Napęd impulsowy jądrowy

Rakieta napędzana fuzją magneto-inercyjną MSNW
	Grafika koncepcyjna statku kosmicznego napędzanego syntezą jądrową przybywającego na Marsa
Projektant	MSNW spółka z ograniczoną odpowiedzialnością
Aplikacja	Międzyplanetarny
Status	Teoretyczny
Wydajność
Konkretny impuls	1606 s do 5722 s (w zależności od wzmocnienia fuzji)
Czas palenia	1 dzień do 90 dni (optymalnie 10 dni z przyrostem 40)
Referencje
Referencje
Notatki	Paliwo : kriogeniczny granulat deuterowo-trytowy ; Propelent : Lit lub aluminium ; Wymagania dotyczące mocy : 100 kW do 1000 kW ;

Artystyczna koncepcja „podstawowego” statku kosmicznego Projektu Orion , napędzanego impulsowym napędem jądrowym.

Jądrowy napęd impulsowy lub zewnętrzny pulsacyjny napęd plazmowy to hipotetyczna metoda napędu statku kosmicznego , która wykorzystuje wybuchy jądrowe do ciągu . Powstał jako Projekt Orion przy wsparciu DARPA , po sugestii Stanisława Ulama w 1947 roku. Nowsze projekty wykorzystujące fuzję inercyjną były punktem odniesienia dla większości późniejszych projektów, w tym Projektu Daedalus i Projektu Longshot .

Historia

Los Alamos

Obliczenia dotyczące potencjalnego wykorzystania tej technologii były wykonywane w laboratorium od końca lat czterdziestych do połowy lat pięćdziesiątych.

Projekt Orion

Jądrowa jednostka napędowa impulsów. Ładunek wybuchowy ablacyjnie odparowuje propelent, wypychając go z ładunku i jednocześnie tworząc plazmę z propelentu. Następnie paliwo uderza w płytę popychającą na dnie statku kosmicznego Orion, przekazując impuls energii „pchania”.

Projekt Orion był pierwszą poważną próbą zaprojektowania jądrowej rakiety impulsowej. Projekt powstał w General Atomics w późnych latach pięćdziesiątych i wczesnych sześćdziesiątych XX wieku, z myślą o reagowaniu na małe kierunkowe jądrowe materiały wybuchowe z wykorzystaniem wariantu konstrukcji dwustopniowej bomby Teller-Ulam na dużą stalową płytę popychającą przymocowaną do statku kosmicznego z amortyzatorami . Wydajne kierunkowe materiały wybuchowe zmaksymalizowały przenoszenie pędu, prowadząc do określonych impulsów w zakresie 6000 sekund, czyli około trzynastu razy dłużej niż główny silnik promu kosmicznego . Przy udoskonaleniach możliwe byłoby teoretyczne maksimum 100 000 sekund (1 MN·s/kg). Pchnięcia sięgały milionów ton , co umożliwiło zbudowanie statku kosmicznego większego niż 8 × 10 ^{6 ton z materiałów z 1958 roku.}

Projekt referencyjny miał być wykonany ze stali przy użyciu konstrukcji w stylu łodzi podwodnej z załogą liczącą ponad 200 osób i masą startową pojazdu wynoszącą kilka tysięcy ton . Ten jednostopniowy projekt referencyjny dotarłby na Marsa i wrócił z powierzchni Ziemi w ciągu czterech tygodni (w porównaniu do 12 miesięcy w przypadku obecnej misji referencyjnej NASA zasilanej chemicznie). Ten sam statek mógłby odwiedzić księżyce Saturna podczas siedmiomiesięcznej misji (w porównaniu z misjami o napędzie chemicznym trwającymi około dziewięciu lat). Godne uwagi problemy techniczne, które wystąpiły, były związane z osłonami załogi i żywotnością płyty popychacza.

Chociaż system wydawał się wykonalny, projekt został zamknięty w 1965 roku, głównie dlatego, że Traktat o częściowym zakazie prób uczynił go nielegalnym; w rzeczywistości przed traktatem Stany Zjednoczone i Związek Radziecki już osobno zdetonowały łącznie co najmniej dziewięć bomb jądrowych, w tym termojądrowych, w kosmosie, tj. na wysokości ponad 100 km (patrz wybuchy jądrowe na dużych wysokościach ) . Kwestie etyczne skomplikowały wystrzelenie takiego pojazdu w magnetosferze Ziemi : obliczenia z wykorzystaniem (spornego) liniowego modelu bezprogowego uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem wykazało, że opad z każdego startu spowodowałby śmierć około 1 do 10 osób. W modelu progowym tak ekstremalnie niskie poziomy słabo rozłożonego promieniowania nie miałyby żadnych związanych z tym złych skutków, podczas gdy w hormezy tak małe dawki byłyby pomijalnie korzystne. Użycie mniej wydajnych czystych bomb jądrowych do osiągnięcia orbity, a następnie bardziej wydajnych, brudniejszych bomb o wyższej wydajności do podróży znacznie zmniejszyłoby ilość opadów spowodowanych startem na Ziemi.

