Ядерная фотонная ракета - Википедия - Nuclear photonic rocket

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Ядерная фотонная ракета»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Ноябрь 2020) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В традиционном ядерная фотонная ракета, бортовой ядерный реактор будет генерировать такие высокие температуры, что излучение черного тела от реактора обеспечит значительную тягу. Недостаток в том, что требуется много мощность для создания небольшого количества толкать так, так ускорение очень низкий. В фотон радиаторы, скорее всего, будут построены с использованием графит или же вольфрам. Фотонные ракеты технологически осуществимы, но довольно непрактичны с нынешними технологиями, основанными на бортовом ядерном источнике энергии. Однако недавняя разработка фотонного лазерного двигателя (PLT) Beamed Лазерная установка (BLP) с рециркуляцией фотонов, обещает преодолеть эти проблемы, разделив ядерный источник энергии и космический корабль и увеличив на порядки отношение тяги к ядерной мощности (удельная тяга).^[1]

Требования к энергии и сравнения

Мощность на тягу, необходимая для идеального коллимированный выходной пучок 300 МВт /N (вдвое меньше, если его можно отразить от корабля); очень высоко плотность энергии Источники энергии потребуются для обеспечения разумной тяги без чрезмерного веса. В удельный импульс фотонной ракеты сложнее определить, поскольку на выходе нет массы (покоя) и не израсходовано топливо; если мы возьмем импульс, приходящийся на инерцию фотонов, удельный импульс будет просто c, что впечатляет. Однако, учитывая массу источника фотонов, например, атомов, испытывающих ядерное деление, снижает удельный импульс до 300 км / с (c/ 1000) или меньше; рассмотрение инфраструктуры для реактора (некоторые из которых также масштабируются в зависимости от количества топлива) снижает ценность еще больше. Наконец, любые потери энергии не из-за излучения, которое перенаправляется точно на корму, а вместо этого отводится опорами двигателя, излучается в каком-либо другом направлении или теряется через нейтрино или так еще больше снизит эффективность. Если бы мы установили 80% массы фотонной ракеты = делящееся топливо и признали, что ядерное деление преобразует около 0,10% массы в энергию: тогда, если масса фотонной ракеты составляет 300000 кг, тогда 240 000 кг из этого количества является атомным топливом. Следовательно, расщепление всего топлива приведет к потере всего 240 кг массы. Тогда 300 000/299 760 кг = м_я/м_ж из 1.0008. С использованием уравнение ракеты, мы нашли v_ж = ln 1.0008 × c куда c = 299 792 458 м / с.v_ж тогда может быть 239 930 м / с, что составляет около 240 км / с. Фотонная ракета с приводом от ядерного деления может ускоряться максимум до 1/10 000 м / с² (0,1 мм / с²), что составляет 10⁻⁵грамм. Скорость будет изменяться со скоростью 3000 м / с в год тяги фотонной ракеты.

Если фотонная ракета начинает свой полет по низкой околоземной орбите, то для достижения Земли может потребоваться один год толчка. скорость убегания 11,2 км / с, если аппарат уже находится на орбите со скоростью 9 100 м / с. После выхода из гравитационного поля Земли ракета будет иметь гелиоцентрическую скорость 30 км / с в межпланетном пространстве. Затем потребовалось бы восемьдесят лет постоянной фотонной тяги, чтобы в этом гипотетическом случае получить конечную скорость 240 км / с.

Можно получить еще более высокий удельный импульс; что из некоторых других фотонных двигательных устройств (например, солнечные паруса ) фактически бесконечно, поскольку не требуется перевозимого топлива. Как вариант, такие устройства как ионные двигатели при значительно более низком удельном импульсе дают гораздо лучшее соотношение тяги к мощности; для фотонов это отношение равно ${ displaystyle 1 / c}$, тогда как для медленных частиц (т. е. нерелятивистских; учитывается даже мощность типичных ионных двигателей) отношение равно ${ displaystyle 2 / v}$, что намного больше (поскольку ${ displaystyle v ll c}$). (Это в некотором смысле несправедливое сравнение, поскольку фотоны должны быть созданный а другие частицы просто ускоренный(но, тем не менее, количество импульсов на переносимую массу и на приложенную энергию - практические величины - такие же, как и дано). Фотонная ракета, таким образом, является расточительной, когда мощность, а не масса, находится на первом месте или когда можно сэкономить достаточную массу за счет использования более слабый источник энергии, что реакционная масса может быть включена без штрафа.

