณะของกระจกแหล่งกำเนิดรังสีและความแม่นยำของการวางแนวร่วมกันของการติดตั้งที่หยุดนิ่งและยานอวกาศ ในทางกลับกันประสิทธิภาพของ EMRD จะถูกกำหนดโดยการกำจัดสูงสุดของอุปกรณ์เป็นหลัก งซึ่งปัจจัยการแปลงยังมีมากพอ แสดงได้ว่าประสิทธิภาพสูงสุดของการส่งกำลังระหว่างกระจกสองบานโดยการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้านั้นขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์เท่านั้น?:? \u003d? ง/ร 1 ร 2 ที่ไหน ร 1 ร 2 - ขนาดของกระจก สำหรับ?< 1 КПД передачи может быть равным практически 100 %. С увеличением расстояния эффективность ЭМРД резко падает, как только перестает выполняться это условие.

ข้อกำหนดสำหรับประสิทธิภาพการส่งสัญญาณค่อนข้างเข้มงวด ตัวอย่างเช่นด้วยประสิทธิภาพของระบบทั้งหมด 10% ประสิทธิภาพการส่งข้อมูลขั้นต่ำที่อนุญาตคือ 99.9% อย่างไรก็ตามโปรดทราบว่า 10% เป็นข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับประสิทธิภาพของระบบโดยรวม ในรูปแบบดั้งเดิมของการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรโดยใช้เครื่องยนต์จรวดเหลวประสิทธิภาพทั้งหมดในการแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นพลังงานจลน์ของยานอวกาศมีเพียง 2–3% เท่านั้น เนื่องจากในกรณีของ EMRE แหล่งพลังงานจะอยู่นอกยานอวกาศแม้การลดลงเล็กน้อยในประสิทธิภาพการแปลงทั้งหมดที่สัมพันธ์กับค่านี้ก็เป็นเรื่องที่ยอมรับได้

เครื่องยนต์พลาสมาเจ็ทความถี่สูงพิเศษ แผนการเคลื่อนที่โดยอาศัยแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกซึ่งส่วนใหญ่ใช้เลเซอร์เป็นเครื่องกำเนิดได้ถูกกล่าวถึงก่อนหน้านี้ ดังนั้นความถี่การแผ่รังสีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทนี้จึงอยู่ในช่วงอินฟราเรดและช่วงที่มองเห็นได้ ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับความถี่เหล่านี้แตกต่างกันไปตั้งแต่ 0.3 ถึง 15 ไมครอนและถึงแม้ว่าขนาดของเสาอากาศจะต้องสร้างคานที่มีความแตกต่างน้อยไปจนถึงความยาวคลื่นหลายแสนหรือหลายล้านความยาวคลื่น แต่ขนาดสัมบูรณ์ไม่เกินสองสามเมตร

ความเป็นไปได้ในการตระหนักถึงคานแยกขนาดเล็กที่มีขนาดเสาอากาศค่อนข้างเล็กเป็นหนึ่งในเหตุผลที่ต้องให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้และอินฟราเรดและในอนาคตต่อรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์เพื่อใช้ระบบขับเคลื่อนโดยอาศัยแหล่งพลังงานภายนอก . อย่างไรก็ตามในอดีตข้อเสนอสำหรับการใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างแรงผลักนั้นเกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีไมโครเวฟ และอาจเป็นไปได้ว่าแม้จะมีข้อได้เปรียบหลายประการของช่วงแสงและอินฟราเรด แต่การใช้งานครั้งแรกของมอเตอร์ที่มีแหล่งพลังงานภายนอก (เทียม) จะดำเนินการในช่วงไมโครเวฟ

ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งในการแปลงพลังงานไมโครเวฟเป็นพลังงานฉุดคือการนำพลังงานไมโครเวฟไปสู่พลาสมาที่มีไอออนสูงที่ความถี่เรโซแนนซ์ไซโคลตรอน (นั่นคือที่ความถี่ที่อิเล็กตรอนหมุนรอบเส้นสนามแม่เหล็ก) เมื่อความถี่ของการแผ่รังสีไมโครเวฟและความถี่ของไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ตรงกันจะเกิดการถ่ายโอนพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังพลาสมาอิเล็กตรอนอย่างเข้มข้น ในกระบวนการชนกันระหว่างอิเล็กตรอนและไอออนพลังงานส่วนหนึ่งของอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังไอออนเป็นผลให้อุณหภูมิของพลาสมาสูงขึ้นและการแผ่รังสีไมโครเวฟผ่านไปและให้พลังงานจะสลายตัว สนามแม่เหล็ก B ที่ต้องการถูกสร้างขึ้นที่ส่วนนอกของคันเร่ง

รูป: 13. เครื่องยนต์เจ็ทความถี่สูงพิเศษ: 1 - ท่อนำคลื่น, 2 - หน้าต่างอิเล็กทริกครึ่งคลื่น, 3 - โซลินอยด์, 4 - การฉีดของเหลวทำงาน

การจัดเรียงองค์ประกอบที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ไมโครเวฟอวกาศแสดงแผนผังในรูปที่ 13. มอเตอร์ดังกล่าวโดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยท่อนำคลื่นโซลินอยด์และหน้าต่างที่โปร่งใสต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่รังสีไมโครเวฟเข้ามา หน้าต่างทำหน้าที่ป้องกันการไหลย้อนกลับของอนุภาคที่เคลื่อนที่ไปยังแหล่งไมโครเวฟ ตัวเร่งประกอบด้วยระบบฉีดของเหลว (เชื้อเพลิง) ที่ใช้งานได้เช่นเดียวกับวิธีการตรวจสอบความเข้มของสนามแม่เหล็กคงที่ (เพื่อให้ได้ความบังเอิญของความถี่รังสีและความถี่ไซโคลตรอนในพื้นที่ปฏิสัมพันธ์) ที่ระดับพลังงานต่อเนื่องตั้งแต่ 1 กิโลวัตต์ขึ้นไปฟลักซ์การแผ่รังสีไมโครเวฟจะเพียงพอสำหรับการแตกตัวเป็นไอออนของของเหลวที่ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์และเพื่อให้พลังงานจลน์ที่ต้องการไปยังพลาสมา

ข้อดีของการเร่งด้วยพลาสม่าประเภทนี้เกิดจากโครงสร้างที่ไม่มีอิเล็กโทรดของตัวเร่งและการไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวโดยสิ้นเชิง ดังนั้นโดยหลักการแล้วสามารถคาดหวังได้ว่าเครื่องยนต์จะโดดเด่นด้วยความเรียบง่ายในการออกแบบและความทนทานสูงสุด มอเตอร์ไมโครเวฟกำลังต่ำ ( ร < 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 (ร \u003e 100 กิโลวัตต์ในโหมดต่อเนื่อง) จะเป็นไปได้หากมีการใช้ระบบส่งพลังงานโดยใช้ลำแสงไมโครเวฟ (โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์จากดาวเทียม)

อนาคตสำหรับการสร้างแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลัง ความซับซ้อนของปัญหาทางเทคนิคที่ต้องแก้ไขเมื่อสร้างระบบอวกาศขับเคลื่อนด้วยแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกนั้นเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับปัญหาที่ต้องเผชิญกับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสาขาอื่น ๆ ตลอดจนปัญหาทั่วไป

อย่างที่ทราบกันดีว่าเลเซอร์ถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีส่วนเกี่ยวข้องใด ๆ กับปัญหาอวกาศและเป็นเวลานานกว่า 10 ปีแล้วที่ไม่มีความคิดที่จะใช้เป็นองค์ประกอบของระบบขับเคลื่อนอวกาศ การพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ซึ่งประกอบด้วยการเติบโตของพลังงานที่ปล่อยออกมาการพัฒนาช่วงใหม่ ๆ มากขึ้นการปรับปรุงลักษณะ ฯลฯ ได้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว พอจะกล่าวได้ว่าพลังการแผ่รังสีของเลเซอร์สมัยใหม่ที่ดีที่สุดนั้นสูงกว่าพลังการแผ่รังสีของเลเซอร์ตัวแรก 10 6 - 10 8 เท่า ความคืบหน้าดังกล่าวซึ่งระบุไว้อย่างชัดเจนในช่วงปลายยุค 60 ทำให้สามารถพิจารณาว่าเลเซอร์เป็นแหล่งพลังงานรูปแบบหนึ่งที่ทรงพลังซึ่งสะดวกสำหรับวัตถุประสงค์หลายประการเช่นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงแสงอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลต (ปัจจุบันสเปกตรัมนี้ได้ขยายออกไปแล้ว มากไปกว่านั้น).

ตอนนั้นเองที่แนวคิดนี้เกิดมาเพื่อใช้เลเซอร์ในการเร่งความเร็วขีปนาวุธซึ่งจัดทำขึ้นโดยประวัติศาสตร์อันสั้นทั้งหมดของการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ ในทางกลับกันคำถามเกี่ยวกับการใช้แหล่งพลังงานภายนอกก็เติบโตเต็มที่ในเทคโนโลยีอวกาศซึ่งมีการหยิบยกและพูดคุยกันซ้ำแล้วซ้ำเล่าโดยเริ่มจากผลงานของ K.E. Tsiolkovsky, F.A. Zander และผู้บุกเบิกด้านอวกาศอื่น ๆ

ในแง่ของการแปลงพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์ของของเหลวที่ใช้งานได้คำถามนี้จัดทำขึ้นโดยการให้ความร้อนกับพลาสมาด้วยรังสีไมโครเวฟและการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับการสร้างเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างแรงขับ

แนวคิดเกิดมาในรูปแบบต่างๆ: บางส่วนปรากฏมานานก่อนความเป็นไปได้ในการนำไปใช้และบางครั้งก็ทำการทดลองที่กำหนดเป้าหมายเพื่อทดสอบ การดำเนินการของผู้อื่นซึ่งตัดสินโดยระดับการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโดยทั่วไปอาจเริ่มเร็วกว่าที่เกิดขึ้นมาก แนวคิดในการใช้เลเซอร์และแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังอื่น ๆ ในระบบขับเคลื่อนอวกาศไม่ได้เกิดขึ้นก่อนหน้าหรือล่าช้า การเกิดเกือบจะใกล้เคียงกับการเกิดขึ้นของโอกาสในการทำงานที่มุ่งเป้าไปที่การนำความคิดนี้ไปใช้

ปัญหาของการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรในปัจจุบันอยู่ที่จุดเชื่อมต่อของฟิสิกส์และเทคโนโลยีหลาย ๆ ด้านเช่นเครื่องยนต์อวกาศเลเซอร์ปฏิสัมพันธ์ของรังสีกับสสารกลศาสตร์การรับและการส่งลำแสงอันทรงพลังของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ แต่ละพื้นที่เหล่านี้ของ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมีการใช้งานมากมายดังนั้นความคืบหน้าในการพัฒนาแนวคิดของการฉีดเลเซอร์จึงไม่เพียง แต่พิจารณา (และในระยะเริ่มแรกและไม่มากนัก) โดยพารามิเตอร์ของอุปกรณ์ทดลองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงลักษณะที่มีอยู่ด้วย โดยองค์ประกอบที่รวมอยู่ในระบบเพื่อวัตถุประสงค์อื่น ๆ

ในเรื่องนี้ฉันต้องการทราบการทำงานที่ในอนาคตจะพบการประยุกต์ใช้โดยตรงในระบบที่มีแหล่งจ่ายไฟระยะไกลของยานอวกาศ จะมุ่งเน้นไปที่โรงไฟฟ้าอวกาศ ประเด็นของการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ผ่านดาวเทียม (SPS) ได้รับการพิจารณาอย่างจริงจังตั้งแต่ต้นทศวรรษที่ 70 เมื่อเห็นได้ชัดว่ามีข้อ จำกัด ร้ายแรงในความสามารถในการตอบสนองความต้องการพลังงานของประเทศส่วนใหญ่จากแหล่งฟอสซิล วิกฤตพลังงานในประเทศตะวันตก พ.ศ. 2516-2517 ให้แรงผลักดันเพิ่มเติมในการดำเนินการตามปัญหานี้

ตามแนวคิดที่ได้รับการพัฒนาในขั้นตอนการหารือเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการสร้าง SSE ส่วนหลังจะเป็นพื้นที่ราบของเซลล์แสงอาทิตย์หรือตัวรับรังสีดวงอาทิตย์อื่น ๆ ที่มีพื้นที่หลายร้อยตารางกิโลเมตรซึ่งตั้งอยู่ในวงโคจรของ geostationary หรือวงรีสูงและ - มุ่งเน้นไปที่ดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง พลังงานแสงอาทิตย์ส่วนหนึ่งที่ตกลงบนตัวรับ (15–20%) จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า ด้วยพื้นที่ 100 กม. 2 ความจุไฟฟ้าทั้งหมดของโรงไฟฟ้าดังกล่าวซึ่งวางอยู่ในวงโคจรของดาวเทียมโลกเทียมจะอยู่ที่ 15–20 GW นั่นคือความจุที่โรงไฟฟ้าพลังน้ำ 4–5 แห่งของ ประเภท Bratsk มี คาดว่ามวลของ SSE จะวัดได้หลายหมื่นตัน

ปัญหาร้ายแรงคือการส่งพลังงานที่ได้รับจาก SSP ไปยังผู้บริโภคซึ่งอาจอยู่ในระยะทางไกลถึงหลายหมื่นกิโลเมตรจากโรงไฟฟ้า วิธีการถ่ายเทพลังงานที่ได้รับที่ SSP อย่างมีประสิทธิภาพและใช้งานได้จริงคือการส่งผ่านรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโดยตรง ในขั้นต้นเพื่อจุดประสงค์นี้ควรใช้ระบบส่งพลังงานไมโครเวฟที่มีความยาวคลื่น 10–12 ซม. การเลือกช่วงนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ มีข้อดีหลายประการรวมถึงความโปร่งใสของชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์และบรรยากาศสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รวมถึงสภาพอากาศที่มีเมฆมากและการตกตะกอน) เทคนิคที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดีซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพสูงในการแปลงกระแสไฟฟ้าตรงเป็นพลังงานไมโครเวฟเป็นต้น

อย่างไรก็ตามการส่งพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่มีการสูญเสียในระยะทาง 40,000 กม. (เช่นจากวงโคจรสูงทรงรีหรือ geostationary มายังโลก) ต้องใช้เสาอากาศส่งพื้นที่ 1 กม. และเสาอากาศภาคพื้นดินรับเสาอากาศ 10-15 กม. ในเรื่องนี้มีการแสดงความสนใจมากขึ้นเรื่อย ๆ ในระบบการถ่ายเทพลังงานโดยใช้รังสีเลเซอร์

หากพลังงานไฟฟ้าถูกเปลี่ยนเป็นรังสีเลเซอร์เครื่องส่งเลเซอร์ (ที่ความยาวคลื่น 10.6 ไมครอน) จะต้องมีเสาส่งสัญญาณเส้นผ่านศูนย์กลาง 31 ม. และขนาดของเสาอากาศรับสัญญาณบนโลกคือ 31 x 40.3 ม. ระบบเลเซอร์สามารถ ไม่เพียง แต่ส่งพลังงานไปยังโลกเท่านั้น แต่ยังส่งไปยังดาวเทียมดวงอื่น ๆ ด้วยเช่นกันเพื่อให้พลังงานแก่ระบบขับเคลื่อนของเครื่องบินและยานอวกาศ หากสำหรับระบบไมโครเวฟฟลักซ์พลังงานสูงสุดที่อนุญาตต้องไม่เกิน 23 MW / cm 2 สำหรับระบบเลเซอร์ที่ออกแบบมาสำหรับกำลังไฟ 500 MW ฟลักซ์พลังงานการแผ่รังสีสูงสุดจะสูงถึง 185 W / cm 2 โดยไม่เพิ่มการสูญเสียสำหรับปฏิสัมพันธ์ ของลำแสงกับบรรยากาศ

หนึ่งในตัวเลือกที่เป็นไปได้สำหรับระบบพลังงานเลเซอร์คือการเปิดตัว SCE เข้าสู่วงโคจรของดวงอาทิตย์ที่มีพื้นโลกต่ำการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์บนเรือให้เป็นรังสีเลเซอร์ในภายหลังและการถ่ายโอนพลังงานแสงอาทิตย์ไปยังดาวเทียมรีเลย์หนึ่งหรือสองดวง ในวงโคจร geostationary และสุดท้ายการส่งรังสีเลเซอร์จากดาวเทียมเหล่านี้ไปยังสถานีรับสัญญาณบนโลก

โปรดทราบว่าการกำหนดค่าระบบไฟฟ้าโดยใช้ดาวเทียมรีเลย์จะทำได้เฉพาะเมื่อทำงานในช่วงความยาวคลื่นเลเซอร์เท่านั้น ในขณะเดียวกันการปล่อย SSP เข้าสู่วงโคจรที่มีขั้วต่ำ (และไม่อยู่ในวงโคจรที่อยู่นิ่งหรือเป็นวงรีสูงเหมือนในแนวคิดเดิม) ช่วยให้ลดมวลรวมของสินค้าได้ 6-10 เท่าซึ่งต้องฉีดเข้าไปในข้อมูลอ้างอิง วงโคจรเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสร้าง SSP โดยทั่วไปเมื่อใช้โซลูชันทางเทคนิคที่มีแนวโน้มจำนวนมากระบบพลังงานเลเซอร์อาจมีข้อได้เปรียบที่ร้ายแรงกว่าระบบที่ทำงานในช่วงไมโครเวฟในแง่ของลักษณะมวลในแง่ของมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมและต้นทุน

ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบดังกล่าวสามารถเข้าถึง 8 - 12% ซึ่งค่อนข้างเทียบได้กับประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไมโครเวฟ อย่างไรก็ตามไม่เหมือนกับระบบไมโครเวฟระบบเลเซอร์ไม่ใช่ทุกสภาพอากาศเนื่องจากการแผ่รังสีเลเซอร์ได้รับการดูดซึมที่รุนแรงเมื่อแพร่กระจายในเมฆและบริเวณที่ตกตะกอน เห็นได้ชัดว่าปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการสร้างสถานีรับภาคพื้นดินสำรองเช่นเดียวกับการวางสถานีรับในพื้นที่ที่มีโอกาสเกิดฝนต่ำ เมื่อใช้โรงไฟฟ้าอวกาศเลเซอร์เป็นแหล่งพลังงานภายนอกสำหรับการเร่งความเร็วของยานอวกาศและจรวดสภาพอากาศจะส่งผลกระทบต่อส่วนบรรยากาศของวิถีเท่านั้น

เครื่องยนต์ที่ใช้แหล่งน้ำหนักภายนอก

ในเกือบทุกระบบขับเคลื่อนที่พิจารณาก่อนหน้านี้มวลที่จรวดขับไล่ (มวลที่โยนทิ้ง) จะกระจุกตัวอยู่ที่ด้านข้างของจรวด ในการจัดเก็บมวลรถถังและโครงสร้างรองรับเป็นสิ่งจำเป็นซึ่งจะช่วยเพิ่มมวลของจรวดได้อย่างมาก จำกัด มวลการปล่อยและลดด้วยปริมาณมวลที่กำหนดความเร็วลักษณะเฉพาะของน้ำหนักบรรทุก ดังนั้นโดยธรรมชาติแล้วความปรารถนาที่จะใช้มวลภายนอกในเครื่องยนต์จรวดคล้ายกับการขนส่งทางบกและทางอากาศเมื่อโลกเองหรือชั้นบรรยากาศถูกใช้เป็นมวลที่คาดการณ์ไว้

มีการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการใช้ชั้นบรรยากาศของโลกในการยิงจรวดจากพื้นผิวโลก ในเวลาเดียวกันคาดว่าจะชนะสองครั้ง ประการแรกออกซิเจนในอากาศสามารถทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์สำหรับเชื้อเพลิงที่เก็บไว้บนจรวดซึ่งเทียบเท่ากับการเพิ่มพลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้บนจรวด ประการที่สองการเพิ่มขึ้นของปริมาณมวลที่ทิ้งจะทำให้สามารถลดความเร็วไอเสียได้และด้วยเหตุนี้ประสิทธิภาพแรงขับจะเพิ่มขึ้นในส่วนเริ่มต้นของวิถีการบิน นอกจากนี้สำหรับกำลังเครื่องยนต์ที่กำหนดเนื่องจากมวลทิ้งที่เพิ่มขึ้นจึงเป็นไปได้ที่จะเพิ่มแรงขับและปล่อยจรวดที่มีขนาดใหญ่