Użyteczną misją byłoby odchylenie asteroidy lub komety na kursie kolizyjnym z Ziemią, co zostało dramatycznie przedstawione w filmie Deep Impact z 1998 roku . Wysokie osiągi pozwoliłyby na powodzenie nawet późnego startu, a pojazd mógłby skutecznie przenieść dużą ilość energii kinetycznej na asteroidę przez zwykłe uderzenie. Perspektywa bliskiego uderzenia asteroidy rozwiałaby obawy związane z kilkoma przewidywanymi zgonami w wyniku opadu. Zautomatyzowana misja wyeliminowałaby wyzwanie zaprojektowania amortyzatora, który chroniłby załogę.

Orion jest jednym z nielicznych międzygwiezdnych napędów kosmicznych, które teoretycznie można by zbudować przy użyciu dostępnej technologii, jak omówiono w artykule z 1968 r. „Interstellar Transport” autorstwa Freemana Dysona .

Projekt Dedal

Projekt Daedalus był badaniem przeprowadzonym w latach 1973-1978 przez Brytyjskie Towarzystwo Międzyplanetarne (BIS) w celu zaprojektowania międzygwiezdnego statku kosmicznego bez załogi, który mógłby dotrzeć do pobliskiej gwiazdy w ciągu około 50 lat. Nad projektem pracowało kilkunastu naukowców i inżynierów pod kierownictwem Alana Bonda . W tamtym czasie wydawało się, że badania nad syntezą jądrową poczyniły wielkie postępy, aw szczególności fuzja bezwładnościowa (ICF) wydawała się przystosowana jako silnik rakietowy.

ICF wykorzystuje małe granulki paliwa fuzyjnego, zazwyczaj deuterku litu ( ⁶ Li ² H) z małym wyzwalaczem deuteru / trytu w środku. Granulki są wrzucane do komory reakcyjnej, gdzie są uderzane ze wszystkich stron przez lasery lub inną formę wiązki energii. Ciepło wytwarzane przez promienie wybuchowo ściska pelet do punktu, w którym zachodzi fuzja. Rezultatem jest gorąca plazma i bardzo małą „eksplozję” w porównaniu z bombą o minimalnym rozmiarze, która byłaby wymagana do zamiast tego wytworzenia niezbędnej ilości rozszczepienia.

W przypadku Dedala proces ten miał przebiegać w dużym elektromagnesie , który tworzył silnik rakietowy. Po reakcji, zapalonej wiązkami elektronów, magnes skierował gorący gaz do tyłu w celu uzyskania ciągu. Część energii została skierowana do zasilania systemów i silnika statku. Aby system był bezpieczny i energooszczędny, Dedal miał być zasilany paliwem hel-3 zebranym z Jowisza .

Meduza

Schemat koncepcyjny statku kosmicznego z napędem Medusa, przedstawiający: (A) kapsułę ładunkową, (B) mechanizm wciągarki, (C) opcjonalną główną linkę mocującą, (D) pasy pionowe i (E) mechanizm spadochronu.

Sekwencja działania układu napędowego Medusa . Diagram ten przedstawia sekwencję działania statku kosmicznego Medusa z napędem (1) Rozpoczęcie w momencie odpalenia jednostki wybuchowo-impulsowej, (2) Gdy impuls wybuchowy dotrze do czaszy spadochronu, (3) Odpycha czaszę, przyspieszając ją od miejsca wybuchu, gdy statek kosmiczny uruchamia główną linę za pomocą wyciągarki, wytwarzając energię elektryczną podczas wysuwania się i przyspieszając statek kosmiczny, (4) I wreszcie wciąga statek kosmiczny do przodu w kierunku czaszy i wykorzystuje nadmiar energii elektrycznej do innych celów.

Projekt Medusa ma więcej wspólnego z żaglami słonecznymi niż z konwencjonalnymi rakietami. Zostało to przewidziane przez Johndale'a Solema w latach 90. i opublikowane w Journal of the British Interplanetary Society (JBIS).

Statek kosmiczny Medusa rozłożyłby przed sobą duży żagiel, przymocowany niezależnymi kablami, a następnie wystrzeliłby ładunki jądrowe do przodu, aby zdetonować między sobą a żaglem. Żagiel byłby przyspieszany przez plazmę i impuls fotoniczny, wypuszczając liny, jak wtedy, gdy ryba ucieka przed rybakiem, generując energię elektryczną na „kołowrotku”. Statek kosmiczny zużywałby część wytworzonej energii elektrycznej, aby podwijać się w kierunku żagla, stale płynnie przyspieszając.