Лазер можно было бы использовать как фотонный ракетный двигатель и решить проблему отражения / коллимации, но лазеры абсолютно менее эффективны при преобразовании энергии в свет, чем излучение черного тела, хотя следует также отметить преимущества лазеров по сравнению с источником черного тела, включая однонаправленный управляемый луч, а также масса и долговечность источника излучения. Ограничения, связанные с уравнение ракеты можно преодолеть, пока реакционная масса не переносится космическим кораблем. В лучах Лазерная установка (BLP), фотоны излучаются от источника фотонов к космическому кораблю в виде когерентного света. Роберт Л. Нападающий пионер концепции межзвездного движения, включая движение фотонов и ракета на антивеществе двигательная установка. Однако BLP ограничен из-за чрезвычайно низкой эффективности генерации тяги отражения фотонов. Один из лучших способов преодолеть неотъемлемую неэффективность создания тяги фотонного двигателя путем усиления передачи импульса фотонов путем рециркуляции фотонов между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения.

Многократная рециркуляция фотонов на расстояниях в пассивном оптическом резонаторе, который состоит только из двух зеркал с высоким коэффициентом отражения, увеличивает диаметр лазерного луча, таким образом формируя Оптический резонансный резонатор Фабри-Перро в котором любое небольшое движение зеркал разрушило бы условие резонанса и нулевую фотонную тягу. Бэ, однако, обнаружил^[2] что в активном оптическом резонаторе, образованном двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения и промежуточной лазерной усиливающей средой, аналогично типичному лазерному резонатору, рециклинг фотонов становится нечувствительным к перемещению зеркал. Бэ по имени^[3] лазерный двигатель малой тяги, основанный на рециклировании фотонов в фотонном лазерном двигателе с активным оптическим резонатором (PLT). В 2015 году его команда продемонстрировала количество перерабатываемых фотонов до 1540 на расстоянии нескольких метров и фотонных импульсов до 3,5 мН с использованием лазерной системы мощностью 500 Вт.^[4] В лабораторная демонстрация Cubesat (вес 0,75 кг) двигался с помощью PLT. PLT с питанием от ядерный реактор или солнечная энергия может в принципе преодолеть «тиранию ракетного уравнения», которая подразумевает, что требуемая масса топлива на борту экспоненциально увеличивается в зависимости от целевой скорости для обычных двигателей, таким образом, в случае успешного развития, может расширить космические усилия человека за пределы Земли орбиты.^[5]

Источники питания

Реальные современные или краткосрочные конструкции реакторов деления могут генерировать до 2,2 кВт на килограмм массы реактора.^{[нужна цитата ]} Без какой-либо полезной нагрузки такой реактор мог бы запустить фотонную ракету на скорости почти 10⁻⁵ м / с² (10⁻⁶грамм; видеть грамм-сила ). Возможно, это могло бы обеспечить межпланетный полет возможность с околоземной орбиты. Термоядерная реакция также могут быть использованы реакторы, обеспечивающие, возможно, более высокую мощность.^{[нужна цитата ]}

Дизайн, предложенный в 1950-х годах Ойген Зенгер использовал позитрон -электрон уничтожение производить гамма излучение. Зенгер не смог решить проблему отражения и коллимирования гамма-лучей, создаваемых аннигиляцией позитронов и электронов; однако, экранируя реакции (или другие аннигиляции ) и поглощая их энергию, можно было бы создать аналогичную чернотельную двигательную установку. An антивещество фотонная ракета с питанием от материи могла бы (без учета защиты) получить максимум c удельный импульс; по этой причине фотонная ракета с питанием от аннигиляции антивещества потенциально может быть использована для межзвездный космический полет.^{[нужна цитата ]}

Теоретически другие конструкции, такие как космический корабль, использующий черную дыру Кугельблица, также могут использоваться для межзвездных путешествий, учитывая эффективность черных дыр в преобразовании материи в энергию.^{[нужна цитата ]}

Смотрите также

• Фотонная ракета
• Движение космического корабля
• Радиоизотопная ракета

Рекомендации

внешняя ссылка

• Применение ядерных фотонных двигателей для исследования дальнего космоса Андрея В. Гулевича, Евгения А. Иванова, Олега Федоровича Кухарчука, Виктора Я. Поупко, Анатолий Васильевич Зродников. Материалы конференции AIP
• «Межзвездные миссии по сближению с использованием силовых установок деления», Ленард, Р.Х., и Липиниски, Р.Дж., в Материалы Международного форума по применению космических технологий, 2000
• О преобразовании инфракрасного излучения фотонного двигателя на базе реактора деления в параллельный пучок, Гулевич, А. В .; