Массовый драйвер - Mass driver

Художественная концепция массового водителя на Луна.

А массовый драйвер или же электромагнитная катапульта предлагаемый метод неракетный запуск в космос который будет использовать линейный двигатель к ускоряться и катапульта полезные нагрузки до высоких скоростей. Все существующие и предполагаемые массовые драйверы используют катушки проводов, возбуждаемых электричеством, для создания электромагниты. Последовательное включение ряда электромагнитов ускоряет полезную нагрузку по траектории. Покинув путь, полезная нагрузка продолжает движение из-за импульс.

Хотя любое устройство, используемое для приведения в движение баллистический полезная нагрузка технически является массовым драйвером, в этом контексте массовый драйвер по сути койлган который магнитно ускоряет упаковку, состоящую из намагничиваемого держателя, содержащего полезную нагрузку. Как только полезная нагрузка была ускорена, они разделяются, и держатель замедляется и повторно используется для другой полезной нагрузки.

Двигатели массы могут использоваться для приведения в движение космического корабля тремя различными способами: большой наземный двигатель массы может использоваться для запуска космического корабля вдали от Земли, Луна, или другое тело. Водитель небольшой массы мог бы находиться на борту космического корабля, выбрасывая в космос кусочки материала, чтобы двигаться. Другой вариант - это массивное сооружение на луне или астероиде, отправляющее снаряды в помощь дальнему кораблю.

Миниатюрные массовые драйверы также могут быть используется как оружие аналогично классическому огнестрельному оружию или пушкам, использующим химическое горение. Гибриды койлганов и рельсотрон Такие как спиральные рейлганы также возможны.[1]

Драйверы с фиксированной массой

Смотрите также: Космическая пушка

Двигатели массы не нуждаются в физическом контакте между движущимися частями, потому что они направляют свои снаряды за счет динамической магнитной левитации, что обеспечивает исключительную возможность многократного использования в случае твердотельного переключения питания и функциональный срок службы - теоретически - до миллионов запусков. В то время как предельные затраты, как правило, низкие, первоначальные затраты на разработку и строительство сильно зависят от характеристик, особенно от предполагаемой массы, ускорения и скорости снарядов. Например, пока Джерард О'Нил построил свой первый массовый драйвер в 1976–1977 годах с бюджетом в 2000 долларов, тестовая модель стрельба снарядом со скоростью 40 м / с и 33 грамм,[2]его следующая модель имела на порядок большее ускорение[3]после сопоставимого увеличения финансирования, а несколько лет спустя исследователи из Техасского университета подсчитали, что массовый пуск 10-килограммового снаряда со скоростью 6000 м / с будет стоить 47 миллионов долларов.[4][нужна цитата для проверки ][5][неудачная проверка ]

При заданном количестве задействованной энергии более тяжелые предметы движутся пропорционально медленнее. Свет[требуется разъяснение ] объекты могут проецироваться на скорости 20 км / с и более. Ограничениями, как правило, являются стоимость накопителя энергии, который может быть разряжена достаточно быстро, и стоимость переключения мощности, которая может осуществляться с помощью полупроводников или газофазных переключателей (которые по-прежнему часто занимают нишу в приложениях с экстремальной импульсной мощностью).[6][7][8] Однако энергия может храниться индуктивно в сверхпроводящих катушках. Массовый драйвер длиной 1 км, сделанный из сверхпроводящих катушек, может разогнать автомобиль весом 20 кг до 10,5 км / с при эффективности преобразования 80% и среднем ускорении 5600 g.[9]

Драйверы массы наземного базирования для вывода на орбиту транспортных средств, таких как StarTram концепция потребует значительных капитальных вложений.[10]

Относительно сильная гравитация Земли и относительно толстая атмосфера затрудняют такую ​​установку, поэтому многие предложения включают установку массовых драйверов на Луна, где нижняя сила тяжести и отсутствие атмосферы значительно снизить скорость, необходимую для выхода на лунную орбиту.

