Russiske forskere har begynt å utvikle en ny rakettmotor som bruker et fundamentalt nytt drivstoff - en blanding av acetylen og ammoniakk (acetam), direktøren for senteret for innovative utviklinger NPO Energomash Anatoly Likhantsev.
"En blanding av acetylen og ammoniakk, selv i henhold til de groveste anslagene, er 20 ganger billigere enn hydrogen - et kilo hydrogen koster omtrent 2 tusen rubler, og et kilo acetam koster maksimalt 100 rubler. Med et forbruk på fem til syv tonn kan du spare betydelig. I tillegg kan komponentene som er inkludert i acetam lagres og transporteres uten problemer; de har høye kjøleevner, og ammoniakk har strålende egenskaper (det brukes til og med i kjøleskap som kjølemiddel). - sa Likhantsev.
Den nye acetammotoren vil bli laget på grunnlag av oksygenparafinmotoren RD-161, som vil motta indeksen "AC". Sammenlignet med forgjengeren vil acetam være 30 % mer energieffektivt. De nøyaktige parametrene vil bli bestemt under testing av blandingen, som vil begynne i år og vil vare i omtrent tre år.
Etter at det optimale forholdet mellom acetylen og ammoniakk er funnet (drivstoffet vil bli ganske effektivt og vil ikke eksplodere fra hver støt), vil designerne avklare motorparametrene; i henhold til foreløpige beregninger vil det ikke kreve store designendringer, siden fysiske egenskaper Acetam er ikke mye forskjellig fra parafin. Takket være dette kan det øvre trinnet med den nye motoren installeres på eksisterende bæreraketter - dette er igjen mer lønnsomt enn å utvikle en ny rakett for den.
Utviklerne planlegger å skyte opp raketter med den nye motoren ut i verdensrommet allerede i 2017-2018. Tidspunktet vil imidlertid avhenge av finansieringsbeløpet - jo flere testbenkkopier av motoren kan produseres, jo raskere vil det være mulig å teste alle moduser. Den første benkprøven er planlagt montert på en benksokkel nær Sergiev Posad.
Direktør for Space Cluster Development av Skolkovo Foundation Dmitry Payson bemerket på sin side at til tross for fantasiløse kostnadsindikatorer, kan det vise seg å være et kostnadseffektivt prosjekt å erstatte parafin og hydrogen i rakettstadier med nytt drivstoff.
"Hydrogen er veldig klumpete - det må beskyttes mot varme, noe som gjør det vanskelig å transportere. Derfor er det lettere å produsere den direkte på kosmodromen før du fyller drivstoff. Acetam kan transporteres ved romtemperatur, som vanlig parafin. Samtidig er energieffektiviteten høyere enn for oksygenparafin, og faren for miljøet er lavere enn for den samme heptylen, forklarte Payson. "I tillegg er den mye tettere; tanker med mindre volum kan lages."
Han la til at når det gjelder å forbedre utformingen av tradisjonelle flytende rakettmotorer, ser moderne designbyråer ut til å ha nådd en viss barriere. Jakten på nye løsninger innen rakettvitenskap i dag utføres i form av nye materialer, drivstoff og produksjonsteknologier, skriver Izvestia.
Kostnaden for å lansere en bærerakett i moderne astronautikk forblir ganske høy, og når noen ganger flere hundre millioner dollar. For å redusere det betydelig, utvikler designere fra hele verden fundamentalt nye typer rakettmotorer som er i stand til å sende en nyttelast i bane med lavere energiforbruk sammenlignet med konvensjonelle kraftverk. I dag er det tre av de ulike lovende prosjektene av denne typen som er nærmest gjennomføring. Vi bestemte oss for å se nærmere på funksjonene deres.
På verdensbasis i 2015 ble det utført 87 oppskytninger av bæreraketter med ulik nyttelast: 29 oppskytinger var fra Russland, 20 fra USA, 19 fra Kina, ni fra European Space Agency, fem fra India, fire fra Japan og en til Iran. . Av dette antallet mislyktes fem oppskytinger og resulterte i tap av to automatiske romfartøyer og ti satellitter. I 2014 gjennomførte land 92 oppskytninger av bæreraketter, og et år tidligere - 80. I dag varierer kostnadene for å skyte en nyttelast i bane fra 15 til 25 tusen dollar per kilogram når de lanserer satellitter inn i en geostasjonær overføringsbane, hvorfra de flytte til geostasjonær. Å lansere et romfartøy i lav bane er billigere, men fortsatt ganske dyrt - fra 2,4 til 6 tusen dollar per kilo.
Det er derfor ikke overraskende at mange land jobber med å lage teknologier som kan redusere kostnadene ved romoppskytinger betydelig. Samtidig kommer forskjellige utviklere på forskjellige måter. For eksempel lager det amerikanske selskapet SpaceX Falcon Heavy bæreraketter med et gjenvinnbart første trinn. Selskapet er overbevist om at gjenbrukbarheten til den første fasen av Falcon Heavy vil redusere kostnadene ved å sende en nyttelast i lav jordbane til to tusen dollar per kilogram og til 9-11 tusen når den skytes ut i en geostasjonær overføringsbane. Og det amerikanske selskapet JP Aerospace lager et flertrinns lanseringssystem, der de to første stadiene vil være representert av luftskip.
Kort sagt, mange forskjellige teknologier rettet mot å redusere kostnadene ved lanseringer utvikles i dag. Disse inkluderer bæreraketter med karosseri laget av moderne materialer, rakettfly som er i stand til å ta av og lande fly, og navigasjonssystemer for raketters returstadier. Men hovedplassen blant dem er okkupert av nye motorer. Sant nok, i dette området oftest vi snakker om på å forbedre designene til eksisterende rakettmotorer. SpaceXs Merlin-motor har for eksempel betydelig kraft, men er en tradisjonell flytende rakettmotor. Men det finnes også originale løsninger som ikke tidligere har vært brukt til bæreraketter. Vi vil diskutere de tre mest interessante av dem, med tanke på design og potensielle fordeler, nedenfor.
Hybrid motor
På begynnelsen av 1990-tallet begynte det britiske selskapet Reaction Engines å utvikle en ny type rakettmotor som ville forbruke betydelig mindre flytende oksidasjonsmiddel, men som ville være effektiv i alle flyhøyder. Det ble antatt at det ville kombinere egenskapene til en luftturbojet og rakettmotorer. Nytt prosjekt kalt SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, synergistisk atmosfærisk rakettmotor). Prinsippet til kraftverket er relativt enkelt: når man flyr i atmosfæren, brukes atmosfærisk oksygen til å brenne drivstoff, og når man kommer inn i luftløst rom, går motoren over til å bruke flytende oksygen fra tankene.
I følge prosjektet vil SABRE-motoren få et universelt forbrenningskammer og munnstykke, designet er på mange måter likt lignende elementer i en konvensjonell rakettmotor. Ved lansering og under akselerasjon vil SABRE fungere som en konvensjonell ramjetmotor. Under flyturen vil luft strømme inn i luftinntaket, og deretter gjennom spesielle bypass-kanaler inn i kjøleren og forbrenningskammeret. I det kjøligere området er det installert en turbin og en kompressor: når jetstrømmen kommer ut av dysen, vil luft trekkes inn i motoren og snurre turbinen, som igjen vil snurre kompressoren. Sistnevnte vil begynne å komprimere den avkjølte luften, noe som vil øke tilførselen til forbrenningskammeret, og følgelig fullstendigheten av drivstoffforbrenningen og dens energiutgang.
Det antas at i atmosfærisk modus vil den nye hybridrakettmotoren operere med flyhastigheter på opptil Mach fem (6,2 tusen kilometer i timen). Når hastigheten øker, vil luften i luftinntaket – på grunn av den plutselige oppbremsingen og kompresjonen – bli varmere og varmere. Dette vil forverre kompresjonen, og derfor total effektivitet motor. Derfor, for å avkjøle den innkommende luften, foreslås det å bruke et spesielt nettverk av rør med en diameter på en millimeter og en total lengde på omtrent to tusen kilometer. De vil bli installert i luftkanalen. Helium vil bli tilført selve rørene under et trykk på 200 bar (197 atmosfærer), og fungerer som kjølevæske.
Ifølge utviklernes beregninger vil systemet tillate kjøling av den innkommende luften fra mer enn tusen grader celsius til minus 150 grader celsius på ett hundredels sekund. I dette tilfellet vil luftvæskedannelse, som kan redusere motorens effektivitet kraftig, ikke forekomme. Etter å ha overskredet hastigheten på fem Mach-tall, vil luftinntaket lukkes og motoren går over til å konsumere flytende oksygen fra tanken. I denne versjonen vil den kunne fungere i de sjeldne øvre lagene av atmosfæren og i luftløst rom. Det er planlagt å bruke flytende hydrogen som drivstoff. Testing av individuelle SABRE-komponenter har blitt utført av Reaction Engines siden 2012 og ble ansett som vellykket.
Det britiske selskapet setter for tiden sammen en motorteknologidemonstrator, som skal testes i slutten av 2017 – første halvdel av 2018. I atmosfærisk modus vil denne enheten kunne utvikle en skyvekraft på 196 kilonewton. Når det gjelder dimensjonene, vil prototypekraftverket tilsvare dimensjonene til F135-turbojetmotoren med to kretser med etterbrenner. Slike motorer er installert på de amerikanske F-35 Lightning II jagerfly. F135 er 5,6 meter lang og 1,2 meter i diameter. Dette kraftverket er i stand til å utvikle skyvekraft på opptil 191 kilonewton i etterbrenningsmodus. En fullverdig SABRE-installasjon vil være litt større og vil i atmosfærisk modus kunne utvikle en skyvekraft på 667 kilonewton. Testene er planlagt for 2020–2021.
Det britiske selskapet mener at takket være motoren kan bæreraketten gjøres ett-trinns. Dessuten vil dette enkelttrinnet bli returnerbart. Det nye kraftverket vil forbruke drivstoff og spesielt oksidasjonsmiddel mye mindre enn en konvensjonell rakettmotor, fordi for atmosfærisk flyvning skal oksygen til brenning av drivstoff tas fra luften. Britiske motorer er planlagt brukt i lovende amerikanske gjenbrukbare to-trinns romfartøy, som ifølge foreløpige beregninger vil gjøre det mulig å sende en nyttelast i lav jordbane for 1,1–1,4 tusen dollar per kilo.
Hypersonisk motor
Oppskyting av en rakett med en hypersonisk ramjetmotor i India på teststedet Sriharihota
I slutten av august 2016 gjennomførte den indiske romforskningsorganisasjonen de første vellykkede testene av hypersoniske ramjetmotorer. En vellykket test av kraftverkene fant sted på teststedet Sriharihota øst i landet. For testing brukte utviklerne en konvensjonell to-trinns ATV-rakett med fast brensel, til det andre trinnet som hypersoniske motorer ble festet til. Under flytester av fremdriftssystemene testet forskere supersonisk tenning, vedvarende drivstoffforbrenning, luftinntaksmekanisme og drivstoffinnsprøytningssystem. Den totale flyvarigheten av det andre trinnet var 300 sekunder, hvorav de hypersoniske motorene opererte i fem sekunder.
Indiske kraftverk, opprettet innenfor rammen av SRE-prosjektet (Scramjet Rocket Engine, en hypersonisk ramjet rakettmotor), opererte med en flyhastighet på litt over Mach seks. Etappen med motorer steg til en høyde på 70 kilometer. Hensikten med den første testen av hypersoniske motorer var å sjekke stabiliteten til driften, og ikke evnen til disse kraftverkene til å akselerere bærere til hypersoniske hastigheter. I nær fremtid planlegger utviklerne å fullføre behandlingen av dataene som ble innhentet under den første lanseringen av kraftverkene og gjennomføre en ny serie tester. Det antas at hypersoniske motorer vil akselerere det andre trinnet av bæreraketter til åtte til ni Mach-tall.
Indianerne avslører ikke tekniske detaljer om deres hypersoniske installasjoner. Imidlertid er den generelle utformingen av slike motorer, utviklet i flere land rundt om i verden siden 1970-tallet, kjent. En hypersonisk ramjetmotor skiller seg fra konvensjonelle ved at drivstoffet i kammeret brenner i en supersonisk luftstrøm. I dette tilfellet tilføres luft til forbrenningsprosessen inn i kammeret i direkte strøm uten bruk av ekstra kompressorer. Det ser slik ut: løping luftstrøm kommer inn i luftinntaket, og deretter inn i det innsnevrede kompressorkammeret, hvor det komprimeres og hvorfra det kommer inn i forbrenningskammeret. Det som er mest interessant er at slike hypersoniske motorer kanskje ikke har noen bevegelige deler i det hele tatt.
Hypersoniske kraftverk er i stand til å operere med en flyhastighet på minst fire til fem Mach-tall - det er ved denne hastigheten at nødvendig luftkompresjon og stabil drivstoffforbrenning er sikret. Den teoretiske øvre grensen for hastigheten til en hypersonisk motor er Mach 24. Samtidig vil kraftverket kunne utvikle høyere hastigheter dersom et flytende oksidasjonsmiddel i tillegg sprøytes inn i brennkammeret. Maksimal høyde flyrekkevidden der hypersoniske motorer kan operere uten behov for ekstra oksidasjonsinnsprøytning er 75 kilometer. Til sammenligning starter lav jordbane ved 160 kilometer.
I tillegg til India, jobber USA, Russland, Kina og Australia aktivt med å lage hypersoniske rakettmotorer. USA og Russland planlegger å installere nye fremdriftssystemer på hypersoniske kampmissiler, rekognoseringskjøretøyer og sjette generasjons jagerfly. Australia, som utvikler sammen med amerikanerne, har også til hensikt å utstyre raketter med nye motorer. Kina i tillegg kampbruk kraftverk, har til hensikt å bruke dem i bæreraketter. I følge ubekreftede rapporter vil hypersoniske motorer akselerere kinesiske bæreraketter til Mach 10–12, og kampmissiler til Mach 20. De første testene av kineserne hypersonisk missil fant sted i juni i fjor.
USA og Russland tror at bruken av hypersoniske motorer i bæreraketter vil komplisere, snarere enn å forenkle, designet deres. I tillegg mener forskerne at slike kraftverk ikke vil kunne utvikle tilstrekkelig skyvekraft til å sette ut store laster. Indiske og kinesiske utviklere er sikre på at bruken av hypersoniske ramjet-motorer i bæreraketter vil eliminere det meste av det flytende oksidasjonsmidlet, som bare vil være nødvendig under den eksoatmosfæriske fasen av flyturen. Og problemet med mulig utilstrekkelig skyvekraft kan løses ved å installere flere hypersoniske kraftverk, og fordelen ved å forlate oksidasjonsmidlet vil ikke bli oppveid - den totale massen til motorene, på grunn av deres enkle design, vil være liten.
Detonasjonsmotor
I mellomtiden, i Russland, utvikler det spesialiserte laboratoriet "Detonation flytende rakettmotorer" til vitenskapelig og produksjonsforeningen "Energomash" en roterende detonerende flytende rakettmotor som kjører på oksygen-parafin drivstoffpar. Om den første vellykket test et slikt kraftverk 26. august i år. Det skal bemerkes at dette er verdens første spinndetonasjonsmotor utviklet spesielt for bruk på bæreraketter. Et lignende kraftverk opprettes i dag i USA, men det er planlagt brukt som en mer økonomisk og effektiv erstatning for gassturbinmotorer på marinens skip.
Studiet av driftsprinsipper og utvikling av detonasjonsmotorer har blitt utført i noen land i verden i mer enn 70 år. De ble først tatt opp i Tyskland på 1940-tallet. Riktignok var forskerne på den tiden ikke i stand til å lage en fungerende prototype av en detonasjonsmotor, men pulserende luftpustemotorer ble utviklet og masseprodusert. De ble installert på V-1 raketter. I kraftverkene til slike raketter ble det tilført drivstoff til forbrenningskammeret i små porsjoner med jevne mellomrom. I dette tilfellet skjedde forplantningen av forbrenningsprosessen gjennom drivstoffet med en hastighet lavere enn lydhastigheten. Denne forbrenningen kalles deflagrering, og den ligger til grunn for driften av alle konvensjonelle forbrenningsmotorer.
I en detonasjonsmotor forplanter forbrenningsfronten seg gjennom drivstoffblandingen raskere enn lydhastigheten. Denne forbrenningsprosessen kalles detonasjon. Detonasjonsmotorer er i dag delt inn i to typer: puls og spinn. Sistnevnte kalles noen ganger roterende. Driftsprinsippet til pulsmotorer ligner på pulserende luftpustemotorer: drivstoff og oksidasjonsmiddel tilføres forbrenningskammeret med høye frekvenser med jevne mellomrom. Hovedforskjellen er detonasjonsforbrenningen av drivstoffblandingen i forbrenningskammeret. Takket være detonasjon brenner drivstoffet mer fullstendig, og frigjør mer energi enn ved deflagrering.
Spindetonasjonsmotorer bruker et ringformet forbrenningskammer. I den tilføres drivstoffblandingen sekvensielt gjennom radielt plasserte ventiler. I slike kraftverk dør ikke detonasjonen ut mens drivstoff og oksidasjonsmiddel tilføres. Under motordrift «løper» detonasjonsbølgen rundt det ringformede forbrenningskammeret, og drivstoffblandingen bak har tid til å fornye seg. På samme tid, hvis i en pulsmotor en forhåndstilberedt blanding av drivstoff og oksidasjonsmiddel skal tilføres forbrenningskammeret, er dette ikke nødvendig i en spinnmotor - høytrykksfronten beveger seg foran detonasjonsbølgen ganske blander effektivt de nødvendige komponentene. Den roterende motoren ble først studert i USSR på 1950-tallet.
I den nye russiske spinndetonasjonsrakettmotoren er spinndetonasjonsfrekvensen 20 kilohertz, det vil si på ett sekund klarer detonasjonsbølgen å "løpe rundt" det ringformede forbrenningskammeret 20 tusen ganger. Teoretisk sett er detonasjonsmotorer i stand til å operere i et bredt spekter av flyhastigheter - fra null til fem Mach-tall, og ved bruk av tilleggsenheter, for eksempel en kompressor, kan den øvre grensen heves til syv eller åtte Mach-tall. Det antas at slike kraftverk kan produsere mer kraft samtidig som de bruker mindre drivstoff enn konvensjonelle jetmotorer. Samtidig er utformingen av detonasjonsmotorer relativt enkel: i grunnversjonen har de ikke kompressor og mange bevegelige deler.
På grunn av deres effektivitet og høye utgangseffekt, vil spinndetonasjonsmotorer i bæreraketter redusere volumene av drivstoff og oksidasjonsmiddel som kreves for å sende en nyttelast i bane betydelig. I praksis (og dette er typisk for alle prosjektene som allerede er oppført), vil reduksjon av massen til motoren (og kraftverket vil veie mindre enn en konvensjonell rakett), drivstoff og oksidasjonsmiddel enten øke utskytningsvekten til bæreren mens den opprettholder sin dimensjoner, eller la kastevekten være uendret mens du reduserer rakettens dimensjoner. Bærerakettens kastevekt er massen til sluttfasen, drivstoffet og nyttelasten.
I fremtiden vil løpet i romoppskytningsmarkedet vinnes av den som kan sette så mye last i bane så billig som mulig. Noen selskaper mener at, takket være bruken av ny teknologi, kan kostnadene ved å sende ut last i lav bane reduseres til under tusen dollar per kilogram og under ti tusen per kilogram når den skytes ut i en geooverføringsbane. Når nøyaktig dette vil være mulig er imidlertid fortsatt uklart. Ifølge de mest vågale anslagene vil nye rakettmotorer bli brukt på bæreraketter fra midten av 2020-tallet.
Vasily Sychev
Vær forsiktig det er mange bokstaver.
En flymodell av et romfartøy med et kjernefysisk fremdriftssystem (NPP) er planlagt opprettet i Russland innen 2025. Tilsvarende arbeid er inkludert i utkastet til føderalt romprogram for 2016–2025 (FKP-25), sendt av Roscosmos for godkjenning til departementene.
Atomkraftsystemer regnes som de viktigste lovende energikildene i verdensrommet når man planlegger storskala interplanetariske ekspedisjoner. I fremtiden vil atomkraftverket, som for tiden lages av Rosatom-bedrifter, kunne gi megawatt kraft i verdensrommet.