ในฐานะที่เป็นแหล่งของออกซิเจนและมวลเพิ่มเติมอากาศถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์กังหันก๊าซและเครื่องยนต์แรมเจ็ท (VRM) ที่ทันสมัย

หลักการทำงานของ VRM คืออากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ด้วยความเร็วของเครื่องบินจะเพิ่มความเร็วเนื่องจากพลังงานที่ปล่อยออกมาในเครื่องยนต์ ความแตกต่างของความเร็วอากาศที่ทางเข้าเครื่องยนต์และที่ทางออกจากมันคูณด้วยการไหลของมวลอากาศเท่ากับแรงขับของเครื่องยนต์ เนื่องจากการปลดปล่อยพลังงานที่กำหนดและสิ่งอื่น ๆ มีค่าเท่ากันความเร็วอากาศที่เพิ่มขึ้นจะลดลงจากนั้นเมื่อความเร็วของเครื่องบินเพิ่มขึ้นแรงผลักของ VRM ก็จะลดลงตามลำดับ

ข้อ จำกัด เกี่ยวกับความเร็วในการบินสำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้มวลภายนอกสามารถลดลงได้อย่างมากหากใช้พลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยส่งไปยังอากาศโดยตรง (เช่นในเครื่องปฏิกรณ์เฟสก๊าซ) หรือจากแหล่งพลังงาน ในกรณีแรกการกำจัดผลิตภัณฑ์กัมมันตภาพรังสีสู่ชั้นบรรยากาศจะเกิดขึ้นในกรณีที่สองเนื่องจากโรงไฟฟ้าบนเครื่องบินมีจำนวนมากจึงไม่สามารถเริ่มจากพื้นผิวโลกได้ ดังนั้นการใช้มวลภายนอกในเครื่องยนต์ดังกล่าวจึงพิจารณาเฉพาะในอวกาศเท่านั้น

เนื่องจากความหนาแน่นของสสารในอวกาศน้อยรูปแบบดั้งเดิมของเครื่องสะสมอากาศในรูปแบบของท่อที่มีกระดิ่งจึงมีความหมายเฉพาะในวงโคจรที่ต่ำมาก (100–120 กม.) สำหรับระดับความสูงที่สูงขึ้นประสิทธิภาพของปริมาณอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยการติดตั้งมอเตอร์ด้วยแหล่งสนามแม่เหล็ก (โซลินอยด์) ตัวกลางระหว่างดาวเคราะห์เป็นก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน (พลาสมา) และระดับของไอออไนเซชันจะเพิ่มขึ้นตามระยะทางจากโลกและเริ่มจากระดับความสูง 10,000 กม.

ตามที่ระบุไว้แล้วการเคลื่อนที่ของอนุภาคพลาสมาข้ามเส้นแรงของสนามแม่เหล็กเป็นเรื่องยากและสนามแม่เหล็กสามารถมีบทบาทเป็นช่องทางที่กำหนดทิศทางการไหลของอนุภาคที่มีประจุเข้าสู่เครื่องยนต์ เป็นผลให้พื้นที่ที่มีประสิทธิภาพของปริมาณมวลที่สนามแม่เหล็กที่สามารถบรรลุได้จริงสามารถเพิ่มขึ้นได้หลายพันเท่า

ตัวอย่างเช่นสำหรับแหล่งสนามแม่เหล็กในรูปแบบของลูปที่มีกระแสไฟฟ้าเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 ม. และการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กที่ศูนย์กลาง 10 Tc พื้นที่ที่จะรวบรวมการไหลของพลาสมาจะอยู่ที่ประมาณ 2 กม. 2 . เครื่องยนต์ที่มีมวลไอดีใกล้เคียงกันในวงโคจรต่ำที่ความเร็วไอเสีย 100 กม. / วินาทีสามารถสร้างแรงขับได้ 2 กก. และใช้พลังงานเพื่อสร้างแรงขับ 200 กิโลวัตต์

เครื่องยนต์ดังกล่าวสามารถเหมาะสำหรับการขนส่งระหว่างวงโคจรที่มีระดับความสูงตั้งแต่ 300 ถึง 10,000 กม. ด้านบนความหนาแน่นของตัวกลางจะลดลงอย่างรวดเร็วและในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ความเข้มข้นของอนุภาคอยู่ที่ 10 ซม. –3 ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่น 10–20 กก. / ม. 3 เพื่อที่จะจินตนาการถึงระดับความหายากของสสารให้เราใช้การเปรียบเทียบเชิงอุปมาอุปไมยของเจยีนส์นักดาราศาสตร์ชื่อดังชาวอังกฤษ: "ด้วยลมหายใจเพียงครั้งเดียวการบินสามารถเติมอากาศให้เต็มทั้งวิหารได้ด้วยความหนาแน่นเช่นนี้

แน่นอนว่ามวลที่ไหลผ่านเครื่องยนต์จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความเร็วจรวด แต่ในขณะเดียวกันเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของพลังงานการไหลที่ความแรงของสนามแม่เหล็กคงที่ขนาดที่มีประสิทธิภาพของปริมาณแม่เหล็กก็จะเช่นกัน ลดลง เป็นผลให้ปริมาณการใช้มวลจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของลูกบาศก์รูทของความเร็วเท่านั้น

หากเครื่องยนต์ที่ติดตั้งกระบะมวลแม่เหล็กเป็นไอออนิกล้วนๆ (โดยไม่มีการชดเชยประจุของอนุภาคที่ถูกขับออกมา) ฟลักซ์มวลภายนอกอาจเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากการปรากฏตัวของประจุไฟฟ้าบนจรวด ตัวอย่างเช่นหากเครื่องยนต์เร่งไอออนที่มีประจุบวกมันจะได้รับประจุลบและเริ่มดึงดูดไอออนจากนอกโลก ไอออนเหล่านี้สามารถนำไปยังอุปกรณ์เร่งความเร็วโดยสนามแม่เหล็กและใช้เป็นของเหลวที่ใช้งานได้

อย่างไรก็ตามเพื่อให้ได้มาซึ่งค่าใช้จ่ายจำนวนมากที่เพียงพอที่ความหนาแน่นของตัวกลางระหว่างดาวเคราะห์จำเป็นต้องมีศักยภาพที่สูงมากของจรวดเมื่อเทียบกับพื้นที่โดยรอบ สำหรับยานอวกาศที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 ม. ที่ศักยภาพ 10 6 V การไหลของมวลจะเท่ากับ 4 · 10 –8 กก. / วินาที ด้วยการเร่งความเร็วเพิ่มเติมของการไหลนี้กล่าวว่าด้วยศักยภาพที่มากกว่า 10 เท่าแรงขับของเครื่องยนต์จะอยู่ที่ 0.03 kgf แต่การเร่งด้วยความต่างศักย์ 10 7 V สอดคล้องกับพลังงานของอนุภาคที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ในกรณีนี้ถ้าคุณใช้มันเป็นมวลที่ถูกทิ้งการเติมไอออนในพลาสมาในอวกาศจะไม่ทำให้เกิดแรงขับที่เห็นได้ชัดเจน

เมื่อสรุปสิ่งที่กล่าวมาทั้งหมดเราสามารถสรุปได้ว่าการใช้ดาวเคราะห์ระหว่างดวงดาวและยิ่งไปกว่านั้นสื่อระหว่างดวงดาวเป็นสื่อการทำงานสำหรับเครื่องยนต์จรวดจะเป็นไปได้หากลักษณะของแหล่งที่มีอยู่ของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นหลายร้อย หลายพันครั้ง ปัจจุบันยังไม่ทราบวิธีการเพิ่มขึ้นดังกล่าว

อย่างไรก็ตามในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์มีร่างกายมหภาคจำนวนเพียงพอเช่นดาวเคราะห์บริวารดาวเคราะห์น้อยอุกกาบาต เราจะไม่แตะต้องการใช้หินโดยตรงที่ประกอบเป็นร่างจักรวาลและชั้นบรรยากาศ โดยหลักการแล้วสารที่ประกอบขึ้นเป็นวัตถุอวกาศสามารถใช้ในเครื่องยนต์ใด ๆ ที่อธิบายไว้ที่นี่ ลองพิจารณาเฉพาะวิธีการใช้มาโครร่างกายแบบไม่สัมผัสเท่านั้น

ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงนั้นแสดงออกอย่างรุนแรงที่สุดในอวกาศ น่าเสียดายที่ความเป็นไปได้ในการใช้มันเพื่อเร่งยานอวกาศนั้นมี จำกัด มาก อันที่จริงการบินผ่านพื้นที่อวกาศจรวดจะเร่งความเร็วเนื่องจากแรงดึงดูดของมันจนกว่าจะผ่านจุดที่เข้าใกล้ขั้นต่ำ นอกจากนี้การชะลอตัวของมันจะเริ่มขึ้นและการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในพลังงานจลน์ของจรวดจะเท่ากับศูนย์ หากหลังจากเข้าใกล้ที่สุดแล้วจะสามารถคัดกรองแรงโน้มถ่วงหรือเปลี่ยนสัญลักษณ์เป็นตรงกันข้ามได้ปัญหามากมายของการบินในอวกาศก็จะแก้ไขได้อย่างง่ายดาย แต่อนิจจาวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ไม่รู้ด้วยซ้ำว่าการปรับเปลี่ยนดังกล่าวด้วยสนามโน้มถ่วงเป็นไปได้หรือไม่

อย่างไรก็ตามในบางกรณีสามารถใช้ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงเพื่อลดพื้นที่จัดเก็บข้อมูลบนเครื่องบินได้ สิ่งนี้ใช้กับการหมุนของระนาบวงโคจรของยานอวกาศเป็นหลัก ตัวอย่างเช่นเมื่อมีการปล่อยดาวเทียม geostationary ที่โคจรรอบดวงจันทร์การใช้เชื้อเพลิงจะลดลง 10% เมื่อเทียบกับการปล่อยโดยตรง ยิ่งไปกว่านั้น "ระบบขับเคลื่อนเป็นไปได้ที่ทำงานเนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของสนามโน้มถ่วงซึ่งไม่จำเป็นต้องมีการสำรองมวลบนเรือเพื่อเคลื่อนย้ายน้ำหนักบรรทุกในสนามโน้มถ่วง"