В большинстве серьезных конструкций массовых драйверов используются сверхпроводящие катушки для достижения разумной энергетической эффективности (часто от 50% до 90 +%, в зависимости от конструкции).[11] Оборудование может включать в себя сверхпроводящую емкость или алюминиевую катушку в качестве полезной нагрузки. Катушки массового драйвера могут вызывать вихревые токи в алюминиевой катушке полезной нагрузки, а затем воздействовать на полученный магнитное поле. Есть два раздела массового драйвера. Максимум ускорение часть разделяет катушки на постоянные расстояния и синхронизирует токи катушек с баком. В этом разделе ускорение увеличивается с увеличением скорости до максимального значения, которое может выдержать ковш. После этого начинается область постоянного ускорения. Эта область разделяет катушки на увеличивающиеся расстояния, чтобы обеспечить фиксированное увеличение скорости в единицу времени.

Основываясь на этом режиме, основное предложение по использованию массовых двигателей включало транспортировку материала с поверхности Луны в космические среды обитания для обработки с использованием солнечная энергия.[12] Институт космических исследований показал, что это приложение было достаточно практичным.

В некоторых конструкциях полезная нагрузка будет удерживаться в ковше, а затем высвобождаться, чтобы ковш можно было замедлить и использовать повторно. С другой стороны, одноразовый ковш поможет ускорению по всей трассе. В качестве альтернативы, если бы трасса была построена по всей окружности Луны (или любого другого небесного тела без значительной атмосферы), то ускорение многоразового ковша не было бы ограничено длиной трассы - однако такая система должна быть спроектирован так, чтобы выдерживать существенные центробежные силы если он предназначен для ускорения пассажиров и / или груза до очень высоких скоростей.

На земле

В отличие от грузовых химикатов космическая пушка В концепциях массовый драйвер может быть любой длины, доступным по цене и с относительно плавным ускорением на всем протяжении, возможно даже достаточно длинным для достижения целевой скорости без чрезмерного g силы для пассажиров. Он может быть очень длинным и в основном выровненным по горизонтали. стартовая дорожка для космического запуска, направленный вверх в конце, частично за счет изгиба гусеницы вверх и частично за счет Кривизна Земли в другом направлении.

Естественные возвышенности, такие как горы, могут облегчить строительство удаленной части, направленной вверх. Чем выше дорожка заканчивается, тем меньшее сопротивление атмосферы будет испытывать запущенный объект.[13]

40 мегаджоули за килограмм или меньше кинетическая энергия снарядов, выпущенных со скоростью до 9000 м / с (с учетом дополнительных потерь на лобовое сопротивление) в направлении низкая околоземная орбита несколько киловатт-часы на килограмм, если эффективность относительно высока, что, соответственно, предположительно составляет менее 1 доллара стоимости электроэнергии за килограмм, отправленный в ЛЕО, хотя общие затраты будут намного больше, чем просто электричество.[10] Поскольку массовый драйвер расположен в основном немного выше, на или под землей, его легче обслуживать по сравнению со многими другими конструкциями. неракетный запуск в космос. Независимо от того, находится ли он под землей, он должен быть помещен в трубу, которая вакуумная откачка для предотвращения попадания внутреннего воздуха тащить, например, с механической заслонкой, большую часть времени закрытой, но плазменное окно используется в моменты зажигания для предотвращения потери вакуума.[14]

Двигатель массы на Земле обычно будет компромиссной системой. Массовый драйвер разгонял бы полезную нагрузку до некоторой высокой скорости, которой было бы недостаточно для орбиты. Затем он выпустит полезную нагрузку, которая завершит запуск ракетами. Это резко снизит скорость, необходимую ракетам для достижения орбиты. Менее одной десятой орбитальной скорости небольшого ракетного двигателя достаточно, чтобы поднять перигей если в дизайне приоритет отдается минимизации таких, но гибридные предложения опционально снижают требования к самому массовому драйверу за счет большей части дельта-v от ожога ракеты (или орбитального привязка обмена импульсом ).[10] На Земле в конструкции массового драйвера, возможно, можно было бы использовать хорошо протестированные маглев составные части.

Чтобы запустить космический аппарат с людьми на борту, путь массового водителя должен быть протяженностью в несколько сотен километров, если он будет обеспечивать почти всю скорость. Низкая околоземная орбита, хотя меньшая длина могла обеспечить большую помощь при запуске. Требуемая длина при ускорении в основном с постоянным максимально допустимым перегрузка для пассажиров пропорциональна квадрату скорости.[15] Например, половина заданной скорости может соответствовать туннелю на четверть длины, который необходимо построить, для того же ускорения.[15] Для неровных объектов может быть достаточно гораздо более высоких ускорений, позволяющих получить гораздо более короткий путь, потенциально круговой или спиральный (спираль).[16] Другая концепция включает в себя конструкцию большого кольца, при которой космический аппарат будет несколько раз облетать кольцо, постепенно набирая скорость, прежде чем будет выпущен в коридор запуска, ведущий в небо.