W pierwotnym projekcie wiele uwięzi było podłączonych do wielu generatorów silnikowych. Zaletą w stosunku do pojedynczego uwięzi jest zwiększenie odległości między wybuchem a uwięziami, zmniejszając w ten sposób uszkodzenia uwięzi.

W przypadku ciężkich ładunków wydajność można poprawić, wykorzystując materiały księżycowe, na przykład owijając materiał wybuchowy księżycową skałą lub wodą, przechowywaną wcześniej w stabilnym punkcie Lagrange'a .

Medusa działa lepiej niż klasyczny projekt Oriona, ponieważ jego żagiel przechwytuje więcej impulsu wybuchowego, jego skok amortyzatora jest znacznie dłuższy, a jego główne struktury są naprężone, a zatem mogą być dość lekkie. Statki typu Medusa byłyby w stanie wytworzyć impuls właściwy w czasie od 50 000 do 100 000 sekund (500 do 1000 kN·s/kg).

Meduza stała się szeroko znana publiczności w filmie dokumentalnym BBC To Mars By A-Bomb: The Secret History of Project Orion . Krótki film pokazuje artystyczną koncepcję działania Medusa „poprzez rzucanie bomb w żagiel, który go wyprzedza”.

Projekt Longshot

Projekt Longshot był sponsorowanym przez NASA projektem badawczym realizowanym we współpracy z Akademią Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych pod koniec lat 80. Longshot był w pewnym sensie rozwinięciem podstawowej koncepcji Dedala, ponieważ wykorzystywał ICF z magnetycznym lejkiem. Kluczowa różnica polegała na tym, że czuli, że reakcja nie może zasilić zarówno rakiety, jak i innych systemów, i zamiast tego obejmowała konwencjonalny reaktor jądrowy o mocy 300 kW do napędzania statku. Dodatkowa waga reaktora nieco zmniejszyła wydajność, ale nawet przy użyciu LiD byłby w stanie dotrzeć do sąsiedniej gwiazdy Alfa Centauri za 100 lat (prędkość ok. 13 411 km/s, w odległości 4,5 lat świetlnych, co odpowiada 4,5% prędkości światła).

Reakcja jądrowa katalizowana antymaterią

W połowie lat 90. badania na Pennsylvania State University doprowadziły do koncepcji wykorzystania antymaterii do katalizowania reakcji jądrowych. Antyprotony reagowałyby wewnątrz jądra uranu , uwalniając energię, która rozbija jądro, tak jak w konwencjonalnych reakcjach jądrowych. Nawet niewielka liczba takich reakcji może zapoczątkować reakcję łańcuchową , która w innym przypadku wymagałaby znacznie większej ilości paliwa. Natomiast „normalna” masa krytyczna dla plutonu wynosi około 11,8 kilograma (dla kuli o standardowej gęstości), przy reakcjach katalizowanych antymaterią może to być znacznie poniżej jednego grama.

Zaproponowano kilka projektów rakiet wykorzystujących tę reakcję, niektóre wykorzystujące reakcje całkowitego rozszczepienia do misji międzyplanetarnych, a inne wykorzystujące syntezę jądrową (w rzeczywistości bardzo małą wersję bomb Oriona) do misji międzygwiezdnych.

Fuzja magneto-inercyjna

NASA sfinansowała MSNW LLC i University of Washington w 2011 roku w celu zbadania i opracowania rakiety termojądrowej w ramach programu NASA Innovative Advanced Concepts NIAC .

Rakieta wykorzystuje formę fuzji magneto-inercyjnej do wytworzenia rakiety termojądrowej o bezpośrednim ciągu. Pola magnetyczne powodują zapadanie się dużych metalowych pierścieni wokół deuteru - trytu plazma, wywołując fuzję. Energia podgrzewa i jonizuje powłokę metalu utworzoną przez zgniecione pierścienie. Gorący, zjonizowany metal jest wystrzeliwany z magnetycznej dyszy rakiety z dużą prędkością (do 30 km/s). Powtarzanie tego procesu mniej więcej co minutę napędzałoby statek kosmiczny. Reakcja syntezy jądrowej nie jest samopodtrzymująca się i wymaga energii elektrycznej do wybuchu każdego impulsu. Przy wymaganiach elektrycznych szacowanych na od 100 kW do 1000 kW (średnio 300 kW), projekty obejmują panele słoneczne do wytwarzania wymaganej energii.