หลักการทำงานของพวกเขาขึ้นอยู่กับการใช้แรงที่เรียกว่ากระแสน้ำ (รูปที่ 14) หากมวลสองก้อนที่เชื่อมต่อกันด้วยสายเคเบิลหมุนในวงโคจรของดาวเทียมประดิษฐ์ของโลกโดยทั่วไปแล้วระบบดังกล่าวจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สอดคล้องกับวงโคจรของศูนย์กลางมวล เป็นผลให้มวลที่อยู่ไกลที่สุดจากโลกจะมีความเร็วมากกว่าที่จำเป็นสำหรับการเคลื่อนที่แบบสมดุลดังนั้นจึงต้องมีแรงเหวี่ยงที่มากเกินไป สำหรับมวลที่ใกล้โลกที่สุดในทางกลับกันความเร็วจะน้อยกว่าค่าสมดุลและมีแรงโน้มถ่วงมากเกินไปแรงที่นำไปใช้กับมวลส่วนบนเท่ากันและตรงข้ามกัน

แรงเหล่านี้เรียกว่าแรงไทดัล พวกเขายืดเชือกและด้วยการคลายตัวของเชือกเราจะบังคับให้กระแสน้ำทำงาน งานนี้เกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานจลน์ของระบบและด้วยเหตุนี้จุดศูนย์ถ่วงของมันจะเคลื่อนไปยังวงโคจรที่ต่ำกว่า ในทำนองเดียวกันแรงคลื่นที่กระทำระหว่างดาวเคราะห์ทำให้เกิดการบรรจบกัน ตัวอย่างเช่นกระแสน้ำในมหาสมุทรที่เกิดจากดวงจันทร์อันเป็นผลมาจากแรงเสียดทานกับพื้นผิวโลกทำให้ระยะห่างระหว่างดวงจันทร์และโลกลดลง

ในทางกลับกันการทำงานต่อต้านการกระทำของกระแสน้ำทำให้สามารถเพิ่มวงโคจรของจุดศูนย์ถ่วงของระบบได้ ในการทำซ้ำรอบหลังจากที่มวลรวมกันจนหมดแล้วพวกมันจะต้องถูกดันออกไปด้วยสายเคเบิลที่เปิดได้อย่างอิสระ แต่ประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อนดังกล่าวในอวกาศใกล้โลกนั้นต่ำมาก

ขนาดของแรงน้ำขึ้นน้ำลงเท่ากับผลคูณของความเร่งของแรงโน้มถ่วงในวงโคจรโดยอัตราส่วนของระยะห่างระหว่างมวลกับรัศมีของวงโคจร ในวงโคจรที่มีความสูง 350 กม. โดยมีระยะห่างระหว่างมวล 10 กม. คือ 1.4 · 10 –2 N / kg ในวงโคจร geostationary - 7 · 10 –5 N / kg งานที่ทำในรอบนัดพบตามลำดับคือ 7 · 10 –2 และ 3.5 · 10 –4 J / kg ในการถ่ายโอนยานอวกาศจากวงโคจรที่มีความสูง 350 กม. ไปยังวงโคจร geostationary (35,880 กม.) จะใช้เวลาประมาณ 10 8 รอบ แม้ว่าเราจะถือว่าแต่ละรอบจะเสร็จสิ้นใน 1 วินาทีการเคลื่อนไหวดังกล่าวจะใช้เวลามากกว่า 10 ปี

รูป: 14. แผนภาพของเครื่องยนต์ "แรงโน้มถ่วง" (ลูกศรระบุทิศทางของแรงน้ำขึ้นน้ำลง): 1 - น้ำหนักบรรทุก 2 - สายเคเบิล 3 - อุปกรณ์ม้วนสายเคเบิล 4 - โลก

เป็นไปได้ว่าเมื่อมนุษย์เริ่มสร้างการตั้งถิ่นฐานในพื้นที่ใกล้โลกและจำเป็นต้องขนส่งสินค้าจำนวนหลายล้านตันไปยังวงโคจรสูงวิธีการเคลื่อนไหวที่เคลื่อนไหวช้าเช่นนี้จะพบการประยุกต์ใช้ ข้อดีของมันนั้นชัดเจน: ไม่มีมวลที่สิ้นเปลืองอย่างสมบูรณ์และระบบขับเคลื่อนกำลังต่ำ

เนื่องจากในทางตรงกันข้ามกับปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงผู้คนได้เรียนรู้ที่จะควบคุมปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นไปได้ที่จะสร้างระบบมอเตอร์โดยใช้วัตถุมาโครบนพื้นฐานนี้ ในกรณีที่ง่ายที่สุดเครื่องยนต์ดังกล่าวเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เมื่อบินผ่านร่างอวกาศมันจะถูกฉายรังสีด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (เช่นอิเล็กตรอน) เป็นผลให้ร่างกายอวกาศและจรวดเป็นพาหะของประจุของสัญญาณตรงกันข้าม

แรงดึงดูดของประจุเร่งให้จรวด หลังจากเข้าใกล้สุดของจรวดกับตัวถังอวกาศคุณสามารถปิดคันเร่งและประจุจะถูกชดเชยอย่างรวดเร็วโดยพลาสมาของอวกาศหรือในขณะที่ประจุบนอวกาศจะถูกเก็บรักษาไว้ให้ชาร์จจรวดและ จากนั้นพลังแห่งการดึงดูดจะเปลี่ยนเป็นพลังที่น่ารังเกียจ

การเพิ่มขึ้นของความเร็วของจรวดเนื่องจากการโต้ตอบนี้เป็นสัดส่วนกับความต่างศักย์ระหว่างจรวดและตัวที่มีประจุ ตัวอย่างเช่นสำหรับยานอวกาศที่มีมวล 10 ตันที่ความต่างศักย์ 10 6 V ความเร็วจะเพิ่มขึ้น 1 m / s และที่ 10 8 V ตามลำดับ 100 m / s ประสิทธิภาพของวิธีการเร่งความเร็วนี้จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความเร็วสัมพัทธ์ของจรวดและตัวพุ่งและที่ความเร็วมากกว่า 10 กม. / วินาทีสามารถเข้าถึง 20%

เนื่องจากความเร็วที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยในรอบการชาร์จหนึ่งรอบขอแนะนำให้ใช้ระบบขับเคลื่อนดังกล่าวในพื้นที่เหล่านั้นซึ่งมีการเผชิญหน้ากับร่างกายของจักรวาลค่อนข้างบ่อย (เช่นในแถบดาวเคราะห์น้อย) นอกจากนี้การเร่งความเร็วด้วยไฟฟ้าสถิตของจรวดยังมีประโยชน์ในกรณีที่สินค้าจำนวนมากไหลไปมาระหว่างวงโคจรของดาวเทียมโลก จากนั้นสามารถใช้รูปแบบการบินต่อไปนี้ได้ ระบบของดาวเทียมซึ่งบางดวงติดตั้งเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุจะถูกนำเข้าใกล้กันในวงโคจรตรงข้ามกัน (วงโคจรที่มีการหมุนตรงกันข้าม) ด้วยการเรียกเก็บเงินจากดาวเทียมที่กำลังมาถึงของการหมุนตรงกันข้ามคุณสามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ของวงโคจรของระบบทั้งหมดได้ ในขณะเดียวกันก็พอใจเงื่อนไขทั้งหมดสำหรับการใช้วิธีการเร่งความเร็วนี้อย่างมีประสิทธิภาพ: ความถี่สูงในการเผชิญหน้าและความเร็วสัมพัทธ์สูง

ข้อเสียที่สำคัญอย่างหนึ่งของการเร่งความเร็วด้วยไฟฟ้าสถิตของยานอวกาศคือการทิ้งระเบิดลงบนพื้นผิวด้วยอนุภาคของพลาสมาอวกาศที่เร่งให้พลังงานสูงโดยสนามไฟฟ้าของยานอวกาศ ผลที่ได้คือการเจาะรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ ข้อเสียนี้จะขาดไปเมื่อใช้ปฏิสัมพันธ์แม่เหล็ก

หากจรวดติดตั้งแหล่งสนามแม่เหล็กมันจะทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กของโลกดาวเคราะห์และดาวเคราะห์น้อยนิกเกิลเหล็ก ความเข้มของสนามแม่เหล็กของจักรวาลมีขนาดหลายลำดับที่สูงกว่าความเข้มของสนามไฟฟ้าในหน่วยที่เทียบเคียงกันได้ แต่น่าเสียดายที่สนามแม่เหล็กมีลักษณะเป็นไดโพลและปฏิสัมพันธ์ของแรงจะแสดงออกมาเฉพาะในที่ที่มีความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (การไล่ระดับสี) การไล่ระดับของสนามจักรวาลมีขนาดเล็กมาก: เพื่อให้ได้แรงปฏิสัมพันธ์ตัวอย่างเช่น 0.1 kgf กับสนามแม่เหล็กโลกจำเป็นต้องใช้โซลินอยด์ที่มีการหมุนมากกว่า 10 6 แอมแปร์และเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 ม. วิธีการที่มีอยู่ในการได้รับสนามแม่เหล็กจรวดที่มีโซลินอยด์เช่นนี้แม้ว่าเราจะละเลยมวลของน้ำหนักบรรทุก แต่ก็จะมีความเร่งเพียง 10 –6 m / s 2.