Для захоронения ядерных отходов в космосе были предложены массовые драйверы: снаряд, запущенный намного выше Земли. скорость убегания вырвется из Солнечной системы, при прохождении через атмосферу с такой скоростью, которая рассчитывается как выживаемость через удлиненный снаряд и очень существенный тепловой щит.[9][17][требуется проверка ]

Драйверы массы для космических аппаратов

А космический корабль мог нести массовый драйвер в качестве основного двигателя. При наличии подходящего источника электроэнергии (возможно, ядерный реактор ) космический корабль мог бы затем использовать массовый двигатель для ускорения частиц почти любого вида, ускоряя себя в противоположном направлении. При наименьшем масштабе реактивной массы этот тип привода называется ионный привод.

Абсолютного теоретического предела для размера, ускорения или дульной энергии линейных двигателей не известно. Однако существуют практические инженерные ограничения, такие как отношение мощности к массе, отходящее тепло рассеивание, а также возможность подачи и обработки потребляемой энергии. Скорость выхлопа лучше не слишком низкая и не слишком высокая.[18]

Существует ограниченная оптимальная скорость выхлопа в зависимости от задачи и удельный импульс для любого двигателя, ограниченного мощностью бортового космического корабля. Тяга и импульс выхлопа на единицу вытесненной массы линейно возрастают с его скоростью (импульс = mv), но требования к кинетической энергии и потребляемой энергии увеличиваются быстрее с увеличением квадрата скорости (кинетическая энергия = ​ 1⁄2 мв2). Слишком низкая скорость истечения приведет к чрезмерному увеличению массы пороха, необходимой под уравнение ракеты, со слишком высокой долей энергии, идущей на ускоряющее топливо, но еще не использованное. Более высокая скорость истечения имеет как преимущества, так и компромисс, увеличивая эффективность использования топлива (больше импульса на единицу массы выбрасываемого топлива), но уменьшая тягу и текущую скорость ускорения космического корабля, если доступная входная мощность постоянна (меньше количества движения на единицу энергии, передаваемой ракетному топливу) .[18]

Электродвигатель Такие методы, как массовые драйверы, - это системы, в которых энергия не исходит от самого топлива. (Такие контрасты с химические ракеты куда тяговая эффективность изменяется в зависимости от отношения скорости выхлопа к скорости транспортного средства в данный момент, но почти максимально достижимый удельный импульс имеет тенденцию быть проектной целью, когда соответствует наибольшему количеству энергии, высвобождаемой от реагирующих порохов). Хотя удельный импульс электрического двигателя малой тяги опционально может достигать того места, где массовые драйверы сливаются в ускорители частиц с фракционной скоростью истечения для крошечных частиц, попытка использовать экстремальную скорость истечения для ускорения гораздо более медленного космического корабля могла бы иметь неоптимально низкую тягу, когда энергия, доступная от реактора космического корабля или источника энергии, ограничена (меньший аналог подачи бортовой энергии на ряд прожекторов, фотоны являются примером чрезвычайно низкого отношения импульса к энергии).[18]

Например, если бы ограниченная бортовая мощность, подаваемая на его двигатель, была доминирующим ограничением того, сколько полезной нагрузки гипотетический космический корабль мог бы перебрасывать (например, если бы экономическая стоимость собственного топлива из-за использования внеземной почвы или льда была бы незначительной), идеальная скорость выхлопа была бы примерно 62,75% от общей миссии дельта v при работе с постоянным удельным импульсом, за исключением большей оптимизации переменная скорость выхлопа во время профиля миссии (по возможности с некоторыми типами двигателей, включая массовые драйверы и магнитоплазменные ракеты с переменным удельным импульсом ).[18]

Поскольку массовый драйвер может использовать любой тип массы в качестве реакционной массы для перемещения космического корабля, массовый драйвер или какой-либо его вариант кажется идеальным для космических аппаратов, которые отбирают реакционную массу из найденных ресурсов.