Alt arbeid med etableringen av et kjernekraftverk foregår i henhold til de fastsatte fristene. Vi kan si med høy grad av sikkerhet at arbeidet vil bli fullført i tide, gitt av målprogrammet, sier Andrey Ivanov, prosjektleder for kommunikasjonsavdelingen til Rosatom statsselskap.
Bak I det siste Innenfor rammen av prosjektet er to viktige stadier fullført: en unik design av brenselelementet er skapt, som sikrer drift under forhold med høye temperaturer, store temperaturgradienter og høydosestråling. Også fullført vellykket teknologiske tester reaktorfartøyet til den fremtidige romkraftenheten. Som en del av disse testene ble huset utsatt for overtrykk og det ble tatt 3D-målinger i grunnmetallet, periferisk sveis og koniske overgangsområder.
Driftsprinsipp. skapelseshistorie.
Det er ingen grunnleggende vanskeligheter med en atomreaktor for romapplikasjoner. I perioden fra 1962 til 1993 akkumulerte landet vårt et vell av erfaring i produksjon av lignende installasjoner. Tilsvarende arbeid ble utført i USA. Siden tidlig på 1960-tallet har flere typer elektriske fremdriftsmotorer blitt utviklet i verden: ion, stasjonær plasma, anodelagmotor, pulsert plasmamotor, magnetoplasma, magnetoplasmodynamisk.
Arbeidet med å lage kjernefysiske motorer for romfartøy ble aktivt utført i USSR og USA i forrige århundre: amerikanerne avsluttet prosjektet i 1994, USSR - i 1988. Nedleggelsen av arbeidet ble i stor grad lettet av Tsjernobyl-katastrofen, som påvirket opinionen negativt angående bruken av atomenergi. I tillegg gikk tester av atominstallasjoner i rommet ikke alltid som planlagt: i 1978 kom den sovjetiske satellitten Kosmos-954 inn i atmosfæren og gikk i oppløsning, og spredte tusenvis av radioaktive fragmenter over et område på 100 tusen kvadratmeter. km i det nordvestlige Canada. Sovjetunionen betalte Canada monetær kompensasjon på mer enn 10 millioner dollar.
I mai 1988, to organisasjoner - Federation of American Scientists og Committee of Soviet Scientists for Peace against kjernefysisk trussel- laget et felles forslag om å forby bruk av atomenergi i verdensrommet. Det forslaget fikk ingen formelle konsekvenser, men siden den gang har ingen land skutt opp romfartøyer med atomkraftverk om bord.
De store fordelene med prosjektet er praktisk viktige driftsegenskaper - lang levetid (10 års drift), betydelig overhalingsintervall og lang driftstid på én bryter.
I 2010 ble det utformet tekniske forslag til prosjektet. Designet startet i år.
Kjernekraftverket inneholder tre hovedenheter: 1) en reaktorinstallasjon med en arbeidsvæske og hjelpeenheter (varmeveksler-rekuperator og turbogenerator-kompressor); 2) elektrisk rakettfremdriftssystem; 3) kjøleskap-emitter.
Reaktor.
Fra et fysisk synspunkt er dette en kompakt gasskjølt hurtignøytronreaktor.
Drivstoffet som brukes er en forbindelse (dioksyd eller karbonitrid) av uran, men siden utformingen må være svært kompakt, har uranet en høyere anrikning i isotopen 235 enn i brenselstaver i konvensjonelle (sivile) atomkraftverk, kanskje over 20 %. Og skallet deres er en monokrystallinsk legering av ildfaste metaller basert på molybden.
Dette drivstoffet må fungere ved svært høye temperaturer. Derfor var det nødvendig å velge materialer som kunne inneholde negative faktorer assosiert med temperatur, og samtidig la drivstoffet utføre sin hovedfunksjon - å varme opp kjølevæskegassen, som skal brukes til å produsere elektrisitet.
Kjøleskap.
Avkjøling av gass under drift av en kjernefysisk installasjon er helt nødvendig. Hvordan dumpe varme inn verdensrommet? Den eneste muligheten er avkjøling ved stråling. Den oppvarmede overflaten i tomrommet avkjøles, og sender ut elektromagnetiske bølger i et bredt område, inkludert synlig lys. Det unike med prosjektet er bruken av en spesiell kjølevæske - en helium-xenon-blanding. Installasjonen sikrer høy effektivitet.
Motor.
Driftsprinsippet til ionemotoren er som følger. I gassutladningskammeret dannes et forseldet plasma ved hjelp av anoder og en katodeblokk plassert i et magnetfelt. Fra den blir ionene til arbeidsvæsken (xenon eller annet stoff) "trukket" av utslippselektroden og akselerert i gapet mellom den og akselerasjonselektroden.
For å implementere planen ble 17 milliarder rubler lovet mellom 2010 og 2018. Av disse midlene var 7,245 milliarder rubler beregnet på at staten Rosatom skulle lage selve reaktoren. Ytterligere 3,955 milliarder - FSUE "Keldysh Center" for etablering av et kjernekraftverk. Ytterligere 5,8 milliarder rubler vil gå til RSC Energia, der, innenfor samme tidsramme, må det fungerende utseendet til hele transport- og energimodulen dannes.
Etter planene, innen utgangen av 2017, vil et kjernekraftfremdriftssystem være klargjort for å fullføre transport- og energimodulen (interplanetær overføringsmodul). Innen utgangen av 2018 skal kjernekraftverket være klargjort for flyprøver. Prosjektet er finansiert over det føderale budsjettet.
Det er ingen hemmelighet at arbeidet med å lage kjernefysiske rakettmotorer begynte i USA og USSR tilbake på 60-tallet av forrige århundre. Hvor langt har de kommet? Og hvilke problemer møtte du underveis?
Anatoly Koroteev: Faktisk ble arbeidet med bruk av atomenergi i verdensrommet startet og aktivt utført her og i USA på 1960-70-tallet.
Opprinnelig var oppgaven satt til å lage rakettmotorer som, i stedet for den kjemiske energien ved forbrenning av drivstoff og oksidasjonsmiddel, ville bruke oppvarming av hydrogen til en temperatur på rundt 3000 grader. Men det viste seg at en slik direkte vei fortsatt var ineffektiv. Vi er på en kort tid Vi får høy skyvekraft, men sender samtidig ut en stråle, som ved unormal drift av reaktoren kan vise seg å være radioaktivt forurenset.
Noe erfaring ble samlet, men verken vi eller amerikanerne var i stand til å lage pålitelige motorer. De fungerte, men ikke mye, fordi oppvarming av hydrogen til 3000 grader i en atomreaktor er en alvorlig oppgave. I tillegg oppsto miljøproblemer under bakketester av slike motorer, siden radioaktive jetfly ble sluppet ut i atmosfæren. Det er ikke lenger en hemmelighet at slikt arbeid ble utført på Semipalatinsk-teststedet, spesielt forberedt for kjernefysisk testing, som forble i Kasakhstan.
Det vil si at to parametere viste seg å være kritiske - ekstrem temperatur og strålingsutslipp?
Anatoly Koroteev: Generelt, ja. På grunn av disse og noen andre årsaker ble arbeidet i vårt land og i USA stoppet eller suspendert - dette kan vurderes på forskjellige måter. Og det virket urimelig for oss å gjenoppta dem på en slik, vil jeg si, front mot front, for å lage en atommotor med alle de allerede nevnte manglene. Vi foreslo en helt annen tilnærming. Den skiller seg fra den gamle på samme måte som en hybridbil skiller seg fra en vanlig. I en vanlig bil dreier motoren hjulene, men i hybridbiler genereres elektrisitet fra motoren, og denne strømmen snur hjulene. Det vil si at det lages en slags mellomkraftstasjon.
Så vi foreslo en ordning der romreaktoren ikke varmer opp strålen som kastes ut fra den, men genererer elektrisitet. Varm gass fra reaktoren snur turbinen, turbinen snur den elektriske generatoren og kompressoren, som sirkulerer arbeidsvæsken i en lukket sløyfe. Generatoren produserer elektrisitet til plasmamotoren med en spesifikk skyvekraft som er 20 ganger høyere enn for kjemiske analoger.
Vanskelig opplegg. I hovedsak er dette et minikjernekraftverk i verdensrommet. Og hva er fordelene fremfor en ramjet atommotor?
Anatoly Koroteev: Hovedsaken er at strålen som kommer ut av den nye motoren ikke vil være radioaktiv, siden en helt annen arbeidsvæske passerer gjennom reaktoren, som er inneholdt i en lukket krets.
I tillegg, med denne ordningen, trenger vi ikke å varme hydrogen til uoverkommelige verdier: et inert arbeidsfluid sirkulerer i reaktoren, som varmer opp til 1500 grader. Vi gjør ting veldig enkelt for oss selv. Og som et resultat vil vi øke den spesifikke skyvekraften ikke med to ganger, men med 20 ganger sammenlignet med kjemiske motorer.
En annen ting er også viktig: det er ikke behov for komplekse fullskala-tester, som krever infrastrukturen til det tidligere Semipalatinsk-teststedet, spesielt testbenkbasen som er igjen i byen Kurchatov.
I vårt tilfelle kan alle nødvendige tester utføres på russisk territorium, uten å bli dratt inn i lange internasjonale forhandlinger om bruk av atomenergi utenfor ens stats grenser.
Er lignende arbeid på gang i andre land?
Anatoly Koroteev: Jeg hadde et møte med nestlederen for NASA, vi diskuterte spørsmål knyttet til å komme tilbake til arbeid med atomenergi i verdensrommet, og han sa at amerikanerne viser stor interesse for dette.
Det er godt mulig at Kina kan svare med aktive handlinger fra sin side, så vi må jobbe raskt. Og ikke bare for å være et halvt skritt foran noen.
Vi må jobbe raskt, først og fremst, slik at vi ser anstendige ut i det nye internasjonale samarbeidet, og det de facto er under dannelse.
Jeg utelukker ikke at det i nær fremtid kan igangsettes et internasjonalt program for et kjernefysisk romkraftverk, tilsvarende det kontrollerte termonukleære fusjonsprogrammet som nå implementeres.
Denne uken ble det globale vitenskapelige samfunnet rystet av uventede nyheter. Kinesiske forskere har offisielt publisert eksperimentelle bevis på at den elektromagnetiske motoren EmDrive faktisk fungerer. Unik installasjon i stand til for eksempel å flytte et romskip i et vakuum... uten å bruke drivstoff. Så hvorfor trodde mange forskere (og noen gjør det fortsatt) at denne oppfinnelsen var rent kvaksalveri?
Hvordan EmDrive fungerer
Tiangong-2 orbital stasjon, hvor EM-motoren skal testes
Konseptet med et elektromagnetisk fremdriftssystem ble først publisert tilbake i 2002 av det britiske forskningsselskapet Satellite Propulsion Research, grunnlagt av en romfartsingeniør Roger Scheuer. Samtidig ble den første fungerende prototypen av enheten presentert for publikum. Ja, ja, det var de berømte "britiske forskerne" som oppfant den fantastiske motoren, som forårsaket en bølge av skepsis fra det vitenskapelige miljøet.
Faktum er at EmDrive trosser alle eksisterende fysikklover (vi snakket om dette for et år siden). Designet er en magnetron som genererer mikrobølger, samt en høykvalitets resonator - en "bøtte" av metall, en mikrobølgefelle i form av en forseglet kjegle. Magnetron(i hverdagen er det dette som sikrer driften av mikrobølgeovner) er koblet til resonatoren med en høyfrekvent overføringslinje, det vil si en vanlig koaksialkabel. Inn i resonatoren sendes EM-bølgen ut mot begge ender med samme fasehastighet, men med forskjellige gruppehastigheter - dette er ifølge skaperen det som forårsaker effekten.
Hva er forskjellen mellom disse to hastighetene? En gang i et lukket rom begynner elektroner å spre seg i det, og reflekteres fra de indre veggene til resonatoren. Fasehastighet er hastigheten i forhold til den reflekterende overflaten, som faktisk bestemmer hastigheten på elektronbevegelsen. Siden elektronene kommer inn i kammeret fra samme kilde, er denne verdien faktisk den samme for alle. Gruppehastighet, på sin side, representerer hastigheten til elektronene i forhold til endeveggen og øker når de beveger seg fra den smale til den brede delen av kjeglen. Dermed er trykket fra EM-bølgen på den brede veggen til resonatoren ifølge Scheuer større enn på den smale veggen, som skaper skyvekraft.
Motor versus newtonsk fysikk
Så hvorfor er forskere uenige i dette? Hovedklagen til fysikere er at prinsippet om drift av den beskrevne designen er direkte motsier Newtons tredje lov, som sier at "en handling alltid har en lik og motsatt reaksjon, ellers er interaksjonene mellom to kropper på hverandre like og rettet mot motsatte sider" For å si det enkelt, i rommet vi er kjent med, for hver handling er det en reaksjon, lik i styrke, men motsatt i retning. Dette prinsippet forklarer hvorfor alle moderne motorer fungerer, fra jetmotorer (gass pumpes bakover, som driver bilen fremover) til ionemotorer (en stråle av ladede atomer beveger seg i én retning og skipet i en annen). EmDrive har rett og slett ingen utslipp.
Noen hobbyister har satt sammen en miniatyrkopi av EmDrive hjemme
I tillegg forblir flere andre ikke så viktige parametere uklart. For eksempel tok ikke forfatteren av konseptet hensyn til det faktum at EM-bølgen utøver trykk ikke bare på endeveggene, men også på sideveggene til resonatoren. Etter kritikk publiserte Scheuer en ikke-fagfellevurdert artikkel som forklarte hans synspunkt, men eksperter sier at strålingstrykkteorien er mer kompleks enn teorien han presenterte.
Teknologier på grensen til fantasi
I 2013 ble NASA interessert i motoren. Det er ikke overraskende: Hvis EmDrive virkelig fungerer som annonsert, vil det være en reell revolusjon innen romfart. Enheten ble testet i laboratoriet Eagleworks ved Johnson Space Center. Arbeidet ble utført under ledelse av Harold White, og i løpet av deres løp ble det oppnådd et unormalt resultat - en skyvekraft på omtrent 0,0001 N. White mener at en slik resonator kan fungere ved å lage en virtuell plasmatoroid som realiserer skyvekraft ved hjelp av magnetohydrodynamikk under kvante svingninger av vakuumet. Testforholdene ble valgt til å være skånsomme, 50 ganger mindre kraftige enn Scheuers egne eksperimenter. De ble utført på en torsjonspendel med lav kraft, som kan detektere krefter på titalls mikronewton, i et forseglet vakuumkammer i rustfritt stål ved romtemperatur og normalt atmosfærisk trykk.
I dag rapporterte CCTV-2 at kinesiske ingeniører ikke bare har testet den nye motoren med hell romlaboratorium"Tiangong-2" i desember i fjor, men presenterte også materialer som demonstrerer kretsen og driften av EmDrive. I nær fremtid vil installasjonen gå ut i verdensrommet og testes under reelle forhold. Li Feng, sjefdesigner, forklarte at teknologien måtte oppgraderes før den ble skutt inn i romfartøyer. For eksempel, for å holde kjøretøyet i bane, kreves det en skyvekraft på 100 mH til 1H, og dagens design tillater ikke at slik kraft presses ut av motoren. I tillegg vil plasseringen av motoren i en eller annen del av den teoretiske satellitten også påvirke oppvarmingen og skyvekraften.
NASA er sikre på at med en beregnet skyvekraft på 1,2 mN vil installasjonen kunne nå kanten av solsystemet i løpet av bare noen få måneder. Hvis testene lykkes, vil koloniseringen av Mars slutte å være en drøm og vil bli en realitet, som i nær fremtid vil tillate menneskeheten å utforske planetene og de store asteroidene nærmest Jorden.
INTRODUKSJON
To og et halvt tiår skiller oss fra 4. oktober 1957, som var bestemt til å dele menneskehetens historie i to epoker: førkosmisk og kosmisk. I løpet av denne tiden ble en generasjon født og vokste opp som tilegnet seg primær kunnskap om verdensrommet, ikke fra Jules Vernes roman, men fra nesten daglige meldinger fra telegrafbyråer, TV-reportasjer og nyhetsreportasjer. I dag er hundretusenvis av mennesker i laboratorier, forskningssentre, designbyråer, anlegg og fabrikker "engasjert" i verdensrommet i en eller annen grad. Det har lenge sluttet å være en sensasjon, men har blitt veldig nødvendig. Bemannede kjøretøy, romkommunikasjon, meteorologiske satellitter og navigasjonssystemer bestemmer i stor grad vår tids ansikt.
Samtidig er det ikke for ingenting at verdensrommets veier kalles bratte. Ikke alt skjer med dem slik vi ønsker. I løpet av de siste to og et halvt tiårene har ideene om de prioriterte oppgavene til romutforskning endret seg radikalt. Nesten åpenbart, ikke bare for amatører, science fiction-forfattere, men også for spesialister, har "hoved"-linjen for utvikling av astronautikk "Moon - Mars - then everywhere" blitt betydelig forvandlet under hensyntagen til samfunnets behov og evner. En rekke prosjekter, som bemannet flyging til Mars, var på grensen til å være teknisk gjennomførbare med moderne nivå utvikling av romteknologi og samtidig utover grensene for økonomisk akseptable kostnader for disse formålene.
Selve det faktum å nekte å følge "hovedveien" viser at rom- og romindustrien har blitt en svært viktig, ikke bare følelsesmessig og politisk, men også en økonomisk faktor. En ytterligere kostnadsøkning blir berettiget bare dersom det kan forventes en avkastning fra de investerte midlene som dekker en betydelig del av investeringen. Kravet om økonomisk tilbakebetaling for romprogrammer på dette nye stadiet bestemmer i stor grad veien for utviklingen av astronautikk som helhet.
Denne brosjyren prøver å forestille seg mulige måter å utvikle morgendagens romfremdriftssystemer. Naturligvis, i en så kompleks og vanskelig sak som opprettelsen av romressurser, er det alltid mange alternativer for å løse det samme problemet. I tillegg utvides arsenalet av tekniske ideer og evner stadig, og mange av de nye kan på en eller annen måte være bedre enn de som er kjent i dag. Derfor kan de lesere som ønsker å få et klart svar på spørsmålet om hvilke motorer som skal utstyres med romfartøy om 30–50 år, bli skuffet. Brosjyren inneholder ikke et klart svar på dette spørsmålet, og det er neppe mulig i det hele tatt. Her vurderer vi en rekke tradisjonelle og nye ideer og prosjekter innen rommotorer, deres evner og etterlevelse av de oppgavene som i følge dagens ideer vil bli de mest relevante i en ikke veldig fjern fremtid.
Fra synspunktet om utsiktene for romfremdriftsteknikk, kan hovedretningene for utvikling av romteknologi deles inn i fire grupper.
1. Organisering av store laststrømmer (ti- og hundretusenvis av tonn per år) fra jordoverflaten til lave baner. For tiden er disse lastestrømmene omtrent 10 ganger mindre. En betydelig økning i laststrømmene er nødvendig både for å løse fundamentalt nye problemer (spesielt for å skape romteknologisk produksjon og energisystemer), og for å sikre videreføring av forskning i dypt rom.
2. Transport av stor last fra lave til høye baner og tilbake, transport av lignende last fra lav-jordbane til Månen. For de fleste oppgaver er oppskyting av et romfartøy i en referansebane et mellomstadium. Kommunikasjonssatellitter nevnt energisystemer og mange andre romressurser må være plassert i høye baner. Derfor vokser behovet for kostnadseffektive midler for inter-orbitale flyvninger.
3. Raske interplanetære flyvninger.
4. Opprettelse av romfartøy for flygninger utenfor solsystemet, oppskyting av romfartøyer til nærliggende stjerner.
For systematiseringsformål, de som er omtalt i brosjyren rommotorer betinget delt inn i tre grupper: 1) autonom, preget av det faktum at energikilden og arbeidsvæsken er om bord; 2) fremdriftssystemer med eksterne energikilder og 3) fremdriftssystemer som bruker eksterne massekilder som arbeidsfluid.
Den første gruppen inkluderer flytende og andre kjemiske rakettmotorer, kjernefysiske og termonukleære motorer, den andre gruppen inkluderer rommotorer som bruker energien til lasere eller mikrobølgegeneratorer plassert utenfor romfartøyet for å akselerere arbeidsvæsken, samt motorer som i én form eller en annen, bruk solenergi . Til slutt inkluderer den tredje gruppen motorer som bruker atmosfæren, interplanetarisk medium og bergarter fra planeter og asteroider som arbeidsvæske.