แนวโน้มที่ดีกว่าคือการใช้ระบบแม่เหล็กในการขนส่งระหว่างวงโคจรที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้เมื่อขนส่งกลุ่มของดาวเทียมที่หมุนในวงโคจรตรงกันข้าม เนื่องจากแรงดึงดูดร่วมกันหรือแรงผลักของยานพาหนะดังกล่าวจึงเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนความเร็วในการโคจร อย่างไรก็ตามเนื่องจากสนามแม่เหล็กเนื่องจากลักษณะของไดโพลลดลงตามสัดส่วนของลูกบาศก์ของระยะทางและสนามไฟฟ้าถึงสี่เหลี่ยมระบบขับเคลื่อนดังกล่าวจะด้อยกว่าไฟฟ้าสถิตในลักษณะมวล

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าสมัยใหม่ยอมรับการมีอยู่ของโมโนโพลแม่เหล็ก - แอนะล็อกของประจุไฟฟ้า หากมีการค้นพบโมโนโพลดังกล่าวและสามารถหาได้ในปริมาณที่เพียงพอโอกาสมหาศาลจะเปิดขึ้นสำหรับเทคโนโลยีอวกาศ จรวดที่มีประจุแม่เหล็กแบบโมโนโพลสามารถเริ่มต้นจากพื้นผิวโลกได้โดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายใด ๆ จากมวลบนเครื่องบินเพียงเพราะมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กจากนั้นจึงเร่งความเร็วต่อไปในสนามระหว่างดาวและดาวเคราะห์ระหว่างดวงดาว

เกี่ยวกับสิทธิที่จะเกิดและอยู่รอด

เส้นทางไปสู่การใช้งานระบบมอเตอร์ประเภทใหม่นั้นยาวและยากและตามกฎแล้วจะถูกสร้างขึ้นเฉพาะเมื่อข้อดีของพวกเขาเหนือสิ่งที่มีอยู่ไม่ได้แสดงเป็นหน่วยเปอร์เซ็นต์ แต่จะเปลี่ยนสถานการณ์อย่างมีนัยสำคัญ ไม่ว่าจะในเวลาเดียวกันตัวชี้วัดทางเศรษฐกิจของการดำเนินการขนส่งก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมากหรือช่วยให้สามารถแก้ปัญหาที่ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยวิธีการที่มีอยู่แล้ว

อะไรคือความสามารถของระบบขับเคลื่อนต่างๆในการแก้ปัญหาที่นักบินอวกาศต้องเผชิญอย่างรุนแรงที่สุด?

การจัดเรียงสินค้าขนาดใหญ่ไหลจากพื้นผิวโลกไปยังวงโคจรต่ำ ปัญหานี้แก้ไขได้ด้วยการใช้เครื่องยนต์แรงขับสูงเท่านั้นดังนั้นจึงขอแนะนำให้พิจารณาวิธีการแก้ปัญหาเช่นเครื่องยนต์เคมีเครื่องยนต์นิวเคลียร์ความร้อนและเครื่องยนต์นิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์และเครื่องยนต์ที่มีแรงขับสูงพร้อมระบบส่งกำลังระยะไกล ในบรรดาเครื่องยนต์เหล่านี้บทบาทหลักในการแก้ปัญหาการปล่อยสู่วงโคจรต่ำเป็นของเครื่องยนต์เคมีเป็นเวลานาน ในแง่ของพลังงานและลักษณะแรงขับเครื่องยนต์นิวเคลียร์เฟสก๊าซและเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์เหมาะสำหรับการแก้ปัญหานี้อย่างไรก็ตามอันตรายจากการปนเปื้อนของกัมมันตภาพรังสีในชั้นบรรยากาศนั้นมากเกินไป

โดยทั่วไปแล้วควรสังเกตว่าด้วยความเข้มข้นของการไหลของสินค้าจากพื้นผิวโลกไปยังวงโคจรต่ำประเด็นในการลดผลกระทบต่อกระบวนการทางธรรมชาติจากยานปล่อยจะมีความสำคัญมากขึ้น ด้วยความเข้มของการยิงที่ต่ำเพียงพอและ "พลังงานต่ำ" ที่สัมพันธ์กันของยานยิงปล่อยกระบวนการทางธรรมชาติในชั้นบรรยากาศและชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์สามารถชดเชยการรบกวนในพื้นที่ของพารามิเตอร์ที่สร้างขึ้นระหว่างการยิงขีปนาวุธ ตัวอย่างคือกระบวนการกระชับ "หน้าต่าง" ที่ปรากฏในชั้นโอโซนเมื่อหลังมีปฏิสัมพันธ์กับจรวด อย่างไรก็ตามความเป็นไปได้ในการชดเชยสภาพแวดล้อมทางธรรมชาตินั้นไม่ จำกัด และไม่สามารถละเลยได้

ข้อกำหนดสำหรับผลกระทบขั้นต่ำต่อกระบวนการทางธรรมชาติจะเป็นแรงจูงใจเพิ่มเติมสำหรับการสร้างยานพาหนะเปิดตัวโดยใช้แหล่งพลังงานภายนอก เนื่องจากในเครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานภายนอก (โดยเฉพาะที่มีแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์) สามารถใช้สารหลายชนิดเป็นของเหลวในการทำงานได้จึงเป็นไปได้ที่จะเลือกของเหลวที่ใช้งานได้โดยมีผลกระทบน้อยที่สุดต่อกระบวนการทางธรรมชาติ

อีกแง่มุมหนึ่งที่น่าสนใจของการใช้เครื่องยนต์ที่มีแหล่งภายนอกในยานเปิดตัวคือความจริงที่ว่าส่วนที่ซับซ้อนที่สุดของอุปกรณ์ (แหล่งพลังงานและเครื่องส่งเลเซอร์) อยู่นอกรถและไม่ได้รับผลกระทบจากลักษณะของระยะการยิง (การโอเวอร์โหลดการสั่นสะเทือน ฯลฯ ).) และพร้อมให้บริการและซ่อมแซม สุดท้ายระบบเปิดตัวดังกล่าวเป็นระบบที่ใช้ซ้ำได้ (อย่างน้อยก็ในแง่ของการใช้อุปกรณ์ของส่วนพื้นดินของระบบ) ซึ่งมีความสำคัญมากสำหรับการจัดระเบียบการไหลของสินค้าที่เข้มข้น

ด้วยเหตุผลเหล่านี้เครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานของเลเซอร์ที่อยู่บนโลกหรือในวงโคจรใกล้โลกในอนาคตจะแข่งขันอย่างจริงจังกับวิธีการยิงแบบเดิมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัญหาการปล่อยโหลดจำนวนมากในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย การปรากฏตัวของระบบดังกล่าวควรได้รับการคาดหวังในต้นศตวรรษหน้าในเวลาเดียวกันกับที่มีการวางแผนที่จะใช้ SSE ครั้งแรกที่มีความสำคัญทางอุตสาหกรรม

การขนส่งสินค้าขนาดใหญ่จากวงโคจรต่ำไปยังวงโคจรสูงและในทางกลับกันการขนส่งสินค้าที่คล้ายกันจากวงโคจรของโลกไปยังดวงจันทร์ ในทางตรงกันข้ามกับการปล่อยสินค้าขึ้นสู่วงโคจรต่ำการดำเนินการนี้สามารถทำได้โดยเครื่องยนต์ที่มีแรงขับสูงและต่ำ เมื่อใช้เครื่องยนต์แรงขับสูงอุปกรณ์จะไปถึงวงโคจรสูงหรือใกล้ดวงจันทร์เร็วกว่าเมื่อใช้เครื่องยนต์แรงขับต่ำ (หน่วยและกำลังหลายสิบกิโลกรัม) อย่างไรก็ตามเศษของน้ำหนักบรรทุกที่ส่งไปยังวงโคจรสูงนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วของการไหลออกของจรวดขับดันและที่นี่เครื่องยนต์ที่มีแรงขับต่ำอาจมีข้อได้เปรียบเหนือเครื่องยนต์แรงขับสูงบางประเภท

โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวิเคราะห์เปรียบเทียบความเป็นไปได้ในการแก้ปัญหานี้ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนของเหลวและเครื่องยนต์เจ็ทไฟฟ้าที่มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แสดงให้เห็นว่าหากในกรณีแรกส่วนแบ่งของสินค้าที่ส่งจากวงโคจรต่ำไปยังวงโคจรที่หยุดนิ่ง คือประมาณ 30% จากนั้นในวินาทีคือ 60–65% สถานการณ์นี้อาจมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเลือกยานพาหนะจัดส่งสำหรับการขนส่งสินค้าขนาดใหญ่เมื่อปัจจัยกำหนดคือปริมาณสินค้าที่ขนส่งในเที่ยวบินเดียวไม่ใช่ระยะเวลาของเที่ยวบินสุดท้าย

การใช้เครื่องยนต์แรงขับต่ำมีคุณสมบัติที่เป็นข้อได้เปรียบอย่างมากสำหรับสินค้าที่ขนส่งจำนวนมาก: แรงขับต่ำจะทำให้เกิดการโอเวอร์โหลดต่ำ ในเรื่องนี้เป็นไปได้ที่จะประกอบโครงสร้างขนาดใหญ่ในวงโคจรต่ำแล้วย้ายไปยังโครงสร้างที่สูงโดยไม่กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับการบรรทุกเกินพิกัดบนโครงสร้างที่สร้างขึ้นด้วยวิธีนี้ซึ่งเป็นเรื่องปกติเมื่อใช้เครื่องยนต์แรงขับสูง

ในอีกสองทศวรรษข้างหน้าเห็นได้ชัดว่ามีเพียงเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวและเครื่องยนต์ขับเคลื่อนไฟฟ้าที่มีแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์หรือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เท่านั้นที่จะถูกนำมาใช้ในการดำเนินการภายใต้การพิจารณา

ในอนาคตเพื่อวัตถุประสงค์ในการขนส่งและภายในรัศมีวงโคจรของดวงจันทร์สามารถใช้เครื่องยนต์ที่มีแหล่งพลังงานเทียมภายนอกได้ (และค่อนข้างมีประสิทธิภาพ) ดังนั้นลำแสงเลเซอร์จึงสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเครื่องยนต์เจ็ทไฟฟ้าเดียวกันได้ แต่แน่นอนว่าการใช้พลังงานโดยตรงจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเพื่อเร่งการทำงานของของเหลว

คำถามตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นเมื่อพูดถึงปัญหาการใช้เครื่องยนต์เลเซอร์ในระยะทางไกลถึง 300,000 กม. พารามิเตอร์ของการติดตั้งที่สร้างลำแสงที่ถ่ายเทพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในระยะดังกล่าวควรเป็นอย่างไรโดยไม่สูญเสียอย่างมีนัยสำคัญ?