Одним из возможных недостатков массового двигателя является то, что он может отправить твердую реакционную массу, движущуюся с опасно высокой относительной скоростью на полезные орбиты и полосы движения. Чтобы преодолеть эту проблему, большинство схем планируют перебросить мелкодисперсный пыль. В качестве альтернативы можно использовать жидкий кислород в качестве реакционной массы, которая при высвобождении переходит в свое молекулярное состояние. Продвижение реакционной массы к солнечной скорость убегания - еще один способ гарантировать, что опасность не останется.

Гибридные массовые драйверы

Массовый драйвер на космический корабль может использоваться для «отражения» масс от неподвижного массового водителя. Каждое замедление и ускорение массы способствует импульс космического корабля. Легкий и быстрый космический корабль не требует реакционная масса, и не требует большого количества электроэнергии сверх того количества, которое необходимо для возмещения потерь в электронике, в то время как неподвижное вспомогательное средство может работать от электростанций, которые при необходимости могут быть намного больше, чем космический корабль. Это можно рассматривать как форму силовая установка с лучевым приводом (макроскопический аналог пучок частиц ходовой магнитный парус). Подобная система могла бы также доставлять гранулы топлива на космический корабль для питания другой двигательной установки.[19][20][21][22]

Другое теоретическое применение этой концепции движения можно найти в космические фонтаны, система, в которой непрерывный поток гранул по круговой направляющей поддерживает высокую конструкцию.

Массовые драйверы как оружие

Электромагнитные пусковые установки малых и средних размеров с высоким ускорением в настоящее время активно исследуются ВМС США.[23] для использования в качестве оружия наземного или корабельного базирования (чаще всего рельсотрон но койлганы в некоторых случаях). В большем масштабе, чем оружие, которое в настоящее время находится на стадии развертывания, но иногда предлагается в долгосрочных прогнозах на будущее, достаточно высокая скорость линейный двигатель, массовый двигатель, теоретически мог бы использоваться в качестве межконтинентальной артиллерии (или, если был построен на Луна или на орбите, раньше атаковать место на поверхности Земли ).[24][25][26] Поскольку массовый драйвер будет расположен выше по гравитационному колодцу, чем теоретические цели, он будет обладать значительным энергетическим дисбалансом с точки зрения контратаки.

Практические попытки

Одно из первых инженерных описаний «электрического пистолета» появляется в техническом приложении к фантастическому роману 1937 года «От нуля до восьмидесяти» по «Псевдоману Аккада».[27] псевдоним принстонского физика и предпринимателя в области электротехники Эдвин Фитч Нортрап. Доктор Нортруп построил прототип катушечной пушки, работающей от трехфазных электрических генераторов с частотой кГц, и в книге есть фотографии некоторых из этих прототипов. В книге описывается вымышленное кругосветное плавание вокруг Луны на двухместном транспортном средстве, запущенном из электрической пушки Northrup.

Более поздние прототипы массовых драйверов строились с 1976 г. (Массовый драйвер 1 ), некоторые построены в США. Институт космических исследований чтобы доказать свои свойства и практичность. Военные исследования и разработки по койлганам связано, как и поезда на магнитной подвеске.