AUTONOME MOTORSYSTEMER
Egenskaper til autonome fremdriftssystemer. Rollen til en rakettmotor er å konvertere en eller annen type energi til kinetisk energi raketter. I samsvar med det velkjente prinsippet jet fremdrift denne transformasjonen kan realiseres ved å kassere hjelpemassen, det vil si ved å gi en viss hastighet til motorens arbeidslegeme. Altså må ethvert fremdriftssystem inkludere en energikilde, en kilde til utkastet masse (arbeidsvæsken til motoren) og selve motoren - en enhet der energien til kilden omdannes til den kinetiske energien til arbeidsvæsken.
I noen motorkonstruksjoner kan energikilden og arbeidsvæsken kombineres. For eksempel i flytende rakettmotorer (LPRE) frigjøres energi pga kjemisk reaksjon komponenter i arbeidsvæsken. Hvis energikilden og arbeidsvæsken er plassert om bord på raketten, kalles slike fremdriftssystemer autonome.
Fra loven om energibevaring følger det at minimumsreserven om bord på en rakett må være lik summen av den kinetiske energien til nyttelasten og arbeidet som brukes på å overvinne tyngdekraften og luftmotstanden når raketten skytes opp fra overflaten av raketten. Jord. For eksempel kostnadene ved å fjerne en masse på 1 kg ved oppstart kunstig satellitt til en bane med en høyde på 300 km er 4,5 10 7 J.
Siden akselerering av en energikilde også krever arbeid, er det ønskelig å bruke kilder som har maksimal energifrigjøring per masseenhet. Energi kan lagres i en lang rekke former - mekanisk, elektrisk, magnetisk, kjemisk, kjernefysisk. Energikilder som bruker kjemiske og kjernefysiske reaksjoner har de beste egenskapene.
Spesifikke energier for reaksjoner som for tiden brukes og lovende reaksjoner er gitt i tabell. 1.
Tabell 1
Parametre for energikilder for ulike typer rakettmotorer
| Kilder og reaksjoner brukt | Energifrigjøring, MJ/kg | Utstrømningshastighet, km/s | Spesifikk skyvekraft, s |
| Kjemiske reaksjoner: 1) 2H 2 + O 2 = 2H 2 O | 10 | 4,5 | 456 |
| 2) H2 + F2 = 2HF | 11,5 | 4,8 | 490 |
| Frie radikalreaksjoner (H + H = H 2) | 436 | 29 | 3000 |
| Radioisotopenergikilder (Po 210 -> Rv 206) | 5 10 5 | 10 3 | 10 5 |
| Kjernefisjonsreaksjoner (U 235 -> 2 fragmenter) | 8 10 7 | 12,6 10 3 | 12,8 10 5 |
| Kjernefusjonsreaksjoner (D + T -> He 4 2 + H) | 3,36 10 8 | 2,59 10 4 | 2,64 10 6 |
| Utslettelse av materie (p + + p - -> ?) | 9 10 10 | 3 10 5 | 3 10 7 |
Fra den kan vi konkludere med at for å sende en jordsatellitt som veier 1 kg i bane, ser det ut til at energien som frigjøres under reaksjonen av en oksygen-hydrogenblanding som veier 3,5 kg eller under fisjon av uran-235 som veier 0,5 mg er tilstrekkelig. Imidlertid er fullstendig konvertering av energien som er lagret om bord på raketten til dens kinetiske energi ikke mulig i praksis.
For det første skyldes dette det faktum at effektiviteten av å konvertere lagret energi til kinetisk energi til arbeidsfluidet alltid er mindre enn 100%. En del av energien (i tilfelle av elektriske motorer - mest av) er ubrukelig spredt i rommet i form av termisk stråling, og den andre blir ført bort i form av intern energi til den utstøpte massen (varme, dissosiasjonsenergi, etc.). Disse tapene er preget av effektiviteten til fremdriftssystemet.
For det andre er full bruk av den kinetiske energien til den kastede massen bare mulig i tilfelle dens hastighet er motsatt og lik hastigheten til raketten, dvs. hvis denne massen, etter å ha forlatt motoren, forblir ubevegelig i forhold til rakettens oppskytningspunkt . Tapene forårsaket av forskjellen i de absolutte verdiene av hastighetene til den utkastede massen og raketten er preget av den såkalte trekkrafteffektiviteten.
I fig. Figur 1 viser et energibalansediagram for ulike rakettmotorer. Omtrentlig verdier for relative tap er gitt for den flytende rakettmotoren, så vel som for den elektriske motoren (i parentes).
Ris. 1. Energibalansen til fremdriftssystemet i motorer med flytende drivstoff og elektriske fremdriftsmotorer (i parentes)
Arbeidet som brukes av en rakettmotor for å akselerere en enhetsmasse av raketten har dimensjonen til kvadratet av hastigheten, så det er praktisk å ta en viss karakteristisk hastighet som et mål på dette arbeidet - v x. Når en rakett akselererer i vakuum i fravær av gravitasjonsfelt, faller denne hastigheten sammen med rakettens egen hastighet. Følgelig kan arbeidet som brukes på å akselerere arbeidsvæsken i motoren uttrykkes gjennom hastigheten - den såkalte eksoshastigheten v Og.
Forholdet mellom disse hastighetene, ved en konstant eksoshastighet, er beskrevet av Tsiolkovsky-ligningen v x = v og ln(1 + z), Hvor z- Tsiolkovsky-nummer, lik forholdet mellom massen av arbeidsvæsken lagret om bord på raketten og massen til den "tomme" raketten (inkludert massen til nyttelasten, motoren og strukturen).
Karakteristisk hastighet uttrykkes vanligvis i form av tilsvarende hastigheter på grunn av energien som kreves for å utføre en oppgave. Dette er hastigheten for å forlate tyngdekraftssfæren, banehastigheten og hastigheten på tilnærmingen til planeten, hvis det er målet for flyturen. For å skyte opp en kunstig jordsatellitt, for eksempel, er den karakteristiske hastigheten 9,5 km/s, for å forlate jordens tyngdekraftsfære - 12,5, for interplanetære flyreiser - 30–50 km/s.
Tsiolkovsky-tallet er den viktigste egenskapen til en rakett: for en gitt nyttelastmasse bestemmer det rakettens utskytningsmasse, og derfor er dens verdi så liten som mulig ønskelig. Fra Tsiolkovsky-ligningen følger det at for en gitt karakteristisk hastighet kan Tsiolkovsky-tallet reduseres bare ved å øke eksoshastigheten. Dermed er eksoshastigheten en av hovedkarakteristikkene til motoren, og å øke den er hovedoppgaven med å forbedre rakettmotorer.
Basert på definisjonen av eksoshastigheten for motorer med kombinerte energikilder og kassert masse, når arbeidsvæsken akselereres på grunn av sin indre energi, kan eksoshastigheten enkelt beregnes ved å likestille den kinetiske energien til den kasserte massen med dens indre energi multiplisert med motorens effektivitet. I tabellen 1 viser eksoshastighetene tilsvarende forskjellige reaksjoner med en motorvirkningsgrad på 100%.
I fig. Figur 2 viser en graf over avhengigheten av den karakteristiske hastigheten på eksoshastigheten for forskjellige Tsiolkovsky-tall. Fra en sammenligning av denne grafen med dataene i tabell. 1 kan vi konkludere med at alle romfartsproblemer lett kan løses ved å bruke uran-235 som rakettdrivstoff, for ikke å snakke om deuterium og tritium. Faktisk, for en karakteristisk hastighet på 50 km/s som kreves for å fly til planetene, er Tsiolkovsky-tallet ved eksoshastigheten som tilsvarer fisjonsenergien til uran lik 5,5 10 –3. Selv med en motorvirkningsgrad på 1 % vil forholdet mellom uranmasse og rakettmasse kun være 0,056.
For å oppnå den beregnede eksoshastigheten må imidlertid alle uranatomer reagere i motoren. Siden for å utføre en selvopprettholdende kjernefysisk fisjonsreaksjon kreves det en masse spaltbart materiale som ikke er mindre enn den såkalte kritiske massen (for uran, ca. 1 kg), da vil en enorm energi på 10 13 J frigjøres i motoren på ca 10 –6 s. Overgangen av selv en del av denne energien til den kinetiske energien til en rakett på så kort tid tilsvarer ekstremt store akselerasjoner, og derfor til overbelastninger som ingen rakettdesign tåler. I tillegg har reaksjonsproduktene en temperatur på mer enn 50 millioner K, og deres interaksjon med motorveggene vil føre til termisk ødeleggelse.
Ris. 2. Avhengighet av den karakteristiske hastigheten på eksoshastigheten for forskjellige Tsiolkovsky-tall
Ved en langsom, kontrollert kjernefysisk reaksjon, som finner sted i atomreaktorer, mister fisjonsfragmenter energi i kollisjoner med atomer som ennå ikke har reagert, hvis konsentrasjon er flere størrelsesordener større, og generelt får alt spaltbart materiale. energi mye mindre enn den spesifikke energien til kjernereaksjonen. Det er ulønnsomt å bruke denne energien til å skape utstrømningshastigheten til selve det spaltbare stoffet, siden for mye energi vil gå tapt i form av intern energi til ureagerte kjerner, og følgelig vil effektiviteten til motoren være uakseptabelt lav.
På grunn av disse begrensningene innebærer bruken av kjernefysiske reaksjoner i rakettmotorer primært overføring av energi til en nøytral masse lagret om bord på raketten, det vil si at energikildene og utkastet masse skilles.
Det skal bemerkes følgende grunnleggende forskjell i eksoshastighetskravene for slike motorer og for motorer hvor arbeidsfluidet også er en energikilde. Flymodusen med en konstant eksoshastighet, beskrevet av Tsiolkovsky-ligningen, er ikke gunstig med tanke på trykktap (skyveeffektiviteten er 100 % bare på det punktet av banen hvor eksoshastigheten er lik raketthastigheten) . Faktisk, som følger av fig. 1, for en typisk motor med konstant eksoshastighet (CLRE), utgjør tap assosiert med den kinetiske energien til den utkastede massen omtrent halvparten av alle tap.
Men fra analysen av ligningene for rakettbevegelse følger det at for motorer som bruker indre energi arbeidsvæske, ved maksimal mulig eksoshastighet for en gitt motor, sikres minimumsverdien av Tsiolkovsky-tallet uavhengig av verdien av den karakteristiske hastigheten. I motorer med separate energikilder og kassert masse er akselerasjonsmodusen til raketter med konstant eksoshastighet ikke lenger optimal, og å øke skyveeffektiviteten kan forbedre rakettens egenskaper betydelig. Eksoshastigheten bør i dette tilfellet øke proporsjonalt med raketthastigheten.
Avhengighetene som beskriver spesifikke verdier for utstrømningshastigheten er ganske komplekse, og vi vil ikke dvele ved dem. I tillegg er motorer med variabel eksoshastighet vanskelig å implementere i praksis. Derfor er det tilrådelig å karakterisere motorer med separerte energikilder og kassert masse med en viss gjennomsnittlig eksoshastighet. Minste energireserve om bord på raketten (karakterisert for eksempel av massen av uran-235) oppnås ved en eksoshastighet lik omtrent 62 % av den karakteristiske hastigheten og et Tsiolkovsky-tall lik 4. Og omvendt, hvis energireserven om bord og den karakteristiske hastigheten er gitt, da tilsvarer denne optimale verdien av eksoshastigheten rakettens maksimalt mulige nyttelast.
Det følger at i motorer med separate energikilder og utstøpt masse, bør eksoshastigheten ikke overstige den optimale verdien bestemt av den spesifikke oppgaven med romflukt. Denne posisjonen motsier ikke uttalelsen ovenfor om ønsket om å øke eksoshastigheten ved utvikling av nye motorer, siden for de fleste oppgaver i eksisterende motorkonstruksjoner er den optimale eksoshastigheten ennå ikke oppnådd.
I noen tilfeller, selv for motorer som bruker den indre energien til arbeidsvæsken, er det fordelaktig å redusere eksoshastigheten ved å legge til passiv masse. For eksempel må en rakett med en rakettmotor som forlater månen gi nyttelasten en karakteristisk hastighet på omtrent 2,5 km/s. Den optimale eksoshastigheten for denne oppgaven er 1,6 km/s (0,62 v x). Den flytende drivstoffmotoren har betydelig høyere hastighet utstrømning, og derfor viser det seg å være fordelaktig å redusere den til optimal ved å tilsette månestøv til arbeidsvæsken (fortrinnsvis de komponentene som fordamper ved driftstemperaturen til motoren), hvis raketten har tomme tanker som ble tømt under landingen. på månen. Som et resultat av denne operasjonen kan nyttelasten økes med 20–50 %, avhengig av typen rakettdrivstoff.
Ris. 3. Klassifisering av autonome motorer
En annen viktig parameter som rakettmotorer sammenlignes med er skyvekraft, det vil si kraften som skapes av motoren for å akselerere rakettene. Mengden skyvekraft er lik produktet av det andre forbruket av den utkastede massen (motorens arbeidsvæske) og eksoshastigheten. Basert på denne parameteren skilles det mellom motorer med høy skyvekraft, når skyvekraften overstiger rakettens vekt og sistnevnte kan skyte opp fra jordoverflaten, og motorer med lav kraft, kun egnet for oppskyting fra en satellittbane. .
Inndelingen i motorer med lav og høy skyvekraft er direkte relatert til en annen parameter - motorens spesifikke masse, lik forholdet mellom vekten til motoren og skyvekraften den utvikler. Naturligvis bør motorer med en egenvekt større enn én klassifiseres som lavkraftmotorer.
La oss nå vurdere lovende ordninger for autonome motorer, samt måter å forbedre eksisterende ordninger på fra synspunktet om å forbedre de vurderte parametrene, og først og fremst eksoshastigheten. Men først bemerker vi at i henhold til metoden for å konvertere energi til kinetisk energi av den kastede massen, kan to hovedklasser av rakettmotorer skilles - termisk og elektrisk (fig. 3). I tillegg kommer eksplosive, fotoniske, etc. motorer.
Varmemotorer. Hovedmekanismen for energikonvertering i varmemotorer, som i alle varmemotorer (gassturbiner, forbrenningsmotorer), er utvidelsen av gass, forhåndskomprimert og oppvarmet til høy temperatur. Enheten som utfører denne transformasjonen er en jetdyse (en profilert kanal med variabelt tverrsnitt), gjennom hvilken arbeidsfluidet strømmer inn i det ytre rommet.
Strømningshastigheten ved dyseutgangen er direkte proporsjonal med kvadratroten av temperaturen til arbeidsfluidet og omvendt proporsjonal med molekylvekten. Termodynamisk effektivitet av dysen som en varme-. Maskinens COMBAT bestemmes av forskjellen i gasstemperatur ved innløpet og utløpet av dysen, som igjen avhenger av det relative trykkfallet, dvs. avhenger av graden av gassekspansjon. Graden av gassutvidelse er begrenset av motorens størrelse og vekt, og derfor overstiger ikke den termodynamiske effektiviteten i ekte design 60–70%.
Dermed er det bare to muligheter for å forbedre egenskapene til termiske rakettmotorer - å øke temperaturen på arbeidsvæsken og redusere dens molekylvekt.
Begrenser kapasiteten til kjemiske motorer. I varmemotorer som bruker energien fra kjemiske reaksjoner, som inkluderer rakettmotorer med flytende drivstoff og rakettmotorer med fast drivstoff (rakettmotorer med fast drivstoff), som er mye brukt i dag, dannes arbeidsvæsken som et resultat av reaksjonen mellom drivstoff med en oksidasjonsmiddel. Temperaturen til arbeidsfluidet bestemmes av reaksjonsvarmen, og molekylvekten bestemmes av molekylvekten til reaksjonsproduktene. Oppgitt i tabell. 1 kjemiske reaksjoner gir det optimale forholdet mellom molekylvekt og temperatur med tanke på å oppnå den høyeste strømningshastigheten.
For tiden har kjemiske rakettmotorer nesten nådd grensen for optimal ytelse. De mest optimale reaksjonene med oksygen som oksidasjonsmiddel har vært mestret i lang tid: oksygen-parafin og hydrogen-oksygen-motorer har blitt brukt i romteknologi i mange år. En viss forbedring i ytelse kan oppnås ved å bruke fluorholdige oksidasjonsmidler. Men siden fluor er et kjemisk svært aggressivt stoff, er det lite sannsynlig at den relativt lille gevinsten i spesifikk skyvekraft, som kan rettferdiggjøre bruken av dette kjemiske elementet, rettferdiggjør driftsulemper.
Den mest radikale måten å forbedre ytelsen til kjemiske motorer på er bruken av frie radikal-rekombinasjonsreaksjoner. Et fritt radikal er et elektrisk nøytralt atom eller gruppe av atomer med en ustabil tilstand av elektronskallet, som oppnås som et resultat av dissosiasjonen av molekylære forbindelser. For eksempel, i reaksjonen H2O -> OH + H, er hydroksylresten og atomisk hydrogen radikaler. Reaksjonen som produserer hydrogenmolekylet H + H -> H 2 har høyest energi (den spesifikke energien til denne reaksjonen tilsvarer en utstrømningshastighet på ca. 30 km/s).
På grunn av den høye tendensen til frie radikaler til å smelte sammen til et stabilt molekyl, er akkumulering og lagring av dem bare mulig ved temperaturer nær 0 K, når hastigheten på kjemiske reaksjoner reduseres kraftig. Men selv ved 0 K er det fortsatt mulighet for såkalte tunnelreaksjoner. Derfor kan ikke frie radikaler lagres i sin rene form. Det er ment å fryse radikaler inn i en nøytral matrise (for eksempel plassere atomisk hydrogen i et krystallgitter av fast hydrogen), mens konsentrasjonen av frie radikaler i prinsippet ikke kan overstige 50%.
Selv en blanding på 10 % atomært hydrogen og 90 % molekylært hydrogen vil gjøre det mulig å oppnå en utstrømningshastighet på ca. 5 km/s ved en temperatur på bare 1200 K. I mer enn 20 års arbeid med dette problemet var det mulig å oppnå en konsentrasjon av frie radikaler som ikke over tideler av en prosent. Fordelene som frie radikaler kan gi er imidlertid oppmuntrende til videre forskning.
Kjernefysiske termiske motorer. Mest lovende retning Bruken av kjernefysisk reaksjonsenergi ser ut til å forbedre egenskapene til termiske rakettmotorer. Som allerede angitt, er det tilrådelig å bruke kjernefysiske reaksjoner bare i ordninger med separerte energikilder og kassert masse. Kjernebrensel fungerer her som en varmekilde, som overføres til arbeidsvæsken.
I den enkleste kjernefysiske rakettmotoren, som i reaktorene til atomkraftverk, består kjernen av brenselelementer, som er forbindelser av uran eller plutonium innelukket i et skall. Som et resultat av det kjernefysiske forfallet av drivstoffet, varmes de opp. Det flytende arbeidsfluidet tilføres kjernen ved hjelp av pumper, hvor det, tar varme fra kjernen, fordamper, temperaturen stiger og hastigheten øker i jetdysen.
Den høyeste temperaturen på arbeidsfluidet er begrenset av smeltetemperaturen til brenselelementene, og tatt i betraktning den nødvendige temperaturforskjellen (for varmeoverføring) og den kjemiske motstanden til materialer, kan den ikke overstige 2000 K. Siden i kjemiske motorer temperaturen av arbeidsvæsken er 3000–3500 K, den eneste måten å øke eksoshastigheten på er i atommotorer med en solid kjerne, sammenlignet med kjemiske motorer er det en reduksjon i molekylvekten til arbeidsvæsken. Hydrogen har minimum molekylvekt (2 g/mol), og det er mulig å oppnå en utstrømningshastighet på 8–9,5 km/s. Dette er den øvre grensen for kjernefysiske termiske rakettmotorer med solid kjerne. Egenskaper nær disse verdiene ble oppnådd i USA ved bruk av den eksperimentelle atommotoren Nerva.
For ytterligere å øke temperaturen på arbeidsfluidet i kjernefysiske motorer, er en overgang til reaktorer der det spaltbare materialet er i gassfase nødvendig. Utviklingen av disse gassfase-atomreaktorene byr imidlertid på en rekke utfordringer. For en selvopprettholdende kjernefysisk reaksjon er det nødvendig at massen av kjernebrensel involvert i reaksjonen ikke er mindre enn den kritiske massen. Siden tettheten av kjernebrensel i gassfasen ved høye temperaturer er lav, trengs høye trykk og store kjernevolum for å oppnå kritisk masse.
Det andre vanskelige problemet i utviklingen av gassfasereaktorer er fjerning av ureagert kjernebrensel sammen med arbeidsfluidet, noe som i stor grad reduserer rakettens energiegenskaper.
Avhengig av om arbeidsvæsken er blandet med kjernebrensel eller separert fra det, er det ordninger med henholdsvis homogene og heterogene motorer. Den grunnleggende ulempen med homogene ordninger, som setter spørsmålstegn ved deres gjennomførbarhet, er den store fjerningen av uran sammen med arbeidsvæsken - omtrent 100 kg per 1 tonn arbeidsvæske.
I heterogene ordninger er det mulig å redusere fjerningen av kjernebrensel betydelig eller til og med redusere det til null. Et sterkt magnetfelt skapes i reaktorvolumet ved hjelp av solenoider, som øker mot kantene. Feltkonfigurasjonen i dette tilfellet danner en såkalt magnetisk "flaske". En magnetisk "flaske" har egenskapen at et stoff i plasmatilstand kan holdes i den i ganske lang tid uten tilstedeværelse av solide vegger. Som et resultat av kjernefysiske reaksjoner blir uran til en plasmatilstand og et magnetfelt hindrer det i å blande seg med arbeidsvæsken (hydrogen). Sistnevnte strømmer rundt en magnetisk "flaske" med kjernebrensel og tar bort varme fra den. For å hindre at blanding oppstår, må betingelsen om laminær strømning være oppfylt. I dette tilfellet er effektiv varmeveksling mellom den aktive sonen og arbeidsfluidet bare mulig ved stråling. Siden hydrogen er gjennomsiktig for stråling fra uranplasma, tilsettes litium til det i en mengde på 1–2 %, som, når det ioniseres, absorberer stråling sterkt. I et slikt opplegg forventes det å oppnå en eksoshastighet på 20–30 km/s med en uranfjerning på mindre enn 2 % i forhold til strømningshastigheten til arbeidsvæsken.
Ordninger med gassfasemotorer der det ikke er fjerning av spaltbart materiale i det hele tatt, studeres også. Diagrammet over drivstoffelementet til en slik motor er vist i fig. 4. Motoren er en dobbeltvegget kapsel laget av et gjennomsiktig, ildfast materiale (for eksempel leukosafir). Et spaltbart stoff er plassert inne i kapselen, som er i gassfase under driftsforhold. Hydrogen pumpes mellom veggene for å avkjøle dem. Siden både veggene og hydrogen er gjennomsiktige for stråling, går den frigjorte kjerneenergien i form av stråling ut, hvor den varmer opp det samme hydrogenet, men med litiumtilsetninger. Reaktorkjernen er satt sammen av slike brenselelementer.
Gjennomføringen av denne ordningen hemmes av mangel på passende materialer for gjennomsiktige vegger som er motstandsdyktige mot kontakt med gassformig uran under forhold med høye temperaturer og høye strålingsflukser.
Ved å begrense plasma i en magnetisk "flaske", er det mulig å implementere en termonukleær motor ved hjelp av kjernefusjonsreaksjonen. Imidlertid anses pulserende ordninger, som vil bli diskutert litt senere, som mer lovende måter å bruke termonukleær fusjon på.
Ris. 4. Kjernecelle i en heterogen gass kjernefysisk fremdriftsmotor: 1 - safirvegger, 2 - uranplasma, 3 - arbeidsvæske
Elektriske jetmotorer. En elektrisk jetmotor er en enhet for å konvertere elektrisk energi generert om bord på en rakett til kinetisk energi av utkastet masse. Den enkleste konverteringsmetoden utføres i såkalte elektrotermiske motorer, når arbeidsvæsken varmes opp av elektrisk strøm og deretter akselereres i en jetdyse, som i konvensjonelle varmemotorer.
Selv om svært høye temperaturer kan oppnås med elektrisk oppvarming, foretrekkes motorer med elektromagnetisk akselerasjon av arbeidsfluidet. I slike motorer blir energien til det elektromagnetiske feltet omdannet til kinetisk energi, og derfor er det ingen termodynamiske begrensninger på verdien av eksoshastigheten og effektiviteten til energiomformingen.
Basert på de elektromagnetiske kreftene som brukes til å akselerere arbeidsvæsken, skilles ion-, plasma- og høyfrekvente motorer ut. I ionemotorer oppstår akselerasjon på grunn av samspillet mellom det elektriske feltet med ioner eller ladede makropartikler i arbeidsfluidet. Plasmamotorer bruker samspillet mellom strøm og et magnetfelt. Til slutt, i en høyfrekvent motor, utføres akselerasjon av feltet til en bevegelig elektromagnetisk bølge. I elektriske motorer er det relativt enkelt å oppnå vilkårlig høye eksoshastigheter, opp til hastigheter nær lyshastigheten (for eksempel hvis partikkelakseleratorer brukes som motor).
På grunn av mangelen på lette lagringsenheter for elektrisk energi (batterier), gir bruken av prinsippet om elektromagnetisk akselerasjon bare mening i kombinasjon med konvertering av kjerneenergi til elektrisk energi. Foreløpig er ingen effektive direkte metoder for slik konvertering kjent, og derfor vurderes bruken av autonome elektriske motorer alltid i kombinasjon med et ombord kjernekraftverk som opererer på en termisk syklus.
Grunnskjemaet for et romkraftverk inkluderer, som ethvert bakkebasert kraftverk, en varmekilde (i dette tilfellet en atomreaktor), en varmemotor (som konverterer den tilførte varmen til elektrisitet) og et kjøleskap (en enhet som fjerner spillvarme). Den viktigste forskjellen mellom romkraftverk og deres bakkebaserte motparter er metoden for varmefjerning. I verdensrommet kan varme bare frigjøres ved stråling.
Hvor alvorlig denne omstendigheten er, kan man forestille seg fra følgende eksempel. For å utstråle varme på 1 kW ved en gjennomsnittlig varmeutslippstemperatur i bakkebaserte kraftverk på 50 °C, kreves et utstrålende overflateareal på kjøleskapet på 1,64 m 2. For en elektrisk motor med en effekt på 100 kW, som tilsvarer kraften til en rakettmotor med flytende drivstoff med en skyvekraft på bare ca. 30 kgf, og en total effektivitet av fremdriftssystemet på 20 % ved samme temperatur, et kjøleskap med et areal på 1300 m 2 vil være nødvendig.
Energien som slippes ut per overflateenhet er proporsjonal med temperaturens fjerde potens, og derfor er det nødvendig å øke temperaturen for å redusere kjøleskapets areal. Siden virkningsgraden til et kraftverk som varmemotor er proporsjonal med temperaturforskjellen mellom varmekilden og kjøleskapet, er en tilsvarende økning i kildens temperatur nødvendig for å opprettholde virkningsgradsverdien.
Dermed, felles oppgaveå øke effektiviteten til både termiske og elektriske motorer er etableringen av en høytemperaturreaktor. Romenergibehov har drevet intens forskning på direkte varme-til-elektrisitetskonvertering ved høy temperatur.
Termionomformere (TEC) viste seg å være de mest lovende konverteringssystemene for rominstallasjoner. Driftsprinsippet til TEC er illustrert i fig. 5, hvor TEC er en diode, hvis interelektrodegap er fylt med cesiumdamp. Ved høye temperaturer avgir katoden elektroner, som kondenserer på anoden, og lader den til et negativt potensial i forhold til katoden. Som et resultat oppstår det en potensialforskjell mellom katoden og anoden, og når de kortsluttes til lasten, flyter det en elektrisk strøm i kretsen.
Avkjølingen av katoden, forårsaket av "fordampning" av elektroner og tap på grunn av stråling, kompenseres av tilførselen av varme fra atomreaktoren. Varmen som frigjøres ved anoden som følge av elektronkondensasjon og stråleoppvarming fra katoden fjernes av kjølevæsken eller direkte ved stråling ut i verdensrommet.
Ris. 5. Skjematisk diagram av en termionisk omformer av termisk energi til elektrisk energi: 1 - katode, 2 - interelektrodegap fylt med cesiumdamp, 3 - anode, 4 - last
En termionomformer med wolframkatode kan operere ved en katodetemperatur på opptil 2500 K og en anodetemperatur på 1000–1400 K med en effekttetthet på 5 til 40 W/cm2 med en virkningsgrad på opptil 25 %. Ulempen med TEC er dens lave driftsspenning (ca. 0,5 V), og derfor brukes en seriekobling av elementer.
Teoretisk sett bør varmeavgivelsestemperaturen, optimal sett med tanke på størrelsen på kjøleskapet, være 75 % av temperaturen til varmekilden. Gitt temperaturrestriksjonene som pålegges av en faststoffreaktor, vil kjøleemitteren alltid være, om ikke den tyngste, så den mest tungvinte delen av et romkraftverk. For at et kjøleskap skal fungere effektivt, må overflaten ha en temperatur nær den nedre temperaturen i den termiske syklusen.
Dette kan ikke oppnås gjennom materialers naturlige varmeledningsevne; tvungen varmeoverføring er nødvendig ved å sirkulere en flytende eller gassformig kjølevæske. I dette tilfellet oppstår ytterligere energitap for å pumpe kjølevæsken, og installasjonen viser seg å være svært sårbar for meteorittnedbrytning. Med store overflater av kjøleskapet øker sannsynligheten for at en meteoritt treffer en størrelse som er tilstrekkelig til å ødelegge veggen til kjølevæskekanalen, kraftig, noe som vil føre til trykkavlastning og feil i installasjonen.
Den mest vellykkede designløsningen for å omgå disse problemene (krafttap og meteorittnedbrytning) er bruken av varmerør. Et varmerør er en kanal med en sirkulerende kjølevæske, på de indre veggene av hvilken det er en såkalt veke (i det enkleste tilfellet et finmasket nett) med et gap. Det tidligere evakuerte røret fylles med væske i tilstrekkelig mengde til å fylle gapet mellom veken og rørveggen, hvor det deretter holdes av kapillærkrefter.
Et varmerør har varme-, varmeoverførings- og kjølingssoner. I et radiatorkjøleskap kombineres vanligvis de to siste sonene. Varmen som tilføres til oppvarmingssonen fordamper væsken, hvis damp passerer gjennom vekehullene inn i det indre rommet av røret og skynder seg til kjølesonen. Der kondenserer væsken med overføring av kondensasjonsvarme til rørveggene, hvorfra den fjernes ved stråling. Væsken som dannes som følge av kondens føres tilbake av kapillærkrefter som skapes i veken og i spalten mellom veken og rørveggen tilbake til varmesonen.
Denne varmeoverføringsprosessen er så effektiv at det nå er testet rør som overfører en varmefluks på 10 kW for hver 1 cm 2 rørtverrsnitt over en avstand på flere meter med en temperaturforskjell mellom endene på rør på mindre enn 0,01 K. Dette tilsvarer varmeoverføringen av en solid stang med varmeledningskoeffisient, flere tusen ganger høyere enn den tilsvarende verdien for kobber. Bare systemer med flytende metallkjølevæske kan konkurrere med varmerør når det gjelder varmetransportevne, men de krever arbeidskostnader for pumping.
Ris. 6. Diagram av en støvkjøleemitter: 1 - pumpe, 2 - varmeveksler, 3 - ferromagnetisk støv, 4 - solenoidvikling, 5 - magnetiske feltlinjer
Overflaten til radiatorkjøleskapet er satt sammen av varmerør. Varmetilførselssonen kan enten være i direkte kontakt med den avkjølte enheten, eller vaskes av en mellomkjølevæske. Siden mange varmerør må brukes for å lage en utstrålende overflate, og kanalene deres ikke kan kobles til hverandre, vil skade på ett eller flere rør av en meteoritt kun ha en mindre effekt på driften av hele installasjonen.
Varmefrigjøringsordninger er mulig når kjølevæsken er ferromagnetisk støv (fig. 6), som pumpes gjennom en varmeveksler, fjerner spillvarme fra kraftverket og slippes ut i det ytre rommet. Der blir de fanget og returnert igjen til pumpeinnløpet. I et magnetfelt står ferromagnetiske partikler, som låser seg i hverandre, på linje med hverandre strømledninger, og skaper et utstrålende skall. Hvis den magnetiske permeabiliteten til støvstoffet er tilstrekkelig, er hele det ytre magnetfeltet konsentrert i dette skallet og dets ubrukelige spredning oppstår ikke.
Fordelen med denne typen kjøleemitter er dens fullstendige usårbarhet for skader fra meteoritter, så vel som dens lille størrelse når kraftverket transporteres fra jordoverflaten til satellittbane, siden støvet i dette tilfellet kan være inneholdt i en liten beholder. Foreløpig er denne ordningen fortsatt i det teoretiske utviklingsstadiet. Implementeringen hemmes av mangelen på lys og økonomiske magnetfeltkilder.
Pulsmotorer basert på mikroeksplosjoner og en fotonmotor. Driftsprinsippet for pulserte kjernefysiske rakettmotorer (PNU), hvis diagrammer er vist i fig. 7, EN Og b, består i det faktum at periodiske kjernefysiske eller termonukleære eksplosjoner utføres over overflaten av en massiv reflektor. De essensielle elementene i den kjernefysiske rakettmotoren er en kilde til magnetfelt, som hindrer ladede reaksjonsprodukter fra å komme inn i overflaten av reflektoren, og en demper, som tjener til å jevne ut impulsbelastningen som overføres til raketten.
Typisk, i slike motorer, som et resultat av en eksplosjon, fordamper enten reflektormaterialet eller arbeidsfluidet som tilføres til overflaten av reflektoren. I tillegg, for å forbedre betingelsene for en kjernefysisk reaksjon, øke andelen av reagerte atomer og redusere eksplosjonstemperaturen, er atomladningen innelukket i et tilstrekkelig tykt skall av passivt materiale. Som et resultat vil den utkastede massen hovedsakelig bestå av stoffer som ikke deltar i reaksjonen (hydrogen, litium, etc.), og eksoshastigheten i slike motorer er begrenset til 100 km/s.
Hvis det blir funnet tilfredsstillende tekniske løsninger for å avkjøle reflektoren uten å fordampe materialet og det er mulig å utføre en kjernefysisk reaksjon uten dannelse av et skall som omgir ladningen, kan eksoshastighetene i slike motorer nærme seg teoretisk mulige verdier - 10 5 km/s. Samtidig vil kjernefysiske fremdriftsmotorer ha lavere egenvekt enn elektriske motorer, fordi andelen varme som fjernes vil være betydelig mindre (for elektriske motorer er det 75–90 % av kraften til en kjernefysisk installasjon), og varmeveksling kan utføres ved høyere temperatur. Som et resultat vil arealet og følgelig massen til kjøleemitteren være betydelig mindre.
Ris. 7. Pulsmotorkretser (EN - på transuranelementer,b - termonukleær motor): 1 - romfartøy, 2 - demper, 3 - forsyningssystem for kjernebrensel, 4 - reflektor, 5 - eksplosjonssone, 6 - energikonverteringssystem, 7 - vikling for å skape et magnetfelt, 8 - reaksjonstenningssystem ( ladede partikkelakseleratorer eller lasere)
For kjernefysiske fisjonsreaksjoner er hovedproblemet å redusere massen av kjernebrensel som kreves for en selvopprettholdende kjernefysisk reaksjon (kritisk masse). For det for tiden mye brukte kjernebrenselet av uran-235 og plutonium er den kritiske massen så stor (for eksempel 1 og 3 kg) at på grunn av den for store energien som frigjøres under eksplosjonen av en slik masse, direkte bruk av disse elementene i atomreaktorer er unntatt.
Den kritiske massen kan reduseres betydelig enten ved å øke tettheten til det spaltbare materialet ved å komprimere det med et trykk på 10 14 - 10 15 Pa, eller ved å flytte til kjemiske elementer med store atommasser - transuranelementer. Moderne teknologi lar deg lage pulstrykk av nødvendig størrelse, men dette er bare mulig når du bruker komplekse og tunge enheter, som er mer hensiktsmessig å bruke for syntesereaksjoner. Derfor kan bare transuranelementer (primært californium-252) brukes som drivstoff i kjernefysiske fisjonsmotorer.
Den kritiske massen til californium er omtrent 7 g, og en eksplosjon av en slik masse frigjør 10 10 J. Et diagram over en motor som bruker californium er vist i fig. 7, EN. I den, ved hjelp av spesielle akseleratorer plassert i periferien av reflektoren, avfyres californium-partikler, som samtidig kolliderer og danner en kritisk masse, og starter en atomeksplosjon. På grunn av kompresjonen som oppstår under partikkelkollisjoner, kan dessuten den kritiske massen reduseres med 1,5–2 ganger. Eksplosjoner gjentas til raketten når den nødvendige hastigheten: for å akselerere en rakett med en sluttmasse på 100 tonn til en hastighet på 10 km/s, trengs flere kilo californium.
Imidlertid har motorer som bruker transuranelementer, til tross for deres grunnleggende enkelhet, en rekke betydelige ulemper og kan neppe implementeres i nær fremtid. Californium er veldig dyrt, det finnes ikke i naturen og oppnås ved å bestråle tunge grunnstoffer i protonakseleratorer eller kraftige nøytronstråler. Samtidig er det nyttige utbyttet av californium svært lite, og for eksempel var produksjonen av californium i USA på 60-tallet bare rundt 1 g per år. Siden halveringstiden til California-252 er 2,5 år, er det på dette produksjonsnivået generelt umulig å akkumulere en kritisk masse.
Og til slutt, hvis den nødvendige mengden californium oppnås, kan den bare lagres på raketten i form av små partikler atskilt av en stor mengde nøytronabsorber, noe som øker motorens masse. I tillegg produserer eksplosjonen av transuranelementer tunge fisjonsfragmenter, som er vanskelige å beholde av magnetfeltet til reflektoren, og et stort antall nøytroner som praktisk talt ikke samhandler med magnetfeltet. Som et resultat blir avkjøling av motorstrukturen et vanskelig problem.
Reserven av californium kan reduseres noe dersom uran tilføres eksplosjonssonen i omtrent samme mengder som californium etter et tidsintervall på 10–6 – 10–5 s. I dette tilfellet vil uran brenne ut i nøytronfluksen skapt av californium-eksplosjonen. Deretter, etter samme tidsintervall, kan neste porsjon uran tilføres. På denne måten vil en kaskadereaksjon bli organisert, men den blir dempet og etter 3–5 sykluser er det nødvendig å eksplodere californium igjen.
Mer lovende kan være bruken av californium for å sette i gang en termonukleær reaksjon. I dette tilfellet brukes californium bare en gang, og deretter blir deler av termonukleært brensel (for eksempel en deuterium-tritium-blanding) kontinuerlig matet inn i reaksjonssonen. Termonukleært drivstoff er uforlignelig billigere enn California og økonomiske krefter vil ikke spille en så betydelig rolle i utviklingen av en slik motor. I tillegg produserer den termonukleære reaksjonen lette elementer, noe som i stor grad forenkler den termiske beskyttelsen av reflektoren.
Men selv om vi ignorerer problemet med å levere termonukleært brensel til forbrenningssonen, vil minimumsnivået for kontinuerlig kraft for å utføre denne selvopprettholdende reaksjonen være 10 14 W. Dette er mer enn 1000 ganger større enn kraften til Saturn 5-rakettmotorene. Ved en eksoshastighet på 10 3 km/s vil en slik motor ha en skyvekraft på 10 000 tf. Og følgelig blir problemer med varmespredning ved nødvendig effektnivå ekstremt vanskelig å løse. Hvis vi antar at bare 0,1% av energien frigjøres i motorens strukturelle elementer, vil det være nødvendig med et kjøleskap-radiator med et areal på 10 000 m 2 for å fjerne en slik mengde.
Med termisk fjerning ved bruk av en arbeidsvæske, vil eksoshastigheten reduseres med 3 ganger, og følgelig vil skyvekraften øke til 30 000 tf. For å skape en slik skyvekraft vil det være nødvendig med en strømningshastighet for arbeidsfluid på 1000 kg/s. En rakett på 10 000 tonn med en slik motor kunne nå en hastighet på 100 km/s på litt over 1 time.
Imidlertid ser motordesign med termonukleære mikroeksplosjoner ut til å være nærmere implementering. Disse motorene har blitt diskutert ganske mye i pressen, og flere konseptuelle design av disse motorene har blitt publisert. Essensen av termonukleære mikroeksplosjoner er den såkalte treghetsplasma innesperringen, når reaksjonen rekker å skje før det oppvarmede termonukleære brenselet spres under påvirkning av de høye temperaturene som er nødvendige for å antenne den termonukleære reaksjonen.