จากการคำนวณแสดงให้เห็นว่าในระยะทาง 300,000 กม. จำเป็นต้องมีเสาอากาศขนาด 30–40 ม. บนอุปกรณ์และที่สถานีไฟฟ้ายิ่งไปกว่านั้นความแม่นยำของการสร้างพื้นผิวสำหรับเสาอากาศเหล่านี้ควรได้รับการรักษาไว้ไม่เกิน 0.1 µm ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าเป็นเรื่องยากมากที่จะใช้พลังงานที่ได้รับในลักษณะนี้เพื่อสร้างแรงผลักดันขนาดใหญ่ ในทางกลับกันการส่งพลังงานที่ค่อนข้างต่ำ (มากถึงหลายเมกะวัตต์) ผ่านช่องสัญญาณที่ไม่ซ้ำกันนั้นแทบจะไม่แนะนำให้ใช้หากเป็นเพียงเหตุผลที่แทนที่จะใช้เสาอากาศรับสัญญาณการวางแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์บนอุปกรณ์จะเป็นประโยชน์มากกว่า

อย่างไรก็ตามเห็นได้ชัดว่ามีตัวเลือกสำหรับการใช้ระบบขับเคลื่อนโดยใช้รังสีเลเซอร์สำหรับการขนส่งในวงโคจรสูงและการขนส่งสินค้าไปยังดวงจันทร์ซึ่งมีเหตุผลทั้งจากมุมมองทางเทคนิคและทางเศรษฐกิจ มีปัญหาทางเทคนิคและปัญหาตามเส้นทางนี้ แต่ดูเหมือนว่าพวกเขาจะเอาชนะได้มากในกรอบของการคาดการณ์ที่สมเหตุสมผลของเทคโนโลยีสมัยใหม่

เที่ยวบินระหว่างดาวเคราะห์ที่บรรจุมนุษย์ เที่ยวบินจำนวนมากของสถานีหุ่นยนต์ไปยังดาวศุกร์ดาวอังคารและดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลของระบบสุริยะได้สร้างความประทับใจว่านี่เป็นภารกิจของวันนี้มากกว่าพรุ่งนี้ ไม่ว่าในกรณีใดเที่ยวบินที่มีคนขับไปยังดาวอังคารและดาวศุกร์ได้หยุดเป็นเป้าหมายของวรรณกรรมนิยายวิทยาศาสตร์ไปนานแล้ว ในขณะเดียวกันทางออกที่เป็นไปได้ของปัญหาเหล่านี้ภายใต้กรอบของเทคโนโลยีสมัยใหม่นั่นคือการใช้เครื่องยนต์จรวดเหลวเพียงอย่างเดียวดูเหมือนจะยุ่งยากและมีราคาแพงมาก หนึ่งในตัวเลือกที่ "เจียมเนื้อเจียมตัว" ที่สุดสำหรับการเดินทางไปยังดาวอังคารโดยมีน้ำหนักบรรทุกของยานอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ 50 ตันการปล่อยองค์ประกอบโครงสร้างของยานอวกาศและเชื้อเพลิงที่มีมวลรวม 500-700 ตันสู่วงโคจรต่ำโดยห้าหรือเจ็ด เปิดตัวจรวด Saturn-5

แต่มันไม่ใช่มวลเริ่มต้นที่น่ากลัว แต่จำเป็นต้องดำเนินการติดตั้งที่ซับซ้อนจำนวนมากในอวกาศ การถอนน้ำหนักบรรทุกรวมที่มีน้ำหนัก 500 - 1,000 ตันตามที่ระบุไว้แล้วจะเป็นงานธรรมดาสำหรับผู้นำด้านอวกาศภายในสิ้นปี 1980 ควรสังเกตว่าในการแก้ปัญหาการบินไปยังดาวอังคารด้วยความช่วยเหลือของเครื่องยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าแรงขับต่ำและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์หรือเมื่อใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เฟสของแข็งที่มีความเร็วการไหลออกประมาณ 9 กม. มวลที่ฉีดเข้าไปในวงโคจรอ้างอิงจะอยู่ที่ 150-200 ตันระยะเวลาของการสำรวจดาวอังคารในทุกกรณีประมาณเท่ากัน - 2 ปี 8 เดือน

การลดระยะเวลาของการสำรวจลง 2 เท่าจะทำให้ต้นทุนพลังงานเพิ่มขึ้นตามลำดับ ในขณะเดียวกันการลดระยะเวลาการเดินทางไปยังดาวเคราะห์ก็เป็นที่พึงปรารถนาอย่างมาก ที่นี่มีโอกาสกว้าง ๆ สำหรับเครื่องยนต์ที่มีสมรรถนะด้านพลังงานสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องยนต์นิวเคลียร์เฟสแก๊สเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์และพัลส์ เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่าที่นี่เรากำลังพูดถึงเครื่องยนต์ปัญหาของการสร้างซึ่งหมิ่นความสามารถทางเทคโนโลยีสมัยใหม่ ในเรื่องนี้อย่างน้อยในขั้นตอนแรกของเที่ยวบินระหว่างดาวเคราะห์ที่มีคนขับสามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากการใช้เครื่องยนต์โดยใช้แหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกเป็นเครื่องยนต์แรงขับสูงเมื่อเริ่มต้นจากวงโคจรของดาวเทียม

ลักษณะการเปรียบเทียบของเครื่องยนต์ประเภทต่างๆสำหรับการสำรวจดาวอังคารแสดงไว้ในตาราง 2.

ตารางที่ 2

การเดินทางสู่ดาวอังคาร

เที่ยวบินสู่ดวงดาวมีจริงหรือไม่? ตามแนวคิดสมัยใหม่สิ่งที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเดินทางระหว่างดวงดาวคือเครื่องยนต์โฟตอนซึ่งใช้ปฏิกิริยาการทำลายล้างสสารด้วยปฏิสสาร อย่างไรก็ตามวิธีแก้ปัญหาในการสร้างเครื่องยนต์ดังกล่าวตลอดจนปัญหาในการจัดหาเชื้อเพลิงสำหรับพวกเขานั้นยังห่างไกลจากความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่สูตรอาหารนั้นไม่มีความหมาย

กลุ่มนักวิจัยชาวอังกฤษพยายามที่จะวิเคราะห์ปัญหาของเที่ยวบินที่มีคนขับไปยังดวงดาวที่ใกล้ที่สุด (Proxima Centauri,? Centauri, ดาวของ Bernard) โดยอาศัยการประมาณค่าความสามารถทางเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่ไม่ไกลเกินไป จากระบบที่เป็นไปได้จากมุมมองของเทคโนโลยีสมัยใหม่เราถือว่าอิเล็กโทรรีแอคทีฟกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ระบบเร่งความเร็วด้วยพลังงานที่เปล่งประกายจากเลเซอร์ในอวกาศระบบใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์และเครื่องยนต์นิวเคลียร์แรงขับสูง ตามที่ปรากฎประเภทของเครื่องยนต์ที่ระบุไว้ด้วยเหตุผลหลายประการไม่สามารถแก้ปัญหาได้และนี่คือสาเหตุ

เครื่องยนต์เจ็ทไฟฟ้าที่มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ให้อัตราเร่งที่ต่ำเกินไปซึ่งนำไปสู่การเดินทางที่ยาวนาน ระบบเร่งความเร็วด้วยเลเซอร์ในอวกาศและระบบใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์มีน้ำหนักเบากว่าระบบพลังงานนิวเคลียร์ แต่เศษของพลังงานที่แปลงแล้ว (เป็นพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของยานอวกาศ) มีขนาดเล็กมากจนต้องใช้เวลาในการเร่งความเร็วที่ยาวนาน เครื่องยนต์นิวเคลียร์แรงขับสูงเช่นเครื่องยนต์นิวเคลียร์ความร้อน Nerva สามารถให้อัตราเร่งที่ต้องการได้ อย่างไรก็ตามความเร็วการไหลออกที่ทำได้กับระบบดังกล่าวอยู่ในลำดับที่ 10 กม. / วินาทีซึ่งหมายความว่าจะต้องมีอัตราส่วนมวลที่มากเพื่อให้ได้ความเร็วสุดท้ายที่ต้องการ ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องการในระบบดังกล่าวทั้งหมดทำให้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้

ผู้เขียนพิจารณาเครื่องยนต์ฟิวชันโดยอาศัยการระเบิดขนาดเล็กด้วยการเริ่มต้นของปฏิกิริยาโดยเครื่องเร่งอิเล็กตรอนที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ว่ามีความใกล้เคียงที่สุดกับการใช้ระบบขับเคลื่อนที่เหมาะสมสำหรับการบินไปยังดวงดาว อย่างไรก็ตามข้อสรุปของผู้เขียนไม่สามารถปฏิเสธได้ ประเด็นที่นี่มีทั้งในความเป็นไปได้ของการดำเนินโครงการที่เสนอและการมีอยู่ของแผนการแข่งขัน

หากต้องการจินตนาการให้ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าการกระโดดในลักษณะของเครื่องยนต์จะต้องเกิดขึ้นเพื่อให้การเดินทางระหว่างดวงดาวเป็นไปได้ก็เพียงพอที่จะดูที่ตาราง 3 ซึ่งแสดงข้อมูลเกี่ยวกับเที่ยวบินจากโลกไปยังดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลที่สุดในระบบสุริยะ - ดาวพลูโต

ตารางที่ 3

เที่ยวบินไปยังดาวพลูโต

งานนี้ง่ายกว่าการบินไปดาว มันเพียงพอที่จะเปรียบเทียบระยะทางที่ต้องเอาชนะในทั้งสองกรณี ระยะทางไปยังดาวพลูโตแสงแดดแพร่กระจายด้วยความเร็วประมาณ 300,000 กม. / วินาทีผ่านไปใน 5 ชั่วโมงขณะที่ไปยังดาวที่ใกล้ที่สุด (? Centauri) - ใน 4.3 ปี อย่างไรก็ตามการบินตรง (เช่นโดยไม่ต้องใช้การซ้อมรบที่ก่อให้เกิดการก่อกวน) เที่ยวบินไปยังดาวพลูโตสามารถทำได้ในเวลาที่เหมาะสมหากมีเพียงเครื่องยนต์เท่านั้นที่มีพารามิเตอร์การใช้งานซึ่งเกี่ยวข้องกับการสร้างเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์ แม้แต่ลักษณะของเครื่องยนต์นิวเคลียร์เฟสแก๊สก็ไม่เพียงพอที่จะทำงานนี้ให้สำเร็จ

ในความเป็นจริงมีเพียงการถือกำเนิดของเครื่องยนต์เช่นเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์เท่านั้นที่จะสามารถมีส่วนร่วมอย่างจริงจังในเที่ยวบินที่มีคนขับภายในระบบสุริยะทั้งหมด ในระหว่างนี้เฉพาะวิธีการขับเคลื่อนที่ให้บริการเที่ยวบินโคจรที่มีคนขับเท่านั้นที่สามารถพิจารณาได้ว่ามีความเชี่ยวชาญมากหรือน้อย ดังนั้นแม้จะประสบความสำเร็จอย่างมากจากนักบินอวกาศ แต่การปฏิวัติ (และอาจมากกว่าหนึ่ง) ในเทคโนโลยีการขับเคลื่อนอวกาศจะต้องมีสำหรับเที่ยวบินที่มีคนขับไปยังดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลก่อนแล้วจึงจะกลายเป็นความจริงได้ .