Foil Liner Compression tworzy fuzję w odpowiedniej skali energetycznej. Eksperyment potwierdzający słuszność koncepcji w Redmond w stanie Waszyngton polegał na zastosowaniu aluminiowych wkładek do kompresji. Jednak ostatecznym projektem było użycie wkładek litowych.

Charakterystyka wydajności zależy od współczynnika wzmocnienia energii syntezy jądrowej osiąganego przez reaktor. Oczekiwano, że przyrosty wyniosą od 20 do 200, przy szacowanej średniej wartości 40. Wyższe wzmocnienia powodują wyższą prędkość spalin, wyższy impuls właściwy i mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną. Poniższa tabela podsumowuje różne charakterystyki wydajności dla teoretycznego 90-dniowego transferu na Marsa przy zyskach 20, 40 i 200.

Parametry FDR dla spalania transferu 90 Mars
Całkowity zysk	Zysk 20	Zysk 40	Zysk 200
Masa wykładziny (kg)	0,365	0,365	0,365
Specyficzny impuls (y)	1606	2435	5722
Ułamek masowy	0,33	0,47	0,68
Masa właściwa (kg/kW)	0,8	0,53	0,23
Masa paliwa (kg)	110 000	59 000	20 000
Masa początkowa (kg)	184 000	130 000	90 000
Wymagana moc elektryczna (kW)	1019	546	188

Do kwietnia 2013 r. MSNW zademonstrował podkomponenty systemów: ogrzewanie plazmy deuterowej do temperatur syntezy jądrowej i koncentrację pól magnetycznych potrzebnych do wytworzenia syntezy jądrowej. Planowali połączyć obie technologie w celu przetestowania przed końcem 2013 roku.

Impulsowy napęd rozszczepienia-syntezy jądrowej

Napęd Pulsed Fission-Fusion (PuFF) opiera się na zasadach podobnych do syntezy magneto-inercyjnej. Ma na celu rozwiązanie problemu ekstremalnego stresu wywołanego przez silnik podobny do Oriona poprzez wyrzucanie plazmy uzyskanej z małych granulek paliwa, które ulegają autokatalizie reakcje rozszczepienia i syntezy jądrowej inicjowane przez skurcz Z. Jest to teoretyczny układ napędowy badany w ramach programu NIAC przez University of Alabama w Huntsville . Zasadniczo jest to rakieta termojądrowa, która wykorzystuje konfigurację Z-pinch, ale w połączeniu z reakcją rozszczepienia w celu przyspieszenia procesu syntezy jądrowej.

Granulka paliwa PuFF, o średnicy około 1 cm, składa się z dwóch elementów: cylindra plazmy deuterowo-trytowej (DT), zwanego tarczą, który ulega syntezie, oraz otaczającej osłony U-235, która ulega rozszczepieniu , otoczonej litową wkładką . Ciekły lit, pełniący funkcję moderatora, wypełnia przestrzeń między cylindrem DT a powłoką uranową. Prąd przepływa przez ciekły lit, siła Lorentza jest generowany, który następnie kompresuje plazmę DT o współczynnik 10 w tak zwanym Z-pinch. Sprężona plazma osiąga stan krytyczny i ulega reakcjom fuzji. Jednak zysk energii syntezy jądrowej ( Q ) tych reakcji jest znacznie poniżej progu rentowności ( Q < 1), co oznacza, że reakcja zużywa więcej energii niż wytwarza.

W projekcie PuFF szybkie neutrony uwolnione w początkowej reakcji syntezy jądrowej indukują rozszczepienie w osłonie U-235. Powstałe ciepło powoduje rozszerzanie się powłoki, zwiększając jej prędkość implozji na rdzeń DT i dalej go ściskając, uwalniając więcej szybkich neutronów. Te ponownie wzmacniają szybkość rozszczepienia w osłonie, czyniąc proces autokatalitycznym. Mamy nadzieję, że spowoduje to całkowite spalenie zarówno paliwa rozszczepienia, jak i syntezy jądrowej, dzięki czemu PuFF będzie bardziej wydajny niż inne koncepcje impulsów jądrowych. Podobnie jak w magneto-inercyjnej rakiecie fuzyjnej, wydajność silnika zależy od stopnia, w jakim zwiększa się wzmocnienie fuzji celu DT.

Jeden „impuls” polega na wstrzyknięciu granulki paliwa do komory spalania, jej zużyciu w szeregu reakcji rozszczepienia-syntezy jądrowej, a na końcu wyrzuceniu uwolnionej plazmy przez dyszę magnetyczną, generując w ten sposób ciąg. Oczekuje się, że pojedynczy impuls zajmie tylko ułamek sekundy.

Zobacz też

Linki zewnętrzne