I det tidligere nevnte opplegget for en stasjonær termonukleær reaktor, er det viktigste og fortsatt uløste problemet inneslutningen av varmt plasma av et magnetisk felt. For å oppnå en kontrollert termonukleær reaksjon ved en temperatur på flere millioner grader, må Lawson-kriteriet være oppfylt n? >=10 14 , hvor n- partikkelkonsentrasjon (antall atomer i 1 cm 3), ikke sant? - tid. Med treghets innesperring er Lawsons kriterium tilfredsstilt på grunn av en kraftig økning i konsentrasjonen, som et resultat av at tiden som kreves for at den termonukleære reaksjonen skal skje, reduseres med samme mengde.
Dette oppnås ved symmetrisk pulserende bestråling av et lite mål av kjernebrensel, ved å bruke stråling fra en kraftig laser eller høyintensitetsstrømmer av ladede partikler (elektroner og ioner). Dessuten bør energistrømmen under pulsen øke kraftig. Som et resultat av bestråling oppstår intens fordampning av overflatelaget til målet, den såkalte ablasjonen. De fordampende partiklene får høy hastighet og, akkurat som det skjer i jetmotorer, skaper de en rekylimpuls, som fører til utvikling av et enormt trykk som når mange milliarder pascal.
Ablasjonseffekten forsterkes kraftig av den konvergerende sjokkbølgen; som et resultat, i midten av målet, øker drivstofftettheten flere tusen ganger, og trykket når en verdi som tilsvarer trykket i sentrum av stjerner (omtrent 10 16 Pa). I dette tilfellet varmes det termonukleære brenselet opp og betingelser for at en termonukleær reaksjon kan oppstå.
For å gjennomføre en mikroeksplosjon er det tilstrekkelig med mål med en masse på bare 0,001 - 0,01 g. En slik masse tilsvarer en mikroeksplosjonsenergi på 10 8 - 10 10 J. Omtrent 80 % av målstoffet føres bort som følge av ablasjon og deltar ikke i reaksjonen; i tillegg er det usannsynlig at reaksjonsutbyttet overstiger 30%. Som et resultat vil den maksimale eksoshastigheten for termonukleære mikroeksplosjoner være omtrent 6 × 10 6 m/s, som tilsvarer en spesifikk skyvekraft på 6 × 10 5 s. For eksplosjoner initiert av elektronstråler er det nødvendig å omgi målet med et skall av elementer med høy atomvekt, noe som ytterligere vil redusere den maksimale eksoshastigheten.
Et diagram av en motor som bruker termonukleære mikroeksplosjoner er vist i fig. 7, b. Den grunnleggende forskjellen mellom slike motorer og motorer basert på transuranelementer er tilstedeværelsen av et system for å starte en termonukleær reaksjon og en kilde til elektrisk energi for å drive den. Initieringssystemet er enten et sett med lyskilder eller ladede partikkelakseleratorer plassert på en slik måte at de bestråler målet så symmetrisk som mulig. En enkelt kraftig laser kan brukes som strålingskilde, med sin stråle delt inn i flere eller en kombinasjon av lasere.
Målet skytes inn i rommet over reflektoren, og i det øyeblikket det passerer strålenes fokuspunkt, dannes det en tenningspuls. Termonukleært plasma reflekteres fra magnetfeltet skapt av superledende solenoider og kastes ut i verdensrommet, og skaper jetskyvekraft. For å generere elektrisitet kan enten spesielle solenoider eller de samme solenoidene som er kilder til et beskyttende magnetfelt brukes. Når et plasma i bevegelse samhandler med et magnetfelt, er en emf tilstede i solenoidene, og den genererte elektriske energien brukes til å generere den påfølgende pulsen.
I det amerikanske prosjektet med en termonukleær motor med lasertenning av reaksjonen, foreslås det å bruke en laser med en pulsenergi på 1 MJ, en pulsvarighet på 10 ns og en pulsrepetisjonshastighet på 500 Hz. Massen til laseren er estimert til 150 tonn. Med energien som frigjøres i en mikroeksplosjon på 10 8 J, kan en slik motor, ifølge beregningene til prosjektforfatterne, akselerere en nyttelast som veier 100 tonn til en karakteristisk hastighet på 10 km/s på en dag. Dette vil kreve omtrent 10 8 mikroeksplosjoner.
I et prosjekt for en motor basert på termonukleære mikroeksplosjoner, foreslår engelske forskere å sette i gang en termonukleær reaksjon ved hjelp av elektroniske akseleratorer. Gjentakelseshastigheten til de "tennende" pulsene er 100 Hz, energien i hver mikroeksplosjon er 10 11 J. I motoren, for å akselerere en 100 tonns nyttelast til en hastighet på 0,15 lyshastigheten, flere hundre tonn med termonukleært brensel brennes hele året.
Den største vanskeligheten med å lage pulserende termonukleære motorer er utviklingen av et system for å starte reaksjonen. Det er mangelen på passende laser- og akseleratorenheter som på en viss måte påvirker det faktum at en kontrollert termonukleær reaksjon ennå ikke er utført. Massen til det initierende systemet er proporsjonal med energien til mikroeksplosjonen, så det er ønskelig å ha så lite energifrigjøring i hver eksplosjon som mulig. Men da må det for en gitt skyvekraft sikres en høy pulsrepetisjonshastighet, og for å oppnå en gitt karakteristisk hastighet må det sikres et tilsvarende større antall av dem. Det tillatte antallet pulser er begrenset av systemressursen.
I denne forbindelse foreslo sovjetiske forskere E.P. Velikhov og V.V. Chernukha en metode for kaskadetenning av termonukleære mål. Essensen av metoden er at, ca. 10–6 s etter antenningen av det første målet, tilføres et mer massivt mål til eksplosjonsområdet, hvor en del av energien til den første eksplosjonen brukes til å sette i gang reaksjonen. Deretter mates et mål med enda større masse osv. Ved å bruke mål med tidoblet økning i energifrigjøring i hver kaskade, er det mulig å oppnå en eksplosjonsenergi på 10 10 - 10 11 J for et initieringssystem med en energifrigjøring på 10 8 J.
I dette tilfellet avtar pulsrepetisjonshastigheten tilsvarende, men samtidig øker selvfølgelig pulsbelastningen på reflektoren. I et kaskadeskjema blir det mulig å bruke mer vanskelig antennelig drivstoff (for eksempel rent deuterium) i påfølgende stadier av kaskaden. Dette reduserer behovet for tritium dramatisk og reduserer samtidig nøytronutbyttet.
En annen like viktig oppgave i utviklingen av pulsede fusjonsmotorer er fjerning av varme generert i strukturen. Som nevnt tidligere, i deuterium-tritium-reaksjonen, blir opptil 80% av energien ført bort av nøytroner, som ikke holdes tilbake av reflektorens magnetiske felt. En radikal løsning på problemet ville være å bruke en blanding av vanlig hydrogen med bor-11-isotopen som termonukleært brensel. Selv om energifrigjøringen under forbrenning av dette drivstoffet er mindre enn for deuterium-tritium-blandingen, er det fullstendig ingen nøytroner. Imidlertid krever denne reaksjonen høyere temperaturer for dens initiering, og utviklingen er et spørsmål om en fjern fremtid.
I følge det grunnleggende postulatet til relativitetsteorien, maksimum mulig hastighet i naturen er det en lyshastighet - 300 000 km/s. Naturligvis vil denne hastigheten også være grensen for eksoshastigheten i rakettmotorer. Hastigheter nær lysets hastighet kan oppnås i elektriske motorer, for eksempel i elektron- eller ioneakseleratorer. Imidlertid, som følger av generelle fysiske betraktninger, i dette tilfellet er energien brukt på partikkelakselerasjon mer hensiktsmessig, med tanke på å oppnå den maksimale karakteristiske hastigheten, til å brukes til å skape skyvekraft ved bruk av elektromagnetisk stråling.
Det er kjent at elektromagnetisk stråling, som inkluderer synlig lys, utøver trykk på materielle legemer. Følgelig opplever det utstrålende legemet en rekylimpuls av fotoner fra det elektromagnetiske feltet. Derfor kan hvert retningsutsendende legeme være en fotonmotor. Den reaktive skyvekraften til rettet stråling er lik strålingseffekten delt på lyshastigheten, det vil si at hver 1 kW avgitt effekt skaper en skyvekraft på 3,3 × 10 -7 kgf.
Den enkleste fotonmotoren kan være en kjøleemitter som er skjermet på den ene siden. Siden omtrent 10 % av energien som genereres av kraftverket om bord blir omdannet til energien til jetstrålen til en elektrisk jetmotor, vil ved en eksoshastighet lik 0,1 lyshastigheten, skyvekraften som skapes av kjøleskaps-emitteren. blir sammenlignbar med drivkraften til motoren.
Til tross for den relative enkelheten til fotoniske motorer, er de upraktiske å bruke med alle for tiden brukte energikilder, inkludert termonukleære. Vanligvis blir bare en del av kildemassen omdannet til energi: for kjernefysiske reaksjoner - 0,5%, for termonukleære reaksjoner - 0,15%. Hvis bare fotoner brukes som arbeidsfluid, vil reaksjonsproduktene samtidig med nyttelasten måtte akselereres til slutthastighet. Derfor er det fornuftig å bruke fotoniske motorer bare i kombinasjon med energikilder der all masse, eller i det minste en stor del av den, omdannes til energi. En slik kilde iht moderne ideer det kan bare være en utslettelsesreaksjon, det vil si samspillet mellom partikler og antipartikler.
Syntesen av antipartikler (for eksempel antiprotoner) krever kraftige akseleratorer, og utbyttet av antipartikler i reaksjonen er veldig lite. Det antas at for å oppnå 1 J energi inneholdt i antiprotoner, vil det være nødvendig å bruke minst 100 kJ elektrisitet. Dermed er akkumuleringen av en betydelig mengde antimaterie utenfor mulighetene til moderne teknologi.
Et annet problem som oppstår ved implementering av fotoniske motorer er antimaterielagring. Siden rakettens strukturelle materiale er vanlig materie, må all kontakt av antistoff med veggene til tankene utelukkes. Derfor kan antimaterie "suspenderes" i elektriske eller magnetiske felt.
Kravene til varmefjerningssystemet i fotoniske motorer vil være ekstremt strenge. For tiden implementerte varmefjerningssystemer, inkludert en kjøleemitter, har en masse på minst 0,01 kg per 1 kW utladet effekt. I dette tilfellet, selv om vi neglisjerer andre komponenter i raketten, vil den ha en akselerasjon på ikke mer enn 2 × 10 –4 m/s 2 , og akselerasjonen til en slik rakett til en hastighet på bare 10 km/s vil fortsette i mer enn ett år.
Av alt som har blitt sagt, følger det at opprettelsen av en fotonmotor er et spørsmål om en ekstremt fjern fremtid. En rekke forskere stiller spørsmål ved rasjonaliteten og til og med den grunnleggende muligheten for dens opprettelse, andre tilskriver fotonmotoren direkte til science fiction-riket.
MOTORSYSTEMER MED EKSTERNE ENERGIKILDER
Ovenfor ble kravene til lovende autonome romfremdriftssystemer diskutert, og det ble vist hvordan disse kravene bestemmer utviklingsretningen for autonome fremdriftssystemer. I autonome systemer er energien og massen som kreves for å generere skyvekraft og akselerere romfartøyet plassert på selve kjøretøyet. Derfor er fremgang i utviklingen av slike motorer assosiert med en forbedring av spesifikke energiegenskaper, dvs. med en økning i mengden energi lagret per masseenhet av arbeidsfluidet.
Situasjonen endrer seg dersom energikilden som skyvekraften skapes med befinner seg utenfor apparatet. I dette tilfellet mister denne egenskapen sin betydning. Det er imidlertid fortsatt viktig hvor mye energi som kommer inn i fremdriftssystemet og hvor mye av den innkommende energien som er egnet for å akselerere arbeidsvæsken.
Hvis vi en stund ser bort fra problemene med å konvertere energi som kommer utenfra til den kinetiske energien til arbeidsfluidet som strømmer ut i høy hastighet, blir hovedfaktoren mengden energi som tilføres fremdriftssystemet per tidsenhet. Det følger at egenskapene til romfartøyets fremdriftssystem ikke avhenger av massen og de spesifikke egenskapene til energikilden, men bestemmes av kraften til den eksterne kilden og effektiviteten av energioverføring fra kilden til romfartøyets fremdriftssystem.
Som i tilfellet med autonome motorer med separate energikilder og masse, i motorer med en ekstern energikilde, med en økning i kraften introdusert i fremdriftssystemet, reduseres også masseforbruket til arbeidsvæsken for å skape en skyveenhet siden utløpshastigheten til arbeidsfluidet øker. Hvis eksoshastigheten blir høyere enn 4,5–5 km/s, kan en rakett eller romfartøy utstyrt med motorsystem med en ekstern kilde, begynner å overgå kjøretøyer med flytende rakettmotorer i en så viktig egenskap som forholdet mellom nyttelastmassen og utskytningsmassen.
En annen viktig funksjon ved bruk eksterne kilder er å utvide utvalget av arbeidsvæsker som brukes i motorer. Spesielt kan bruken deres betydelig lette bruken av atmosfærisk luft som arbeidsvæske ved oppskyting av et kjøretøy som er lansert fra jordoverflaten til lav bane. Det er grunn til å tro at det, basert på motorer med eksterne energikilder, er mulig å lage transportsystemer for oppskyting av nyttelast i jordens bane med egenskaper som er vesentlig bedre enn systemer med kjemiske motorer. Dette er foreløpige betraktninger angående utsiktene til fremdriftssystemer med eksterne energikilder og momentum. Hvilke evner, inkludert potensielle (tross alt, vi snakker om fremtiden), har moderne vitenskap og teknologi for å realisere ideen om å bruke energi fra eksterne kilder til fremdriftssystemer?
La oss vurdere hovedelementene som utgjør et motorsystem som bruker en ekstern kilde. Dette er for det første selve fremdriftssystemet (dets design og egenskaper avhenger i stor grad av typen arbeidsvæske og typen energi som brukes). For det andre en ekstern energikilde, både naturlig og kunstig. En naturlig kilde kan være solen, det interplanetære og interstellare mediet. En kunstig ekstern energikilde er for eksempel en kraftig kilde for rettet elektromagnetisk stråling.
Det tredje nødvendige elementet i et fremdriftssystem med en ekstern energikilde er en anordning for å motta og om nødvendig konvertere energi til en form som er egnet for omdannelse til kinetisk energi av arbeidsfluidet. Og til slutt, siste, fjerde, nøkkelelement Fremdriftssystemet er en bane for overføring av energi fra en kilde til en mottaksenhet. Kosmiske skalaer og enorme hastigheter fører til enorme avstander mellom energikilden og romfartøyet. Dessuten, selv i tilfelle når denne avstanden i det første øyeblikket er relativt liten, øker den betydelig under driften av fremdriftssystemet. Derfor, for å implementere ideen om å bruke energi fra en ekstern kilde, er det nødvendig å utvikle midler for å effektivt overføre energi over lange avstander (ved hjelp av kunstige kilder).
La oss vurdere funksjonene ved å bruke solen som en ekstern energikilde. Tettheten av elektromagnetisk stråling avtar i omvendt proporsjon med kvadratet på avstanden fra solen, og i denne forstand er parametrene for energioverføringsbanen fra kilden til fremdriftssystemet faste (bare avstanden fra solen til romfartøyet Endringer). Egenskapene til fremdriftssystemet som helhet avhenger imidlertid i stor grad av verdien av denne enkelt variable parameteren i kanalen.
Faktisk, når avstanden fra energikilden til romfartøyet endres med en faktor på 2, endres kraftflukstettheten med en faktor på 4. Dette betyr at for å drive et fremdriftssystem med fast kraft, er det nødvendig å øke området til enheten som mottar elektromagnetisk solenergi med 4 ganger. Når du flyr til fjerne planeter, hvis avstand fra solen er mange ganger større enn avstanden til jorden fra solen, blir tettheten av solstråling så lav at bruk av solenergi neppe er tilrådelig. Men selv de avstandene som bruken av solenergi er berettiget til er enorme - hundrevis av millioner kilometer (dette er de karakteristiske dimensjonene til energioverføringsveien).
Når det gjelder bruk av kunstige kilder, virker implementeringen av effektiv energioverføring over slike avstander ekstremt problematisk. La oss for eksempel vurdere overføringsveien til elektromagnetisk energi fra en kunstig kilde.
Den første begrensningen som umiddelbart fanger øyet er den begrensede kraften til kilden. Hvis den totale strålingskraften til solen er mange størrelsesordener høyere enn kraften som kreves for å drive fremdriftssystemet og ikke begrenser dets evner, er energikarakteristikkene til fremdriftssystemet med en kunstig kilde begrenset av kraften til kilden og man bør bestrebe seg på at størst mulig andel av kraften til den eksterne kilden når motoren. Dette innebærer behovet for høy effektivitet av energioverføring i kilde-romfartøybanen. Ideelt sett kreves det at all energien fra kilden kommer inn i romfartøyets mottaksenhet. I realiteten bør dette være en andel på minst titalls prosent av kildekraften.
Effektiv overføring av elektromagnetisk stråling kan realiseres ved å forme strålingen til en smal stråle. Muligheten for å danne en stråle med nødvendig konfigurasjon, forplantning og mottak av rettet elektromagnetisk stråling bestemmes av bølgelengden (frekvensen), størrelsen på den emitterende eller mottakende overflaten og parametrene til mediet der forplantningen skjer.
Mottak og overføring av elektromagnetiske bølger. Mottak og overføring av elektromagnetiske bølger utføres av antenner. Mottaks- og sendeantenner har mange likheter, og ofte brukes samme enhet som både sende- og mottaksantenne. Så langt har vi snakket om konvensjonelle antenner, hvis oppgave er enten å sende eller motta og samle innfallende elektromagnetisk energi. Det finnes imidlertid allerede antenner som mottar elektromagnetisk energi og konverterer den til elektrisk energi – dette er solcellepaneler og enheter som kalles rectennas, som er designet for å motta monokromatisk stråling i det ultrahøye frekvensområdet (mikrobølgeområdet) og konvertere det til elektrisk likestrøm.
Derfor, i bredere forstand, ved en mottakerantenne vil vi forstå en enhet designet for å motta og konvertere energien til elektromagnetisk stråling til en annen type energi. Alle slike enheter er forent av en rekke vanlige punkter som påvirker utseendet til antennen betydelig. For det første gjelder dette forholdet mellom dimensjonene til antennen, lengdene på utsendte eller mottatte elektromagnetiske bølger, strålingsdirektiviteten for sendeantenner, eller evnen til effektivt å motta elektromagnetiske bølger for mottaksantenner.
Graden av retningsbestemt stråling med bølgelengde?, som kan realiseres ved hjelp av en antennestørrelse D, er preget av en spesiell mengde - divergensvinkelen? ~ ?/ D. Ved overføring av elektromagnetisk energi med høy retningskoeffisient (med lave tap), faller den divergerende strålen nesten utelukkende på overflaten av mottakerantennen. Hvis avstanden mellom sender- og mottaksantennene er stor, er den nødvendige strålingsdivergensvinkelen ekstremt liten. Følgelig må dimensjonene til antennene, målt i bølgelengdeenheter, være betydelige.
For eksempel ved bruk av elektromagnetisk stråling med en bølgelengde på 1 cm er det nødvendig med antenner på 100 m for å overføre elektromagnetisk energi uten vesentlige tap over avstander på ca. 1000 km.. Med tanke på overføringseffektivitet er det mer fordelaktig å bruke kortere bølgelengder, siden den effektive overføringsavstanden er omvendt proporsjonal med bølgelengden. Å redusere bølgelengden, samtidig som det bidrar til å løse ett problem (avstandsproblemet), skaper imidlertid andre. Spesielt blir kravene til presisjonsfremstilling av strukturen, pekenøyaktighet, stabilisering av antenner i retning mot mottak og sending osv. strengere. Som alltid i slike tilfeller er det nødvendig med et effektivt kompromiss mellom kravene som stilles av problemet løses og de tekniske og økonomiske mulighetene.
Klassifisering av motorer med eksterne kilder til elektromagnetisk stråling. Hypotetiske trekksystemer med eksterne kilder til elektromagnetisk stråling er svært forskjellige. De bruker naturlige og kunstige strålingskilder, og det mulige spekteret av bølgelengder som brukes strekker seg fra røntgen til mikrobølge. I tillegg bruker de ulike måter konvertere strålingsenergi til skyvekraft. Det faktum at energikilden for å generere skyvekraft er plassert utenfor romfartøyet påvirker betydelig utseende fremdriftssystem og hele romfartøyet. En mottaksantenne av betydelig størrelse blir en uunnværlig egenskap.
En omtrentlig klassifisering av jetmotorer med eksterne kilder til elektromagnetisk stråling er presentert i fig. 8. La oss først vurdere fremdriftssystemer med en naturlig strålingskilde - Solen. Dens stråling kan brukes til å skape skyvekraft på to måter: 1) når energien fra solstråling konverteres til elektrisk energi (for eksempel ved bruk av solcellepaneler) og deretter bruker den til å drive elektriske jetmotorer; 2) ved å bruke trykket fra elektromagnetisk stråling (fremdriftssystemer kalt solseil er basert på dette prinsippet).
Ris. 8. Typer jetfremdriftssystemer (RPS) med eksterne kilder for elektromagnetisk stråling
Solseil. Essensen av prinsippet om drift av slike systemer, hvis navn fremkaller romantikken til brigantiner og karaveller, er faktisk lik prinsippet om drift av et seil. I dette tilfellet har romfartøyet en ekstremt utviklet overflate dannet av en tynn speilfilm. Solstråling, som faller vinkelrett på overflaten av filmen og reflekteres spekulært fra den, skaper skyvekraft også vinkelrett på overflaten av filmen. Ved delvis absorpsjon av stråling vil skyveretningen lage en viss vinkel med denne overflaten, og ved å orientere seilet kan skyvekraft oppnås i ønsket retning.
Fordelene med slike trekksystemer er åpenbare: de krever ikke forbruk av verken energi eller arbeidsvæske. For å oppnå tilstrekkelige akselerasjoner er det imidlertid nødvendig å bruke en veldig tynn film slik at forholdet mellom seilarealet og skipets masse sammen med seilet er tilstrekkelig stort. Seilområde, ved moderne konsepter, er også ganske stor. Så for eksempel å lage en skyvekraft på 1 kgf for en enhet som ligger i en avstand på 1 a fra solen. Med. (150 millioner km), er det nødvendig å ha et seilareal på 3 · 10 5 m 2.
Og likevel er oppgaven med å lage slike strukturer med akseptable masseegenskaper ganske realistisk for moderne vitenskap og teknologi. Spesielt ble ulike typer solseil vurdert i USA i forbindelse med utviklingen av et romfartøy beregnet på en flytur til Halley's Comet. En av de mest lovende slike seildesign - "solgyroskopet" - er vist i fig. 9. Dette "gyroskopet" består av 12 blader, 7,4 km lange og 8 m brede, hvert blad veier 200 kg; for å legge til litt stivhet, er det gitt "lameller" på bladene hver 150. m. Etter beregninger er et slikt seil 01.00 unna. Det vil si at den skal gi en skyvekraft på 0,5 kgf fra solen. Ved å bruke et seil, må romfartøyet ha en hastighet på 55 km/s når man skal løse problemet med å fly til Halleys komet.
Ris. 9. En av de mulige designene til et solseil er et "solgyroskop".
Ifølge foreløpige estimater, for at prosjektet skal være gjennomførbart, bør tykkelsen på filmen som danner seilet være omtrent 0,0025 mm, og den spesifikke vekten bør være omtrent 3 g/m 2. Derfor er den største vanskeligheten med å implementere prosjektet valg av filmmateriale.
I tillegg til den nevnte flyturen til Halleys komet, regnes bevegelse av stor last mellom lave og geostasjonære baner og levering av marsjord til jorden som mulige operasjoner ved bruk av et solseil. Bruken av et solseil for flyvninger til de ytre planetene anses som upassende.
Laser jetmotorer. Driftsprinsippet til laserjetmotorer er basert på et velkjent faktum - muligheten for fordampning av materiale under påvirkning av laserstråling. Fordampning skjer raskt og fører til dannelse av en supersonisk stråle når energistrømmen på overflaten av stoffet har høy tetthet. Ved enda høyere flukser kan dampen ioniseres, noe som gir en veldig høy spesifikk impuls. Dysens momentum produserer skyvekraft på samme måte som i tilfellet med en konvensjonell jetmotor. Ideen om å bruke energien til kraftige bakkebaserte lasere for å sende ut satellitter i bane ble uttrykt av A. Kantorowitz i 1971–1972.
I prinsippet kombinerer en lasermotor den svært høye spesifikke impulskarakteristikken til kjernefysiske og elektriske motorer med høyt skyvekraft-til-vektforhold med påliteligheten til kjemiske drivstoffmotorer. Høye spesifikke impulsverdier kan oppnås fordi høytemperaturplasma dannes som et resultat av strålingsabsorpsjon av arbeidsvæsken. Det store forholdet mellom nyttelastmasse og rakettmasse sikres ved at energikilden befinner seg på jorden.
Realiseringen av disse hovedfordelene avhenger selvfølgelig av løsningen av to problemer. For det første må overføringen av en kraftig laserstråle med en svært liten divergensvinkel sikres, og for det andre kreves det å lage teknologisk og økonomisk tilgjengelige store lasere og deres strømkilder.
For tiden vurderes flere metoder for å oppnå skyvekraft basert på bruk av laserstråling. En av dem er for eksempel den raske fordampningen av fast brensel, som absorberer stråling, noe som resulterer i dannelsen av en stråle med varm damp. Hvis dampen i tillegg absorberer en del av laserstrålingsenergien, kan man oppnå temperaturer på 5000 - 12 000 K. Den indre overflaten av rakettdysen er i dette tilfellet en parabolsk reflektor, slik at dysen samtidig fungerer som et speil. for laserstråling og en dyse for utstrømmende gasser.
En parabolsk reflektor mottar en laserstråle med en effekttetthet som er mindre enn den maksimale fluksen som passerer uten forvrengning gjennom atmosfæren og fokuserer den på en fast brenselstav plassert ved fokuset. Dermed passerer det fordampende drivstoffet gjennom området med laserstråling med høy intensitet (10 7 - 10 9 W/cm 2) og varmes opp til høye temperaturer. Deretter utvider gassen, oppvarmet til høy temperatur, seg og Termisk energi konvertert til kinetisk. Et slikt system gir en høyere spesifikk skyvekraft enn et enkelt fordampningssystem.
For å skyte opp raketter med en nyttelast på ikke over 1 tonn inn i en geosentrisk bane, foreslår et av prosjektene å bruke lasere på karbondioksid, opererer i pulsmodus. Slike lasere gjør det mulig å produsere lyspulser med en stråledivergens på mindre enn 0,2" og en varighet på flere millisekunder.
I følge foreløpige estimater vil kostnaden for å skyte ut en nyttelast som veier 1 kg inn i lav bane rundt jorden ved hjelp av en bakkebasert laserinstallasjon være rundt $ 50. Hovedproblemet i utformingen av slike rakettsystemer er problemet med den mest effektive konverteringen av laserstråleenergien inn i den kinetiske energien til rakettbevegelsen, tilstrekkelig til å skyte sistnevnte til bane nær jorden. Den totale energien som kommer inn i motoren under oppskytingen av raketten i bane er proporsjonal med produktet av kildekraften og oppskytningstiden. For samme nyttelastmasse er den nesten uavhengig av utskytningstidspunktet. Dette betyr at ved å øke utskytningstiden er det mulig å redusere kraften til kilden, og omvendt, ved å øke kraften til kilden, er det mulig å redusere tiden for oppskyting av raketten i bane.
Minimum lasereffekt kan være i størrelsesorden 200–300 MW hvis raketten akselererer over lengre tid, men dette fører også til en økning i akselerasjonssonen - den maksimale avstanden som laserstrålen må reise for å treffe rakettmottaker. For å opprettholde høy effektivitet av energioverføring med økende avstand, er det nødvendig, som allerede nevnt, enten å redusere divergensen til strålen eller å øke størrelsen på mottaksanordningen på raketten. Det første alternativet krever forbedret laseroptikk, det andre fører til en økning i luftmotstanden til raketten. En omtrentlig avhengighet av laserkraften av lengden av akselerasjonssonen for et utskytningssystem som sikrer levering av 1 tonn nyttelast i bane er vist i fig. 10.
Figur 10. Omtrentlig avhengighet av den karakteristiske laserkraften av akselerasjonslengden ved utsetting av en nyttelast som veier 1 tonn
Et trekk ved det beskrevne prosjektet er bruken av energien til en kjemisk reaksjon sammen med energien til laserstråling for å varme opp arbeidsvæsken. Motorens driftssyklus begynner med tenning av drivstoffet og levering av en lyspuls. Lyspulsen produserer ytterligere oppvarming av arbeidsvæsken, noe som resulterer i dannelse av plasma med en temperatur på omtrent 20 000 K, som utvider og skyver gassen ut av motordysen. Etter at gassen forlater dysen, sendes en ny lyspuls, drivstoffet antennes, og hele syklusen gjentas igjen.
Varigheten av motorkraften avhenger av lyspulsens varighet. Så, for eksempel, for å skape skyvekraft i 800 s (gasstrykket ved bunnen av raketten når 3 MPa), er det nødvendig å påføre en lyspuls med en energiflukstetthet på 2 × 10 7 W/cm 2 og en varighet på 10 –6 s, mens hastigheten ved slutten av akselerasjonen vil nå 8 km/s. Siden skyvekraften alltid er vinkelrett på motordyseutgangen, trenger ikke retningen til laserstrålen nødvendigvis å falle sammen med retningen til rakettens lengdeakse.
En annen metode for å generere skyvekraft, ved bruk av absorpsjon av laserstråling, er egnet for å akselerere et romfartøy i den atmosfæriske delen av banen. Det ble foreslått av en gruppe forskere fra Lebedev Physical Institute ledet av A. M. Prokhorov i 1973. I denne versjonen passerer stråling uten betydelig absorpsjon gjennom atmosfæren og treffer en parabolsk reflekterende overflate, som er plassert i halen på flyet og er stivt koblet til den. Strålingsintensiteten i fokalområdet til denne overflaten må overstige terskelen ved hvilken elektrisk sammenbrudd av luften som befinner seg der oppstår. Skyvekraft skjer uten bruk av annet drivstoff enn atmosfærisk luft. Hvis det tilføres luftskift mellom laserpulser, fungerer motoren som en laserpulsjetmotor.
Ris. 11. Laserpulserende jetmotor: 1 - parabolsk skall med en polert indre overflate, 2 - paraboloidfokus, 3 - luftnedbrytning, 4 - lysdetonasjonsbølge, 5 - laserstråle
Skjematisk fremstilling av en pulserende laser m luftpustende motor gir Fig. 11. Laserstråle som faller på polert indre overflate, er fokusert for å danne en høyintensiv flyt. Det påfølgende luftsammenbruddet eksiterer en sjokkbølge, som forplanter seg mot dyseutgangen. Dessuten omdannes alt det høye gasstrykket bak det til en kraft som virker på dysens vegger, dvs. skyvekraft.
Laser MHD motor. Som en del av arbeidet med å analysere lovende motorer for et ett-trinns transportskip, ble det utført forskning i USA for å lage en MHD-motor ved hjelp av en laser. Hovedfordelen med en slik motor, sammenlignet med en laserluftpustemotor, er at ved å akselerere arbeidsfluidet ved hjelp av elektrodynamiske krefter, er det mulig å oppnå høye hastigheter i jetstrømmen. Plasma hentet fra atmosfærisk luft brukes som arbeidsvæske; energikilde - lasergeneratorer av orbital- eller bakkestasjoner som transportromfartøyet beveger seg langs.
MHD-motoren til et transportromfartøy med et tverrsnittsareal lik tverrsnittsarealet til Saturn 5 bærerakett har en laserstrålingsmottaker foran, etterfulgt av et ringformet luftinntak. Fra luftinntaket kommer luften inn i ioniseringskammeret, hvor den under påvirkning av laserstråling ioniseres og omdannes til tett plasma. Hoveddelen av laserstrålingen absorberes ikke i det resulterende plasmaet, men reflekteres på veggene langs hvilke omformere av laserstråling til elektrisk strøm er plassert. Den genererte elektriske energien brukes til å skape skyvekraft, lik det som gjøres i endeplasma-thrustere: plasmaet akselereres av kraften som følge av interaksjonen elektrisk strøm med sitt eget magnetfelt. En plasmastråle som slipper ut av motoren skaper jet-skyvekraft.
Analysen av driftsparametere ble utført i forhold til banemassen til transportromfartøyet på 22 tonn: strøm 360 kA - på bakkenivå, 600 kA (maksimalt) - ved maksimal skyvekraft for en flyhastighet på 500 m/s og kl. en banehastighet på 280 m/s, eksoshastighet jetstrøm av ladede partikler flere hundre meter per sekund nær Jorden og 460 km/s i bane. Kraften til laserstråling øker raskt til 1,35 GW når romfartøyet akselererer for å nå en flyhastighet på 750 m/s, og fra en flyhastighet på rundt 1,5 km/s øker den lineært til 3,75 GW ved banehastighet.
Elektromagnetisk resonatormotor. I motsetning til de tidligere diskuterte motordesignene, har ikke denne motoren en arbeidsvæske, eller rettere sagt, dens rolle spilles av elektromagnetisk stråling. Vi har allerede vurdert muligheten for å bruke trykket fra elektromagnetisk stråling for å skape skyvekraft i systemer som et solseil og funnet ut at når man bruker til og med en så praktisk talt ubegrenset kilde til elektromagnetisk energi som solen, er den mulige verdien av skyvekraft flere kilo. av kraft.
Er det mulig å forvente å oppnå merkbar skyvekraft på grunn av trykket fra elektromagnetisk stråling ved bruk av en kunstig strålingskilde (for eksempel en laser eller en kraftig generator av elektromagnetiske bølger i mikrobølgeområdet)?
La oss vurdere mer detaljert prosessen med å skape skyvekraft på grunn av trykket fra elektromagnetisk stråling. La en fluks av elektromagnetisk stråling med tilstrekkelig høy tetthet per arealenhet falle på overflaten. Hvis all denne kraften kunne omdannes til skyvekraft, kunne størrelsen på sistnevnte, med en tilstrekkelig utviklet strålingsmottakende overflate, være betydelig. Imidlertid har prosessen med å konvertere energien til elektromagnetisk stråling til den kinetiske energien til et romfartøy den særegenhet at bare en ekstremt ubetydelig del av den innfallende energien (nemlig W/c, Hvor W- energiflyt; Med- lysets hastighet) omdannes til kinetisk energi til romfartøyet.
Resten av energien går igjen ugjenkallelig ut i verdensrommet. Hvis denne energien kunne fås til å falle gjentatte ganger på den samme overflaten, kan effektiviteten av å konvertere energien til elektromagnetisk stråling til kinetisk energi til romfartøyets bevegelse økes betydelig. Denne ideen er implementert i en elektromagnetisk resonatormotor.
Det skjematiske diagrammet for en elektromagnetisk resonatormotor (EMRE) er vist i fig. 12. Akselerasjonen til romfartøyet utføres på grunn av trykket fra elektromagnetisk stråling i den åpne resonatoren dannet av speil 2, 3, på speilet til romfartøyet.
Elektromagnetisk stråling pumpes av kilde 1 inn i resonatoren gjennom ventil 4. Trykket av elektromagnetisk stråling i resonatoren er mange ganger høyere enn strålingstrykket til kilden (på grunn av akkumulering av elektromagnetisk stråling i resonatoren). Akselerasjonen til apparatet fortsetter til de elektromagnetiske oscillasjonene i resonatoren er fullstendig dempet etter at kilde 1 er slått av. I fravær av sidespredning og tap i speilene og mediet, bør energien til elektromagnetiske svingninger omdannes fullstendig til den kinetiske energien av romfartøyet.
Fremdriftssystemet forutsetter at den stasjonære kilden og romfartøyet har strengt orienterte speil i forhold til hverandre. Dette gjør at farten til bølgene som reflekteres vekselvis fra hvert speil kan gjenbrukes for å øke farten til romfartøyet. Det er nettopp på grunn av den gjentatte bruken av fotonpulsen, som overfører en liten brøkdel av den totale energien til romfartøyet med hver refleksjon fra det bevegelige speilet, at en høy koeffisient for konvertering av energien fra elektromagnetiske oscillasjoner til kinetisk energi av enheten er oppnådd, noe som er en alvorlig fordel med EMRD i forhold til andre typer motorer som bruker trykk for å skape elektromagnetisk stråling. Samtidig bør det bemerkes at det er enorme teknologiske vanskeligheter som må overvinnes dersom denne ordningen gjennomføres.
Ris. 12. Skjematisk diagram av en elektromagnetisk resonatormotor: 1 - kilde til elektromagnetisk stråling, 2 - bakkeinstallasjonsspeil, 3 - flyspeil 4 - ventil, 5 - romfartøy
Analyse av EMR-skjemaet viser at hovedparametrene til fremdriftssystemet bestemmes av egenskapene til speilene, strålingskilden og nøyaktigheten til den relative orienteringen til den stasjonære installasjonen og romfartøyet. På sin side bestemmes effektiviteten av EMRD først og fremst av maksimal fjerning av enheten d, hvor konverteringskoeffisienten fortsatt er ganske stor. Det kan vises at maksimal effektivitet av kraftoverføring mellom to speil via elektromagnetisk stråling kun avhenger av parameteren ?: ? = ? d/R 1 R 2 hvor R 1 R 2 - speilstørrelser. Til?< 1 КПД передачи может быть равным практически 100 %. С увеличением расстояния эффективность ЭМРД резко падает, как только перестает выполняться это условие.
Kravene til overføringseffektivitet er ganske strenge. For eksempel, med en total systemeffektivitet på 10 %, er den minste tillatte overføringseffektiviteten 99,9 %. Vær imidlertid oppmerksom på at 10 % er et veldig høyt krav for total systemeffektivitet. I det tradisjonelle opplegget for å skyte opp et romfartøy i bane ved hjelp av en rakettmotor med flytende drivstoff, er den totale effektiviteten for å konvertere den kjemiske energien til drivstoffet til den kinetiske energien til romfartøyet bare 2–3 %. Siden i tilfelle av EMRD energikilden er plassert utenfor romfartøyet, er selv en liten reduksjon i den totale konverteringseffektiviteten i forhold til denne verdien ganske akseptabel.
Ultrahøyfrekvente jetplasmamotorer. Tidligere diskutert fremdriftsordninger basert på eksterne kilder til elektromagnetisk stråling, hovedsakelig ved bruk av lasere som generator. Følgelig ligger de utsendte frekvensene til disse typene generatorer i det infrarøde og det synlige området. Bølgelengdene som tilsvarer disse frekvensene varierer fra 0,3 til 15 mikron, og selv om antennestørrelsene som kreves for å danne lavdivergensstråler utgjør hundretusener og til og med millioner av bølgelengder, overstiger ikke de absolutte dimensjonene noen få meter.
Muligheten for å implementere litt divergerende stråler med relativt små antennestørrelser er en av grunnene til nøye oppmerksomhet på de synlige og infrarøde bølgelengdeområdene, og i fremtiden til ultrafiolett og røntgenstråling med det formål å implementere fremdriftssystemer basert på eksterne energikilder. Men historisk sett var forslag om bruk av elektromagnetisk stråling for å skape skyvekraft assosiert med mikrobølgestråling. Og det kan godt være at, til tross for en rekke fordeler med de optiske og infrarøde områdene, vil den første implementeringen av motorer med eksterne (kunstige) energikilder utføres i mikrobølgeområdet.
En av mulighetene for å konvertere mikrobølgeenergi til skyveenergi er å introdusere mikrobølgekraft i et høyt ionisert plasma ved syklotronresonansfrekvensen (dvs. ved frekvensen som elektronene roterer rundt magnetfeltlinjer). Når frekvensen av mikrobølgestråling og frekvensen av syklotronresonans faller sammen, skjer intens overføring av elektromagnetisk bølgeenergi til plasmaelektroner. I prosessen med kollisjoner mellom elektroner og ioner overføres en del av energien til elektronene til ionene, som et resultat av at plasmatemperaturen øker, og mikrobølgestrålingen, som passerer gjennom den og avgir energi, dempes. Det nødvendige magnetfeltet B skapes i den ytre delen av akseleratoren.