หน้าที่ 4 ของหน้าปก

หมายเหตุ

1

ควรสังเกตว่าโปรแกรมสำหรับการไปถึงดวงจันทร์โดยมนุษย์ใช้เงินไปแล้วประมาณ 24 พันล้านดอลลาร์ค่าใช้จ่ายของโครงการสำรวจดาวอังคารอยู่ที่ประมาณ 70-80 พันล้านดอลลาร์

2

แน่นอนว่าหากบนดวงจันทร์มีจรวดสำรองอยู่การเติมรถถังเปล่าลงไปจะทำให้ได้รับน้ำหนักบรรทุกมากขึ้น แต่การเติมน้ำมันดังกล่าวเทียบเท่ากับการเพิ่มขึ้นของการสำรองพลังงานบนเครื่องบินดังนั้นข้อพิจารณาข้างต้นเกี่ยวกับอัตราการหมดอายุที่เหมาะสมจะไม่มีผลบังคับใช้

3

ในเทคโนโลยีจรวดแทนที่จะใช้ความเร็วไอเสียแนวคิดอื่นที่เทียบเท่ามักใช้เพื่อกำหนดลักษณะของเครื่องยนต์ - แรงขับเฉพาะ (แรงกระตุ้นเฉพาะ) ซึ่งมีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับความเร็วไอเสียหารด้วยความเร่งของแรงโน้มถ่วง (9.81 m / s 2) และ จะวัดเป็นวินาที แรงขับที่เฉพาะเจาะจงสอดคล้องกับแรงผลักที่สร้างขึ้นอันเป็นผลมาจากการบริโภคสื่อการทำงานที่มีมวล 1 กก. ใน 1 วินาที ในสิ่งที่ตามมาพร้อมกับอัตราการไหลเราจะใช้แนวคิดนี้ด้วย ค่าของแรงขับที่เฉพาะเจาะจงสำหรับหน่วยงานบางส่วนแสดงไว้ในตาราง หนึ่ง.

4

วิธีแก้ปัญหาระดับกลางเป็นไปได้เมื่อยูเรเนียมจำนวนมากอยู่ในสถานะของแข็งและมีเพียงส่วนเล็ก ๆ เท่านั้นที่อยู่ในเฟสของก๊าซ แต่แล้วมันก็ยากที่จะได้รับอุณหภูมิสูงของของเหลวที่ใช้งานได้เนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่จะถูกปล่อยออกมาที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ

5

ใน VRM บนเครื่องบินการขึ้นอยู่กับความเร็วนั้นซับซ้อนกว่า ในขั้นต้นจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของประสิทธิภาพของวงจรความร้อนเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของหัวความเร็วอัตราการบีบอัดจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามเมื่อเริ่มจากค่าหนึ่งของความเร็วความเร็วจะลดลง

เราสามารถเริ่มบทความนี้ด้วยเนื้อเรื่องแบบเดิม ๆ เกี่ยวกับวิธีที่นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์หยิบยกความคิดที่ชัดเจนจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็แปลให้เป็นจริง คุณทำได้ แต่ไม่ต้องการเขียนลงในแสตมป์ ควรจำไว้ว่าเครื่องยนต์จรวดสมัยใหม่เชื้อเพลิงแข็งและของเหลวมีลักษณะที่ไม่น่าพอใจมากกว่าสำหรับเที่ยวบินในระยะทางที่ค่อนข้างไกล พวกเขาอนุญาตให้นำสินค้าเข้าสู่วงโคจรของโลกเพื่อส่งบางสิ่งไปยังดวงจันทร์ได้เช่นกันแม้ว่าเที่ยวบินดังกล่าวจะมีราคาแพงกว่าก็ตาม แต่การบินไปดาวอังคารด้วยเครื่องยนต์ดังกล่าวไม่ใช่เรื่องง่ายอีกต่อไป ให้เชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ในปริมาณที่เหมาะสม และปริมาณเหล่านี้แปรผันโดยตรงกับระยะทางที่ต้องครอบคลุม

ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากเครื่องยนต์จรวดเคมีแบบเดิมคือเครื่องยนต์ไฟฟ้าพลาสมาและนิวเคลียร์ ในบรรดาเครื่องยนต์ทางเลือกทั้งหมดมีเพียงระบบเดียวเท่านั้นที่ถึงขั้นตอนการพัฒนาเครื่องยนต์นั่นคือนิวเคลียร์ (NRE) ในสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกาย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่แล้วเริ่มงานสร้างเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ ชาวอเมริกันกำลังทำงานกับโรงไฟฟ้าทั้งสองรุ่น: ปฏิกิริยาและแรงกระตุ้น แนวคิดแรกเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ของเหลวที่ใช้งานได้ด้วยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตามด้วยการขับออกทางหัวฉีด ในทางกลับกัน Pulsed NRE ขับเคลื่อนยานอวกาศผ่านการระเบิดของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จำนวนเล็กน้อยอย่างต่อเนื่อง

นอกจากนี้ในสหรัฐอเมริกายังมีการคิดค้นโครงการ Orion โดยรวม NRM ทั้งสองเวอร์ชันเข้าด้วยกัน สิ่งนี้ทำได้ด้วยวิธีต่อไปนี้: ประจุนิวเคลียร์ขนาดเล็กที่มีความจุประมาณ 100 ตันเทียบเท่ากับทีเอ็นทีถูกขับออกจากส่วนท้ายของเรือ ดิสก์โลหะถูกยิงหลังจากนั้น ที่ระยะห่างจากเรือประจุไฟฟ้าระเบิดดิสก์ระเหยและสารกระจัดกระจายไปในทิศทางต่างๆ ส่วนหนึ่งตกลงไปในส่วนท้ายของเรือและขับเคลื่อนไปข้างหน้า ควรมีแรงขับเพิ่มขึ้นเล็กน้อยจากการระเหยของแผ่นที่พัด ต้นทุนต่อหน่วยของเที่ยวบินดังกล่าวควรจะอยู่ที่ 150 ดอลลาร์ในเวลานั้นต่อกิโลกรัมของน้ำหนักบรรทุก

แม้กระทั่งการทดสอบ: ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนไหวด้วยความช่วยเหลือของแรงกระตุ้นที่ต่อเนื่องเป็นไปได้เช่นเดียวกับการสร้างแผ่นป้อนที่มีความแข็งแรงเพียงพอ แต่โครงการ Orion ถูกปิดในปีพ. ศ. 2508 อย่างไม่เป็นท่า อย่างไรก็ตามนี่เป็นแนวคิดเดียวที่มีอยู่แล้วที่สามารถให้การสำรวจดำเนินไปอย่างน้อยที่สุดในระบบสุริยะ

จนกระทั่งการสร้างต้นแบบสามารถเข้าถึงได้เพียงเครื่องบินเจ็ท NRE เหล่านี้คือโซเวียต RD-0410 และ NERVA ของอเมริกา พวกเขาทำงานบนหลักการเดียวกันในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ "ธรรมดา" ของเหลวที่ใช้งานจะร้อนขึ้นซึ่งเมื่อขับออกจากหัวฉีดจะทำให้เกิดแรงขับ ของเหลวในการทำงานของเครื่องยนต์ทั้งสองคือไฮโดรเจนเหลว แต่ในโซเวียตใช้เฮปเทนหนึ่งตัวเป็นสารเสริม

แรงขับของ RD-0410 คือ 3.5 ตัน NERVA ให้เกือบ 34 แต่ยังมีขนาดใหญ่: ยาว 43.7 เมตรและเส้นผ่านศูนย์กลาง 10.5 เทียบกับ 3.5 และ 1.6 เมตรตามลำดับสำหรับเครื่องยนต์โซเวียต ในเวลาเดียวกันเครื่องยนต์ของอเมริกานั้นด้อยกว่าของโซเวียตถึงสามเท่าในแง่ของทรัพยากร - RD-0410 สามารถทำงานได้ตลอดทั้งชั่วโมง

อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์ทั้งสองเครื่องแม้จะมีสัญญา แต่ก็ยังคงอยู่บนโลกและไม่บินไปไหน สาเหตุหลักของการปิดโครงการทั้งสอง (NERVA ในช่วงกลางทศวรรษที่ 70, RD-0410 ในปี 1985) คือเรื่องเงิน ลักษณะของเครื่องยนต์เคมีนั้นแย่กว่าเครื่องยนต์นิวเคลียร์ แต่ค่าใช้จ่ายในการปล่อยเรือหนึ่งลำด้วยเครื่องยนต์จรวดพลังงานนิวเคลียร์ที่มีน้ำหนักบรรทุกเท่ากันอาจมากกว่าการปล่อยยานโซยุซแบบเดียวกันถึง 8-12 เท่าด้วยของเหลว - เครื่องยนต์ขับเคลื่อน และนี่ก็ไม่ได้คำนึงถึงค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่จำเป็นในการนำเครื่องยนต์นิวเคลียร์ไปใช้งานให้เหมาะสม