Смотрите также

Люди

Рекомендации

  1. ^ Kolm, H .; и другие. (1980). «Электромагнитные пушки, пусковые установки и реактивные двигатели». Массачусетский технологический институт. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ Сравнивать:Хенсон, Кит; Хенсон, Кэролайн (Июнь 1977 г.). "Конференция 1977 г. по средствам космической промышленности" (PDF). L5 Новости. L-5 Общество. 2 (6): 4. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-05-05. Получено 2017-11-27. Звезды этой конференции [...] были профессор Генри Колм из Массачусетского технологического института и группа студентов-добровольцев, которые построили первый массовый драйвер [...] В своем лучшем тесте прототип массового драйвера развил ускорение в 30 раз. -три тяжести. Это больше, чем доктор О'Нил [...] счел необходимым для двигателя лунной поверхности. [...] Массовый драйвер демонстрировался несколько раз в перерывах между сессиями конференции, каждый раз с аплодисментами команде, которая построила его менее чем за четыре месяца с бюджетом в 2000 долларов.
  3. ^ Сравнивать:Сноу, Уильям Р .; Данбар, Р. Скотт; Кубби, Джоэл А .; О'Нелл, Джерард К. (Январь 1982 г.). "Драйвер массы 2: отчет о состоянии" (PDF). IEEE Transactions on Magnetics. Маг-18 (1): 127. Bibcode:1982ITM .... 18..127S. Дои:10.1109 / tmag.1982.1061777. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-07-22. Получено 2017-11-26. Mass Driver Two впервые сочетает в себе все основные особенности рабочего массового привода, за исключением рециркуляции ковша и обработки полезной нагрузки. Его номинальное расчетное ускорение составляет 5000 м / с2 для конечной скорости 112 м / с.
  4. ^ IEEE Transactions on Magnetics, Vol Mag-18, No. 1[постоянная мертвая ссылка ], Январь 1982 г. Проверено 10 мая 2011 г.
  5. ^ Электромагнитные пусковые установки для космических приложений. Проверено 10 мая 2011 года.
  6. ^ «Сильноточные высоковольтные твердотельные разрядные выключатели для электромагнитных пусковых установок» (PDF).
  7. ^ «Импульсные устройства переключения мощности - Обзор».
  8. ^ «Сканирование технологий: современная импульсная энергия». Получено 27 апреля, 2011.
  9. ^ а б "Новости L5, сентябрь 1980: массовое обновление драйверов". Архивировано из оригинал на 2017-12-01. Получено 2009-07-28.
  10. ^ а б c "StarTram2010: Запуск Maglev: сверхнизкий доступ к космосу сверхвысоких объемов для грузов и людей". Архивировано из оригинал на 2017-07-27. Получено 2011-04-28.
  11. ^ Kolm, H .; Mongeau, P .; Уильямс, Ф. (сентябрь 1980 г.). «Электромагнитные пусковые установки». IEEE Transactions on Magnetics. 16 (5): 719–721. Bibcode:1980ITM .... 16..719K. Дои:10.1109 / TMAG.1980.1060806.
  12. ^ НАСА, 1975: Космические поселения: исследование дизайна. Проверено 9 мая 2011.
  13. ^ «Магнитная пусковая система». Космический монитор.
  14. ^ «Продвинутое исследование силовых установок» (PDF).
  15. ^ а б «Постоянное ускорение».
  16. ^ "Магниты, а не ракеты, могут запустить спутники в космос".[мертвая ссылка ]
  17. ^ Парк, Чул; Боден, Стюарт В. (1982). «Снижение и замедление массовых запускаемых снарядов для космического захоронения ядерных отходов». В Хортоне, Т. Э. (ред.). Теплофизика входа в атмосферу. Американский институт аэронавтики и астронавтики. С. 201–225. Дои:10.2514/5.9781600865565.0201.0225. ISBN  978-0-915928-66-8.
  18. ^ а б c d «Физика ракетных систем с разделением энергии и топлива».
  19. ^ Певица, C.E. (1979). «Межзвездный двигатель, использующий поток гранул для массопереноса» (PDF). Дои:10.2172/5770056. Получено 9 мая, 2011. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  20. ^ Гилстер, Пол (20 апреля 2005 г.). «Межзвездный полет с использованием краткосрочных технологий». Центаврианские мечты. Получено 9 мая, 2011.
  21. ^ Патент США № 5305974, Движение космического корабля за счет передачи импульса.. Проверено 9 мая 2011 года.
  22. ^ Матлофф, Грегори Л. (2005). "8.5: Torodial Ramscoop". Зонды дальнего космоса: во внешнюю солнечную систему и за ее пределы. Springer. п. 120. ISBN  9783540247722. Получено 9 мая, 2011.
  23. ^ "ВМС США".
  24. ^ Применение технологии электромагнитной тяги койлгана. Проверено 9 мая 2011 года.
  25. ^ Доступный космический корабль: альтернативы конструкции и запуска, глава 5, стр.. Проверено 9 мая 2011 года.
  26. ^ QDR 2001: Стратегический выбор для безопасности Америки, глава 11, Global Reach / Global Power School В архиве 2012-03-23 ​​в Wayback Machine. Проверено 9 мая 2011 года.
  27. ^ Псевдоман, Аккад (1937). От нуля до восьмидесяти. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.

внешняя ссылка