Ris. 13. Mikrobølgejetmotor: 1 - bølgeleder, 2 - halvbølge dielektrisk vindu, 3 - solenoid, 4 - injeksjon av arbeidsvæske
Et mulig arrangement av elementer i en rommikrobølgemotor er vist skjematisk i fig. 13. En slik motor består hovedsakelig av en bølgeleder, en solenoid og et vindu som er gjennomsiktig for elektromagnetiske bølger, gjennom hvilket mikrobølgestråling kommer inn. Vinduet tjener til å forhindre omvendt strøm av bevegelige partikler i retning av mikrobølgestrålingskilden. Akseleratoren inkluderer et arbeidsvæske (drivstoff) injeksjonssystem, samt midler for å sikre konstant magnetisk feltintensitet (for å oppnå et sammenfall av strålingsfrekvensen og syklotronfrekvensen i interaksjonsrommet). Ved et kontinuerlig effektnivå i størrelsesorden 1 kW eller mer er mikrobølgestrålingsfluksen tilstrekkelig til å fullstendig ionisere det injiserte arbeidsfluidet og overføre den nødvendige kinetiske energien til plasmaet.
Fordelene med denne typen plasmaakselerasjon skyldes den elektrodeløse strukturen til akseleratoren og det fullstendige fraværet av bevegelige deler. Dermed kan man i prinsippet forvente at motoren vil være preget av ekstrem enkelhet i design og holdbarhet. Mikrobølgemotorer med lav effekt ( R < 100 кВт) могут найти применение в недалеком будущем, после того как в них будут внесены некоторые технические усовершенствования. Использование же СВЧ-двигателей для создания основной тяги (R> 100 kW i kontinuerlig modus) vil bli mulig dersom energioverføringssystemer som bruker mikrobølgestråler (satellittsolkraftverk) implementeres.
Utsikter for å skape kraftige kilder til elektromagnetisk stråling. Settet med tekniske problemer som må løses når man lager et romfremdriftssystem med eksterne kilder til elektromagnetisk stråling, er nært forbundet med problemene som andre områder av vitenskap og teknologi står overfor, så vel som med mer generelle problemer.
Lasere, som kjent, ble laget uten noen forbindelse med romproblemer, og i mer enn 10 år var det ingen idé om å bruke dem som et element i romfremdriftssystemer. Utviklingen av laserteknologi, bestående av en økning i avgitt kraft, utvikling av flere og flere nye rekkevidder, forbedrede egenskaper, etc., har vært og skjer ganske raskt. Det er nok å si at strålingseffekten til de beste moderne laserne er 10 6 - 10 8 ganger høyere enn strålingseffekten til de første laserne. En slik fremgang, som allerede merkbart hadde dukket opp på slutten av 60-tallet, gjorde det mulig å betrakte lasere som potensielt kraftige kilder til en type energi som er praktisk for mange formål - elektromagnetisk stråling, lys, infrarøde og ultrafiolette områder (nå har dette spekteret utvidet seg enda mer).
Det var da ideen om å bruke lasere for å akselerere raketter ble født, som ble utarbeidet av hele den korte historien om utviklingen av laserteknologi. På den annen side har spørsmålet om bruk av eksterne energikilder også blitt modent innen romteknologi, hvor det gjentatte ganger har blitt tatt opp og diskutert, og starter med verkene til K. E. Tsiolkovsky, F. A. Tsander og andre pionerer innen astronautikk.
Når det gjelder å konvertere energien til elektromagnetisk stråling til den kinetiske energien til arbeidsfluidet, ble spørsmålet utarbeidet av arbeid med oppvarming av plasma med mikrobølgestråling og de første eksperimentene med å lage motorer som bruker elektromagnetisk energi for å skape skyvekraft.
Ideer blir født på forskjellige måter: noen dukker opp lenge før muligheten for implementering, og noen ganger til og med før de utfører målrettede eksperimenter for å teste dem. Implementeringen av andre, å dømme etter det generelle utviklingsnivået for vitenskap og teknologi, kunne begynne mye tidligere enn de oppsto. Ideen om å bruke lasere og andre kraftige kilder til elektromagnetisk stråling i romfremdriftssystemer var verken foran kurven eller for sent. Dens fødsel falt praktisk talt sammen med fremveksten av muligheter til å utføre arbeid rettet mot å implementere denne ideen.
Problemet med å sette romfartøy i bane i dag er i skjæringspunktet mellom flere områder av fysikk og teknologi: rommotorer, lasere, interaksjon av stråling med materie, mekanikk, mottak og overføring av kraftige stråler av elektromagnetisk stråling, etc. Hvert av disse områdene av vitenskap og teknologi har mange applikasjoner, og derfor bestemmes fremgang i utviklingen av laserutkastingsideer ikke bare (og i den innledende fasen og ikke så mye) av parametrene til eksperimentelle enheter, men også av egenskapene som elementene besitter inkludert i systemer for andre formål.
I denne forbindelse vil jeg merke meg arbeidet som i fremtiden vil finne direkte anvendelse i systemer med ekstern energiforsyning til romfartøy. Vi skal snakke videre om romkraftverk. Spørsmålet om å lage satellittsolkraftverk (SSPS) begynte å bli seriøst vurdert på begynnelsen av 70-tallet, da det ble klart at det var alvorlige begrensninger i muligheten til å dekke energibehovet til de fleste land fra fossile kilder. Energikrise i vestlige land 1973–1974 ga ytterligere drivkraft til implementeringen av dette problemet.
I henhold til ideene som ble utviklet i prosessen med å diskutere mulighetene for å lage SSE-er, vil sistnevnte være flate felt av solcellepaneler eller andre solstrålemottakere med arealer på hundrevis av kvadratkilometer, lokalisert i geostasjonære eller svært elliptiske baner og konstant orientert mot solen. En del av solenergien som faller på mottakerne (15–20%) omdannes til elektrisk energi. Med et areal på 100 km 2 vil den totale elektriske kraften til et slikt kraftverk plassert i banen til en kunstig jordsatellitt være 15–20 GW, dvs. kraften som 4–5 vannkraftverk av Bratsk-typen ha. Det er forventet at massen av SSE vil bli målt i titusenvis av tonn.
Et alvorlig problem er overføringen av energi mottatt fra solkraftverket til forbrukerne, som kan befinne seg i avstander på opptil titusenvis av kilometer fra kraftverket. Et effektivt og praktisk talt eneste middel for å overføre energien mottatt ved SSE er overføring gjennom rettet elektromagnetisk stråling. I utgangspunktet var det til dette formålet planlagt å bruke et mikrobølgeenergioverføringssystem med en bølgelengde på 10–12 cm Valget av dette området var ikke tilfeldig. Den har en rekke fordeler, inkludert gjennomsiktigheten av ionosfæren og atmosfæren for elektromagnetiske bølger (inkludert under overskyet vær og nedbør), velutviklet teknologi som kan gi høy effektivitet i å konvertere elektrisk likestrøm til mikrobølgeenergi, etc.
For å effektivt overføre energi uten tap over avstander på 40 000 km (dvs. fra svært elliptisk eller geostasjonær bane til jorden), kreves det imidlertid en rombasert sendeantennestørrelse på 1 km, og en bakkebasert mottaksantenne må være 10–15 km på tvers. I denne forbindelse er det økende interesse for energioverføringssystemer som bruker laserstråling.
Hvis elektrisk energi omdannes til laserstråling, må lasersenderen (ved en bølgelengde på 10,6 mikron) ha en senderantenne med en diameter på 31 m, og dimensjonene til mottakerantennen på jorden - 31 x 40,3 m. Laseren systemet kan overføre energi ikke bare til jorden, men også til andre satellitter, samt å gi energi til fremdriftssystemer for fly og romfartøy. Hvis den maksimalt tillatte energistrømmen for et mikrobølgesystem ikke overstiger 23 MW/cm2, så for et lasersystem designet for en effekt på 500 MW, kan den maksimale strålingsenergistrømmen nå 185 W/cm2 uten økende tap på grunn av samspillet mellom lysstrålen med atmosfæren.
Et av de mulige alternativene for et laserenergisystem er utskytingen av en SSE inn i en solsynkron bane med lav jord, påfølgende konvertering av solenergi til laserstråling om bord, og overføring av sistnevnte til en eller to relésatellitter lokalisert i geostasjonær bane. Og til slutt, overføring av laserstråling fra disse satellittene til mottaksstasjoner på jorden.
Merk at konfigurasjonen av energisystemet ved hjelp av relésatellitter kun er mulig når du opererer i laserbølgelengdeområdet. Samtidig gjør utskyting av en SSE inn i en lav polar bane (og ikke inn i en stasjonær eller svært elliptisk, som i det opprinnelige konseptet) det mulig å redusere med 6 - 10 ganger den totale massen av last som må skytes opp inn i referansebanen for å sikre opprettelsen av en SSE. Generelt, når du bruker en rekke lovende tekniske løsninger, vil laserenergisystemer sannsynligvis ha alvorlige fordeler i forhold til systemer som opererer i mikrobølgeområdet når det gjelder masseegenskaper, nivå av miljøforurensning og kostnader.
Den totale effektiviteten til slike systemer kan nå 8 - 12%, noe som er ganske sammenlignbart med den totale effektiviteten til mikrobølgesystemer. Imidlertid, i motsetning til mikrobølgesystemer, er ikke lasersystemer allvær fordi laserstråling absorberes høyt når de reiser gjennom skyer og nedbørsområder. Dette problemet kan tilsynelatende løses ved å lage backup bakkebaserte mottaksstasjoner, samt ved å lokalisere mottaksstasjoner i områder med lav sannsynlighet for nedbør. Når du bruker laserromkraftstasjoner som en ekstern energikilde for å akselerere romfartøy og raketter, kan værforholdene bare påvirke den atmosfæriske delen av banen.
MOTORER SOM BRUKER EKSTERNE MASSEKILDER
I nesten alle fremdriftssystemer som tidligere er omtalt, er massen som raketten avvises fra (tilbakeslagsmasse) konsentrert på siden av raketten. For å lagre masse kreves tanker og deres støttestruktur, noe som øker rakettens masse kraftig, begrenser utskytningsmassen og reduserer den karakteristiske hastigheten til nyttelasten for en gitt massereserve. Derfor, naturlig nok, ønsket om å bruke ytre masser i rakettmotorer, akkurat som dette gjøres i bakke- og lufttransport, når enten selve jorden eller dens atmosfære brukes som den utkastede massen.
Det er forsket mye på å bruke jordens atmosfære til å skyte opp raketter fra jordens overflate. I dette tilfellet var det forventet en dobbel gevinst. For det første kan oksygen i luften fungere som oksidasjonsmiddel for drivstoffet som er lagret om bord på raketten, noe som tilsvarer å øke den totale energireserven om bord på raketten. For det andre vil økning av mengden utstøpt masse redusere eksoshastigheten, og følgelig vil skyveeffektiviteten øke i den innledende delen av flyveien. I tillegg, for en gitt motoreffekt, på grunn av den ekstra kasserte massen, er det mulig å øke skyvekraften og utskyte raketter av store utskytningsmasser.
Som en kilde til oksygen og ekstra masse, er luft mye brukt i moderne gassturbin- og ramjetmotorer.
Prinsippet for drift av en jetmotor er at luften som kommer inn i motoren med hastigheten til flyet øker hastigheten på grunn av energien som frigjøres i motoren. Forskjellen i lufthastighet ved innløpet og utløpet av motoren, multiplisert med masseluftstrømmen, er nøyaktig lik motorkraften. Siden den relative økningen i lufthastighet for en gitt energifrigjøring og alt annet likt vil falle, vil med en økning i farten til flyet, skyvekraften til jetmotoren reduseres tilsvarende.
Flyhastighetsbegrensninger for motorer som bruker ekstern masse kan reduseres betydelig hvis energien fra kjernefysiske reaksjoner tilføres til luften enten direkte (som i gassfasereaktorer) eller fra en elektrisk kilde. I det første tilfellet vil radioaktive produkter slippes ut i atmosfæren; i det andre, på grunn av de store massene til kraftverket ombord, blir det umulig å lansere fra jordoverflaten. Derfor vurderes bruken av ekstern masse i slike motorer bare i det ytre rom.
På grunn av den lave tettheten av materie i rommet, gir tradisjonelle luftsamlerdesign i form av et rør med en klokke mening bare i svært lave baner (100–120 km). For store høyder kan effektiviteten til luftinntaket økes betydelig ved å forsyne motoren med en magnetfeltkilde (solenoid). Det interplanetære mediet er en ionisert gass (plasma), og ioniseringsgraden øker med avstanden fra jorden, og fra høyder på 10 000 km skjer nesten fullstendig ionisering.
Som allerede angitt, er bevegelsen av plasmapartikler over magnetfeltlinjene vanskelig, og magnetfeltet kan spille rollen som en trakt som leder strømmer av ladede partikler inn i motoren. Som et resultat kan det effektive området for masseinntaket ved praktisk talt oppnåelige magnetfelt øke flere tusen ganger.
For eksempel, for en magnetisk feltkilde i form av en spole med en strømdiameter på 15 m og en magnetisk feltinduksjon i midten av 10 T, vil området som plasmastrømmen vil bli samlet fra være omtrent 2 km 2. En motor med tilsvarende masseinntak i lave baner ved en eksoshastighet på 100 km/s kan skape en skyvekraft på 2 kgf og forbruke kraft for å skape skyvekraft på 200 kW.
Slike motorer kan være egnet for transportoperasjoner mellom baner med høyder fra 300 til 10 000 km. Høyere opp faller tettheten til mediet kraftig, og i det interplanetære rommet er konsentrasjonen av partikler bare 10 cm–3, som tilsvarer en tetthet på 10–20 kg/m3. For å forestille oss en slik grad av sjeldenhet av materie, la oss bruke en figurativ sammenligning av den berømte engelske astronomen J. Jeans: «Med én utånding kunne en flue fylle en hel katedral med luft av en slik tetthet.»
Massestrømmen gjennom motoren vil selvsagt øke med økende raketthastighet, men samtidig, på grunn av økningen i strømningsenergi ved konstant magnetfeltstyrke, vil også den effektive størrelsen på det magnetiske inntaket avta. Som et resultat vil masseforbruket bare øke proporsjonalt med kuberoten av hastigheten.
Hvis en motor utstyrt med et magnetisk masseinntak er rent ionisk (uten kompensasjon for ladningen av utstøpte partikler), er en liten økning i den eksterne massestrømmen mulig på grunn av utseendet til en elektrisk ladning på raketten. For eksempel, hvis en motor akselererer positivt ladede ioner, får den en negativ ladning og begynner å tiltrekke seg ioner fra verdensrommet. Disse ionene kan ledes av et magnetfelt inn i en akselererende enhet og brukes som arbeidsvæske.
For å oppnå tilstrekkelige masseutgifter på denne måten ved tettheten til det interplanetariske mediet, kreves det imidlertid svært høye potensialer til raketten i forhold til det omkringliggende rommet. For et skip med en diameter på 15 m ved et potensial på 10 6 V vil massestrømmen være 4 · 10 –8 kg/s. Med ytterligere akselerasjon av denne strømmen, for eksempel med et potensial 10 ganger større, vil motorkraften være 0,03 kgf. Men akselerasjon med en potensialforskjell på 10 7 V tilsvarer energien til partikler som dannes når termonukleære reaksjoner. I dette tilfellet, hvis de brukes som kassert masse, vil tilsetningen av kosmiske plasmaioner ikke gi en merkbar økning i skyvekraft.
Ved å oppsummere alt som er sagt, kan vi konkludere med at bruken av det interplanetariske, og enda mer det interstellare, mediet som arbeidsvæske for rakettmotorer vil bli mulig hvis egenskapene til eksisterende magnetfeltkilder økes hundretusenvis av ganger . Måtene for en slik økning er foreløpig til og med ukjente.
Imidlertid er det i interplanetarisk rom et tilstrekkelig antall makrokropper - planeter, deres satellitter, asteroider, meteoritter. Vi vil ikke berøre den direkte bruken av bergartene som utgjør kosmiske kropper og deres atmosfærer. I prinsippet kan stoffene som utgjør kosmiske kropper brukes i alle motorene som er beskrevet her. La oss bare vurdere måter for kontaktløs bruk av makrokropper.
Gravitasjonsinteraksjonen er mest uttalt i verdensrommet. Dessverre er mulighetene for å bruke den til å akselerere romfartøyer svært begrensede. Faktisk, flyr raketten forbi et kosmisk legeme, vil raketten akselerere på grunn av sin tiltrekning til den passerer punktet med minimum innflyging. Deretter vil bremsingen begynne, og den totale endringen i den kinetiske energien til raketten vil være lik null. Hvis det etter en minimal tilnærming var mulig å skjerme gravitasjonskraften eller endre dens fortegn til det motsatte, ville mange problemer med romflyvninger lett bli løst. Men dessverre, moderne vitenskap vet ikke engang om slike manipulasjoner med gravitasjonsfeltet er mulig.
Likevel, i noen tilfeller kan gravitasjonsinteraksjon brukes til å redusere massereserven ombord. Dette gjelder først og fremst rotasjonen av romfartøyets baneplan. For eksempel, når du skyter opp en geostasjonær satellitt med en forbiflyvning av månen, kan du redusere forbruket av arbeidsvæsken med 10 % sammenlignet med en direkte oppskyting. Dessuten er fremdriftssystemer mulig som fungerer på grunn av inhomogeniteter i gravitasjonsfeltet, som ikke krever massereserver om bord i det hele tatt for å flytte nyttelasten i gravitasjonsfeltet.
Prinsippet for deres operasjon er basert på bruk av såkalte tidevannskrefter (fig. 14). Hvis to masser forbundet med en kabel roterer i banen til en kunstig jordsatellitt, beveger et slikt system seg i det hele tatt med en hastighet som tilsvarer banen til massesenteret. Som et resultat vil massen lengst fra jorden ha en større hastighet enn nødvendig for dens likevektsbevegelse, og derfor må en overflødig sentrifugalkraft virke på den. For massen nærmest jorden, tvert imot, er hastigheten mindre enn likevektshastigheten, og det er en overskytende gravitasjonskraft, lik og motsatt rettet til kraften som påføres den øvre massen.
Disse kreftene kalles tidevannskrefter. De trekker kabelen, og ved å frigjøre kabelen med friksjon tvinger vi tidevannskreftene til å gjøre arbeid. Dette arbeidet utføres på grunn av den kinetiske energien til systemet, og som et resultat vil dets tyngdepunkt flytte til en lavere bane. På samme måte får tidevannskrefter som virker mellom planeter at de beveger seg nærmere hverandre. For eksempel fører havvann forårsaket av månen, som et resultat av friksjon med jordoverflaten, til en reduksjon i avstanden mellom månen og jorden.
Og omvendt, ved å arbeide mot virkningen av tidevannskrefter, er det mulig å øke banen til systemets tyngdepunkt. For å gjenta syklusen etter at massene har nærmet seg helt, må de skyves bort med kabelen fritt utfoldende. Men effektiviteten til et slikt fremdriftssystem i verdensrommet nær jorden er svært lav.
Størrelsen på tidevannskreftene er lik produktet av tyngdeakselerasjonen i bane og forholdet mellom avstanden mellom massene og banens radius. I en bane med en høyde på 350 km med en avstand mellom masser på 10 km er den 1,4 · 10 –2 N/kg, i en geostasjonær bane - 7 · 10 –5 N/kg. Arbeidet som utføres i løpet av en innflygingssyklus er henholdsvis 7 × 10 –2 og 3,5 × 10 –4 J/kg. Å overføre et romfartøy fra en bane i en høyde på 350 km til en geostasjonær bane (35 880 km) vil kreve omtrent 10 8 sykluser. Selv om vi antar at hver syklus tar 1 s, vil en slik bevegelse ta mer enn 10 år.
Ris. 14. Diagram av en "gravitasjonsmotor" (piler indikerer retningen til tidevannskrefter): 1 - nyttelast, 2 - kabel, 3 - enheter for å spole kabelen, 4 - Jord
Det er mulig at når menneskeheten begynner å skape bosetninger i verdensrommet nær jorden og behovet for å transportere mange millioner tonn last til høye baner, vil en slik lavhastighets transportmetode finne sin anvendelse. Fordelene er åpenbare: det fullstendige fraværet av bortkastet masse og lav kraft til fremdriftssystemet.
Siden folk, i motsetning til gravitasjonsinteraksjon, har lært å kontrollere elektromagnetisk interaksjon, er det mulig å lage fremdriftssystemer ved hjelp av makrokropper på dette grunnlaget. I det enkleste tilfellet er en slik motor en ladet partikkelakselerator. Når man flyr forbi et kosmisk legeme, blir det bestrålt med ladede partikler (for eksempel elektroner). Som et resultat viser den kosmiske kroppen og raketten seg å være bærere av ladninger med motsatte tegn.