การรื้อถอนรถรับส่งแบบ "ราคาถูก" และการที่เทคโนโลยีอวกาศไม่ได้รับการปฏิวัติในช่วงไม่นานนี้จำเป็นต้องมีโซลูชันใหม่ ๆ ในเดือนเมษายนของปีนี้หัวหน้าของ Roscosmos เอ. Perminov ได้ประกาศความตั้งใจที่จะพัฒนาและว่าจ้างเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ใหม่ทั้งหมด ตามที่ Roskosmos ควรปรับปรุง "สถานการณ์" ในจักรวาลอวกาศทั้งโลกอย่างสิ้นเชิง ตอนนี้มีความชัดเจนแล้วว่าใครควรจะเป็นผู้ปฏิวัติจักรวาลคนต่อไป: FSUE "Keldysh Center" จะมีส่วนร่วมในการพัฒนา YARD ผู้อำนวยการทั่วไปขององค์กร A. Koroteev ได้แสดงความยินดีกับสาธารณชนแล้วว่าการออกแบบเบื้องต้นของยานอวกาศสำหรับเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ใหม่จะพร้อมใช้งานในปีหน้า โครงการเครื่องยนต์ควรพร้อมใช้งานภายในปี 2562 และมีกำหนดทดสอบในปี 2568

คอมเพล็กซ์นี้มีชื่อว่า TEM - โมดูลการขนส่งและพลังงาน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ระบายความร้อนด้วยแก๊ส ยังไม่ได้ตัดสินใจหน่วยขับเคลื่อนโดยตรง: จะเป็นเครื่องยนต์เจ็ทเช่น RD-0410 หรือเครื่องยนต์จรวดไฟฟ้า (EPM) อย่างไรก็ตามประเภทหลังยังไม่ได้ถูกนำมาใช้อย่างหนาแน่นที่ใดในโลก: มียานอวกาศเพียงสามลำเท่านั้นที่ติดตั้งยานเหล่านี้ แต่ความจริงที่ว่าเครื่องปฏิกรณ์ไม่เพียง แต่สามารถจัดหาเครื่องยนต์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงหน่วยอื่น ๆ อีกมากมายหรือแม้กระทั่งใช้ TEM ทั้งหมดเป็นโรงไฟฟ้าอวกาศก็พูดถึง EJE

ครั้งแรกในโลกถูกประกอบขึ้นในรัสเซีย
เครื่องยนต์อวกาศนิวเคลียร์

ด้วยเหตุผลบางประการข่าวที่น่าตื่นเต้นของวันที่ 10 สิงหาคมผ่านไปโดยไม่มีใครสังเกตเห็นในโลกและสื่อของเรากับฉากหลังของเหตุการณ์ในอเมริกันเฟอร์กูสันและในยูเครน
ฉันจะพยายามเติมเต็มช่องว่างนี้และจัดวางบทความให้สมบูรณ์ตามหลักการที่เป็นอยู่ ทุกคนควรรู้เกี่ยวกับเหตุการณ์ดังกล่าวและฉันภูมิใจในตัวนักวิทยาศาสตร์และประเทศของเรา

เครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับยานอวกาศ

"ที่โรงงานสร้างเครื่องจักร JSC ใน Elektrostal ใกล้มอสโกผู้เชี่ยวชาญได้ประกอบชิ้นส่วนเชื้อเพลิงแรก (TVEL) ของการออกแบบมาตรฐานสำหรับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้านิวเคลียร์อวกาศ (NPP) ซึ่งรายงานโดยบริการกดของ State Corporation" Rosatom "หัวหน้าผู้ออกแบบโรงปฏิกรณ์คือ JSC NIKIET

งานกำลังดำเนินการภายใต้กรอบของโครงการ "การสร้างโมดูลการขนส่งและพลังงานจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ระดับเมกะวัตต์" ตามที่ผู้อำนวยการและนักออกแบบทั่วไปของ NIKIET กล่าวว่า Yuri Dragunov ตามแผนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ควรจะพร้อมในปี 2018 เขียนว่า Lenta

“ ในแง่ของโรงงานปฏิกรณ์ในแง่ของขอบเขตการทำงานของ State Atomic Energy Corporation Rosatom ทุกอย่างเป็นไปตามแผนตามแผนงาน” Dragunov กล่าว โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีแผนที่จะใช้สำหรับเที่ยวบินอวกาศระยะไกลและการดำเนินงานระยะยาวในวงโคจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสร้างการติดตั้งนี้จะทำให้สามารถลดระยะเวลาที่ต้องใช้ในการสำรวจดาวอังคารได้อย่างมาก

โครงการ YEDS ได้รับการอนุมัติในปี 2552 โดยคณะกรรมาธิการเพื่อความทันสมัยและการพัฒนาเทคโนโลยีของเศรษฐกิจรัสเซียภายใต้ประธานาธิบดีรัสเซีย การออกแบบร่างเสร็จสมบูรณ์ภายในปี 2555

นี่คือการก้าวกระโดดไปสู่อนาคต เครื่องยนต์นี้จะช่วยให้เราลงจอดบนดาวอังคารเป็นคนแรกและเดินทางกลับ นี่เป็นการก้าวกระโดดไปแล้วในศตวรรษที่ 22 ซึ่งเป็นการแยกตัวออกจากส่วนที่เหลือทั้งหมด ปัจจุบันรัสเซียพยายามที่จะครอบครองอุตสาหกรรมอวกาศมีการสร้างยานอวกาศและจรวดใหม่ ฉันหวังว่าเราจะสามารถคืนความยิ่งใหญ่ของอดีตนักบินอวกาศของสหภาพโซเวียต "

ในตอนท้ายของทศวรรษนี้สามารถสร้างยานอวกาศสำหรับการเดินทางด้วยพลังงานนิวเคลียร์ระหว่างดาวเคราะห์ได้ในรัสเซีย และสิ่งนี้จะเปลี่ยนสถานการณ์ทั้งในอวกาศใกล้โลกและบนโลกอย่างมาก

YaEDU เองจะพร้อมสำหรับการบินในปี 2018 ประกาศโดยผู้อำนวยการศูนย์ Keldysh นักวิชาการ Anatoly Koroteev “ เราต้องเตรียมตัวอย่างแรก (ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเมกะวัตต์ - ประมาณ“ Expert Online”) สำหรับการทดสอบการออกแบบเที่ยวบินในปี 2018 ไม่ว่าจะบินหรือไม่นั่นเป็นอีกเรื่องหนึ่งอาจมีคิว แต่ก็ต้องพร้อมสำหรับการบิน "RIA Novosti กล่าวกับเขา นั่นหมายความว่าหนึ่งในโครงการของโซเวียต - รัสเซียที่ทะเยอทะยานที่สุดในด้านการสำรวจอวกาศกำลังเข้าสู่ขั้นตอนของการนำไปใช้จริงในทันที

ในปี 2010 ประธานาธิบดีแห่งรัสเซียและปัจจุบันนายกรัฐมนตรีดมิทรีเมดเวเดฟได้รับคำสั่งภายในสิ้นทศวรรษนี้ให้สร้างโมดูลการขนส่งและพลังงานในประเทศของเราโดยใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ระดับเมกะวัตต์ มีการวางแผนที่จะจัดสรรเงิน 17 พันล้านรูเบิลจากงบประมาณของรัฐบาลกลาง Roscosmos และ Rosatom สำหรับการพัฒนาโครงการนี้จนถึงปี 2018 7.2 พันล้านของจำนวนนี้ถูกจัดสรรให้กับ บริษัท ของรัฐ Rosatom สำหรับการสร้างโรงงานผลิตเครื่องปฏิกรณ์ (นี่เป็นความรับผิดชอบของ Dollezhal Research and Design Institute of Power Engineering), 4 พันล้าน - สำหรับ Keldysh Center สำหรับการสร้างพลังงานนิวเคลียร์ ปลูก. RSC Energia ตั้งใจ 5.8 พันล้านรูเบิลเพื่อสร้างโมดูลการขนส่งและพลังงานกล่าวคือเรือจรวด

อะไรคือการใช้ประโยชน์จากการพัฒนาเหล่านี้สำหรับรัสเซีย? ผลประโยชน์นี้เกินกว่า 17,000 ล้านรูเบิลที่รัฐตั้งใจจะใช้จ่ายภายในปี 2561 เพื่อสร้างรถปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ขนาด 1 เมกะวัตต์ ประการแรกเป็นการขยายขีดความสามารถของประเทศเราและของมนุษยชาติโดยทั่วไปอย่างมาก ยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ให้โอกาสที่แท้จริงสำหรับผู้คนในการเดินทางไปยังดาวอังคารและดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ

ประการที่สองเรือดังกล่าวทำให้สามารถเพิ่มกิจกรรมในอวกาศใกล้โลกได้อย่างรวดเร็วและเป็นโอกาสที่แท้จริงสำหรับการเริ่มต้นของการตั้งรกรากของดวงจันทร์ (มีโครงการก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์บนดาวเทียมของโลกอยู่แล้ว) “ การใช้ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์กำลังได้รับการพิจารณาสำหรับระบบบรรจุคนขนาดใหญ่ไม่ใช่สำหรับยานอวกาศขนาดเล็กที่สามารถบินในการติดตั้งประเภทอื่นโดยใช้เครื่องยนต์ไอออนหรือพลังงานลมสุริยะ เป็นไปได้ที่จะใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่มีเครื่องผลักดันไอออนบนเรือลากจูงที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ตัวอย่างเช่นในการบรรทุกสินค้าระหว่างวงโคจรต่ำและสูงเพื่อบินไปยังดาวเคราะห์น้อย คุณสามารถสร้างเรือลากจูงดวงจันทร์ที่ใช้ซ้ำได้หรือส่งการสำรวจไปยังดาวอังคาร” ศาสตราจารย์ Oleg Gorshkov กล่าว เรือดังกล่าวกำลังเปลี่ยนแปลงเศรษฐกิจของการสำรวจอวกาศอย่างมาก จากการคำนวณของผู้เชี่ยวชาญ RSC Energia ยานปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ช่วยลดต้นทุนในการส่งน้ำหนักบรรทุกเข้าสู่วงโคจรรอบดวงจันทร์ได้มากกว่าสองเท่าเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลว ประการที่สามสิ่งเหล่านี้เป็นวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ที่จะถูกสร้างขึ้นในระหว่างการดำเนินโครงการนี้และจากนั้นจะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอื่น ๆ เช่นโลหะวิทยาวิศวกรรมเครื่องกล ฯลฯ นั่นคือนี่เป็นหนึ่งในโครงการที่ก้าวหน้าซึ่งสามารถผลักดันทั้งเศรษฐกิจรัสเซียและโลกได้อย่างแท้จริง