Tiltrekningen av ladninger får raketten til å akselerere. Etter rakettens maksimale tilnærming til den kosmiske kroppen, kan du enten slå av akseleratoren, og ladningene vil raskt bli kompensert av plasmaet i det ytre rom, eller mens ladningen på den kosmiske kroppen forblir, lade opp raketten, og da vil tiltrekningskreftene bli til frastøtende krefter.
Økningen i raketthastighet på grunn av denne interaksjonen er proporsjonal med potensialforskjellen mellom raketten og den ladede kroppen. For eksempel, for et romfartøy som veier 10 tonn med en potensialforskjell på 10 6 V, kan hastigheten økes med henholdsvis 1 m/s og ved 10 8 V - med 100 m/s. Effektiviteten til denne akselerasjonsmetoden øker med økende relativ hastighet til raketten og den ladede kroppen, og ved hastigheter over 10 km/s kan den nå 20 %.
På grunn av de små hastighetsøkningene per ladesyklus, er det tilrådelig å bruke slike fremdriftssystemer i de områdene i rommet der møter med kosmiske kropper er ganske hyppige (for eksempel i asteroidebeltet). I tillegg kan elektrostatisk akselerasjon av raketter være nyttig for store laststrømmer mellom banene til jordsatellitter. Da kan følgende flymønster implementeres. Et system av satellitter, hvorav noen er utstyrt med ladede partikkelakseleratorer, plasseres i kolliderende baner nær hverandre (baner med motsatt rotasjon). Ved å lade motroterende motroterende satellitter er det mulig å endre baneparametrene til hele systemet. I dette tilfellet er alle betingelsene for effektiv bruk av denne akselerasjonsmetoden oppfylt: en høy frekvens av møter og høye relative hastigheter.
En av de betydelige ulempene med elektrostatisk akselerasjon av romfartøyer er bombardementet av overflaten deres med partikler av kosmisk plasma, akselerert til høye energier av enhetens elektriske felt. Resultatet er penetrerende stråling i gamma- og røntgenområdet. Denne ulempen vil være fraværende ved bruk av magnetisk interaksjon.
Hvis raketten er utstyrt med en magnetfeltkilde, vil den samhandle med magnetfeltene til jorden, planeter og jern-nikkel-asteroider. Intensiteten til kosmiske magnetiske felt er flere størrelsesordener høyere enn intensiteten til elektriske felt i sammenlignbare enheter. Men dessverre har magnetfeltet en dipol-natur, og dets kraftinteraksjon manifesterer seg bare i nærvær av inhomogeniteter (gradient). Gradienten til kosmiske felt er svært liten: For å oppnå en samhandlingskraft, for eksempel 0,1 kgf, med jordens magnetfelt, trenger du en solenoid med mer enn 10 6 ampere omdreininger og en diameter på 100 m. Med eksisterende metoder for oppnå et magnetfelt, en rakett med en slik solenoid, selv om vi neglisjerer massen til nyttelasten, vil den ha en akselerasjon på bare 10 –6 m/s 2 .
Mer lovende er bruken av magnetiske systemer i den tidligere beskrevne interorbitale transporten ved transport av grupper av satellitter som roterer i kolliderende baner. På grunn av gjensidig tiltrekning eller frastøting av slike enheter, kan deres banehastighet endres. Imidlertid, siden magnetfeltet, på grunn av dets dipol-natur, avtar proporsjonalt med kuben av avstanden, og det elektriske feltet - til kvadratet, vil slike fremdriftssystemer være dårligere enn elektrostatiske i deres masseegenskaper.
Den moderne teorien om elektromagnetisme tillater eksistensen av magnetiske monopoler - analoger elektriske ladninger. Dersom slike monopoler oppdages og de kan skaffes i tilstrekkelige mengder, vil det åpne seg enorme muligheter for romteknologi. En rakett med en monopol magnetisk ladning kan skyte opp fra jordoverflaten uten å måtte bruke masse om bord, bare gjennom interaksjon med magnetfeltet, og deretter fortsette å akselerere i interstellare og interplanetære felt.
OM RETTEN TIL Å BLI FØDT OG OVERLEVE
Veien til implementering av nye typer fremdriftssystemer er lang og vanskelig, og de skapes som regel bare i tilfellet når deres fordeler i forhold til eksisterende ikke er uttrykt i prosentenheter, men endrer situasjonen betydelig. Enten forbedrer dette de økonomiske indikatorene for transportoperasjoner radikalt, eller så gjør de det mulig å løse problemer som ikke kan løses med eksisterende midler.
Hva er mulighetene til ulike fremdriftssystemer for å løse de mest presserende problemene astronautikken står overfor?
Organisering av store laststrømmer fra jordoverflaten til lave baner. Problemet kan bare løses ved bruk av høytrykksmotorer, så det er tilrådelig å vurdere slike måter å løse det på som kjemiske motorer, termiske kjernefysiske og termonukleære motorer og høytrykksmotorer med ekstern energioverføring. Av disse motorene tilhører hovedrollen i å løse problemet med å lansere i lav bane og vil i lang tid tilhøre kjemiske motorer. Når det gjelder energi- og skyvekraftegenskaper, er gassfase-atommotorer og termonukleære motorer egnet for å løse dette problemet, men faren for radioaktiv forurensning av atmosfæren er for stor.
Generelt bør det bemerkes at etter hvert som laststrømmene fra jordens overflate til lave baner intensiveres, vil spørsmålene om å minimere innvirkningen på naturlige prosesser fra utskytningskjøretøyer bli stadig viktigere. Med en tilstrekkelig lav intensitet av oppskytninger og den relative "lave kraften" til utskytningskjøretøyer, er naturlige prosesser i atmosfæren og ionosfæren i stand til å kompensere for lokale forstyrrelser i parametere generert under rakettoppskytninger. Et eksempel er prosessen med å stramme "vinduet" som vises i ozonlaget når sistnevnte samhandler med rakettens fakkel. Naturmiljøets kompenserende muligheter er imidlertid ikke ubegrensede, og dette kan ikke ignoreres.
Kravet om minimal påvirkning på naturlige prosesser vil tilsynelatende tjene som et ekstra insentiv for å lage utvinningsmidler som bruker eksterne energikilder. På grunn av det faktum at i motorer med eksterne energikilder (spesielt med laserkilder) kan en rekke stoffer brukes som arbeidsvæske, blir det mulig å velge en arbeidsvæske med minimal innflytelse på naturlige prosesser.
Et annet attraktivt aspekt ved bruk av motorer med eksterne kilder i utskytningskjøretøyer er det faktum at den mest komplekse delen av utstyret (energikilde og lasersender) er plassert utenfor kjøretøyet og ikke er utsatt for påvirkninger som er karakteristiske for utskytningsfasen (overbelastning, vibrasjon, etc.). ), og er tilgjengelig for vedlikehold og reparasjon. Til slutt er et slikt utskytingssystem et gjenbrukbart system (i det minste i betydningen å bruke utstyret til bakkedelen av systemet), som er svært viktig for å organisere intensive laststrømmer.
Av disse grunner vil motorer som bruker energien til lasere som befinner seg på jorden eller i bane nær jorden i fremtiden gi seriøs konkurranse til den tradisjonelle oppskytningsmetoden, spesielt i oppgaver med masseoppskyting av relativt små nyttelaster. Utseendet til slike systemer bør forventes i begynnelsen av neste århundre, samtidig når det er planlagt å implementere de første SSE-ene av industriell betydning.
Transport av stor last fra lave til høye baner og tilbake, transport av lignende last fra jordbane til månen. I motsetning til utskyting av last i lav bane, kan denne operasjonen utføres av motorer med både høy og lav skyvekraft. Når du bruker motorer med høy kraft, når enheten en høy bane eller i nærheten av månen mye raskere enn når du bruker motorer med lav kraft (enheter og titalls kilo kraft). Andelen nyttelast som leveres til en høy bane avhenger imidlertid av eksoshastigheten til arbeidsvæsken, og her kan lavkraftmotorer ha fordeler fremfor noen typer høykraftmotorer.
Spesielt viser en komparativ analyse av mulighetene for å løse dette problemet ved å bruke rakettmotorer med flytende drivstoff og elektriske fremdriftsmotorer med kjernekraftverk at hvis andelen last levert fra lav bane til stasjonær bane i det første tilfellet er omtrent 30 %, så i den andre er den 60–65 %. Denne omstendigheten kan være avgjørende ved valg av leveringskjøretøyer for transport av stor last, når den avgjørende faktoren er mengden last som transporteres i én flyvning, og ikke varigheten av sistnevnte.
Bruk av lavtrykksmotorer har en egenskap som kan være en stor fordel for en rekke transporterte laster: Lav skyvekraft skaper også lav overbelastning. I denne forbindelse blir det mulig å sette sammen store strukturer i lav bane og deretter flytte dem til høye baner, uten å pålegge strukturen og dermed skapte de strenge overbelastningskravene som er typiske ved bruk av høytrykksmotorer.
I løpet av de neste to tiårene var det tilsynelatende bare rakettmotorer med flytende drivstoff og elektriske jetmotorer med solcellepaneler eller kjernekraftverk vil bli brukt til den aktuelle operasjonen.
I fremtiden, for transportformål innenfor radius av Månens bane, kan motorer med eksterne kunstige energikilder brukes (og ganske effektivt). Dermed kan en laserstråle brukes som energikilde for de samme elektriske jetmotorene, men det er selvfølgelig mye mer effektivt å bruke energien direkte til å akselerere arbeidsfluidet
Et naturlig spørsmål som oppstår når man diskuterer problemet med å bruke lasermotorer i avstander på opptil 300 tusen km: hva skal parametrene til en installasjon som genererer en stråle som overfører elektromagnetisk energi over en slik avstand uten betydelige tap?
Beregninger viser at ved avstander på 300 tusen km er det nødvendig å ha antenner på 30–40 m på enheten og på kraftstasjonen. Dessuten må overflateproduksjonsnøyaktigheten til disse antennene opprettholdes til 0,1 mikron. Det er klart av dette at det er ekstremt vanskelig å bruke energien som oppnås på denne måten for å skape høy skyvekraft. På den annen side er det relativt sett å sende over en så unik kanal liten kraft(opptil flere megawatt) er neppe tilrådelig, om ikke annet av den grunn at i stedet for en mottaksantenne er det mer lønnsomt å plassere et solcellebatteri på enheten.
Det ser imidlertid ut til å være muligheter for å bruke laserfremdriftssystemer for høybanetransport og lasttransport til Månen som er berettiget både fra et teknisk og økonomisk synspunkt. Det er tekniske vanskeligheter og problemer langs denne veien, men de virker ganske overkommelige innenfor rammen av en rimelig ekstrapolering av moderne teknologi.
Bemannede interplanetære flyvninger. Tallrike flyreiser med automatiske stasjoner til Venus, Mars og de fjerne planetene i solsystemet skapte inntrykk av at dette er en oppgave i dag snarere enn i morgen. Uansett har bemannede flyreiser til Mars og Venus for lengst sluttet å være gjenstand for science fiction-litteratur. Samtidig Mulig løsning Disse oppgavene innenfor rammen av moderne teknologi, det vil si å bruke kun flytende rakettmotorer, virker ekstremt tungvint og ekstremt kostbare. Et av de mest "beskjedne" alternativene for en ekspedisjon til Mars innebærer, med en interplanetær romfartøys nyttelast på 50 tonn, oppskyting av romfartøyets strukturelle elementer og drivstoff med en totalmasse på 500–700 tonn i lav bane med fem til syv oppskytninger av Saturn- 5 typer raketter.
Men det er ikke den første massen i seg selv som skremmer, men behovet for å utføre et stort volum av kompleks installasjonsarbeid i verdensrommet. Å lansere en total nyttelast som veier 500 - 1000 tonn, som allerede nevnt, vil være en vanlig oppgave for de ledende rommakter på slutten av 80-tallet. Det skal bemerkes at for å løse problemet med å fly til Mars ved hjelp av elektriske lavkraftmotorer og atomkraftverk eller ved bruk av en fastfase atomreaktor med en eksoshastighet på omtrent 9 km/s, ble den totale massen lansert i referansebanen vil være 150–200 tonn.. Marsekspedisjonens varighet i alle tilfeller omtrent lik - 2 år 8 måneder.
Å redusere varigheten av ekspedisjonen med 2 ganger vil kreve en økning i energikostnadene med en størrelsesorden. Samtidig er det svært ønskelig å redusere varigheten av ekspedisjoner til planeter. Her åpner det seg brede muligheter for motorer med høy energiytelse, spesielt gassfase-atommotorer, termonukleære og pulserte termonukleære motorer. Det er lett å se at vi snakker om motorer, problemet med å skape som er på grensen til moderne teknologiske evner. I denne forbindelse, i det minste i de første stadiene av bemannede interplanetære flyvninger, kan betydelige gevinster oppnås ved bruk av motorer som bruker eksterne kilder til elektromagnetisk stråling som motorer med høy skyvekraft ved oppskyting fra satellittbane.
Sammenlignende egenskaper for forskjellige typer motorer for Mars-ekspedisjonen er gitt i tabell. 2.
tabell 2
Ekspedisjoner til Mars
| Hovedtrekk | Banetype | |
| Gomanovskaya | parabolsk | |
| Minimum total ekspedisjonsvarighet, dager | 972 | 153 |
| Total karakteristisk hastighet ved oppskyting fra satellittbane, km/s | 10,0 | 30,4 |
| Masse i bane til en kunstig satellitt med en romfartøysmasse på 50 t for forskjellige typer fremdriftssystemer, t | ||
| Flytende rakettmotor (hydrogen + fluor) | 480 | 5 10 4 |
| 150 | 1500 | |
| elektrisk jetmotor med kjernekraftverk | 150 | 1500 |
| gassfase kjernefysisk motor | 90 | 250 |
| Flytende rakettmotor + laser ved oppskyting fra en kunstig satellittbane ( v utstrømning = 20 km/s) | 300 | 5 10 3 |
| fastfase kjernefysisk motor + laser når den skytes opp fra satellittbane ( v utstrømning = 20 km/s) | 120 | 700 |
Er flyreiser til stjernene ekte? I følge moderne ideer er de mest egnede for interstellar reiser fotonmotorer, som bruker utslettelsesreaksjonen av materie med antimaterie. Imidlertid er løsningen på problemet med å lage slike motorer, så vel som problemet med å skaffe drivstoff til dem, så langt fra egenskapene til moderne teknologi at oppskriften viser seg å være tydelig meningsløs.
En gruppe engelske forskere forsøkte å analysere problemet med bemannede flyreiser til nærliggende stjerner (Proxima Centauri, ? Centauri, Bernards stjerne), basert på en ikke så langt ekstrapolering av moderne teknologiske evner. Blant systemene som er mulig fra moderne teknologis synspunkt, ble elektrisk fremdrift med et kjernekraftverk, akselerasjonssystemer med stråleenergi fra en rombasert laser, systemer av typen solseil og atommotorer med høy skyvekraft vurdert. Som det viste seg, kan ikke de listede motortypene løse problemet av forskjellige grunner, og her er hvorfor.
En elektrisk jetmotor med atomkraftverk gir for lav akselerasjonshastighet, noe som fører til en lang reise. Rombaserte laserstråleenergiforsterkersystemer og solseilsystemer har mindre masse enn et kjernefysisk-elektrisk system, men brøkdelen av energien omdannet (til romfartøyets kinetiske energi) er så liten at det også kreves lange boosttider. Kjernefysiske motorer med høy skyvekraft som Nerva termiske atommotor kan gi den nødvendige akselerasjonen. Imidlertid er eksoshastighetene som kan oppnås med slike systemer i størrelsesorden 10 km/s, noe som betyr at svært flott holdning masser for å oppnå ønsket slutthastighet. Mengden drivstoff som kreves i alle slike systemer gjør dem umulige.
Forfatterne anser det nærmest implementeringen av et fremdriftssystem egnet for flyging til stjernene for å være en termonukleær motor basert på mikroeksplosjoner med reaksjonsinitiering av en elektronakselerator, beskrevet tidligere. Forfatternes konklusjoner er imidlertid ikke udiskutable. Poenget her ligger både i mulighetene for å gjennomføre den foreslåtte ordningen og i nærvær av konkurrerende ordninger.
For å tydeligere forestille seg hvilket sprang i motorytelsen som må skje for at interstellar reise skal bli mulig, bare se på tabellen. 3, som gir data relatert til flyreiser fra jorden til den fjerneste planeten i solsystemet - Pluto.
Tabell 3
Flyreiser til Pluto
| Hovedtrekk | Banetype | ||
| Gomanovskaya | parabolsk | høy energi | |
| Flyvarighet, år | 45,7 | 19,3 | 3 |
| Karakteristisk hastighet, km/s | 8,4 | 12,4 | 100 |
| Forholdet mellom massen i bane til en kunstig satellitt og massen til romfartøyet for forskjellige typer fremdriftssystemer | |||
| Flytende rakettmotor (hydrogen + fluor) | 7,5 | 18 | – |
| fastfase kjernefysisk motor | 2,7 | 4,1 | – |
| laser v utløp = 20 km/s | 1,5 | 1,9 | 450 |
| termonukleær med mikroeksplosjoner | – | – | 3 |
Denne oppgaven er mye enklere enn å fly til stjernene. Det er nok å sammenligne avstandene som må tilbakelegges i begge tilfeller. Avstanden fra sollys til Pluto, som forplanter seg med en hastighet på rundt 300 000 km/s, går på 5 timer, mens det tar 4,3 år å nå de nærmeste stjernene (? Centauri). Likevel kan direkte (dvs. uten bruk av forstyrrelsesmanøvrer) flyvninger til Pluto oppnås i rimelig tid, hvis bare motorene har parametere, hvis implementering er forbundet med opprettelsen av termonukleære motorer. Selv egenskapene til gassfase kjernefysiske motorer er ikke nok til å utføre denne oppgaven.
Faktisk, bare med fremkomsten av slike motorer som termonukleære, vil det være mulig å seriøst engasjere seg i bemannede flyvninger i hele solsystemet. Foreløpig er det bare fremdriftssystemene som støtter bemannede orbitale flyvninger som kan anses som mer eller mindre mestret. Derfor, til tross for alle de enorme suksessene som allerede er oppnådd av astronautikk, vil det kreves en revolusjon (og kanskje mer enn én) innen romfremdriftsteknologi for at bemannede flyreiser, først til fjerne planeter, og deretter utover solsystemet, skal bli en realitet.
4. forside
Notater
1
Det bør bemerkes at programmet for at mennesket skal nå Månen allerede har kostet omtrent 24 milliarder dollar. Kostnadene for Mars-ekspedisjonsprogrammet er estimert til 70–80 milliarder dollar.
2
Selvfølgelig, hvis det var reserver av rakettdrivstoff på Månen, ville fylling av tomme tanker med dem gi en enda større gevinst i nyttelast. Men slik påfylling tilsvarer å øke energireserven om bord, og derfor vil ikke ovennevnte betraktninger angående optimal eksoshastighet gjelde.
3
I rakettteknologi, for å karakterisere motorer, brukes i stedet for eksoshastighet ofte et annet ekvivalent konsept - spesifikk skyvekraft (spesifikk impuls), som er numerisk lik eksoshastigheten delt på tyngdeakselerasjonen (9,81 m/s 2 ), og måles følgelig i sekunder. Spesifikk skyvekraft tilsvarer skyvekraften som skapes som et resultat av forbruket av en arbeidsvæske som veier 1 kg per 1 s. I fremtiden vil vi også bruke dette konseptet, sammen med utstrømningshastigheten. De spesifikke skyveverdiene for noen arbeidsvæsker er gitt i tabell. 1.
4
Mellomløsninger er mulige når hoveddelen av uran er i fast tilstand, og bare en liten del av det er i gassfasen. Men da er det vanskelig å oppnå høy temperatur på arbeidsfluidet, siden mesteparten av energien vil bli frigjort ved en relativt lav temperatur.
5
I flyjetmotorer er forholdet mellom skyvekraft og hastighet faktisk mer komplekst. Til å begynne med vokser den på grunn av en økning i effektiviteten til den termiske syklusen, siden med en økning i hastighetshodet øker kompresjonsforholdet. Fra en viss hastighetsverdi blir den imidlertid mindre.
Laster inn...
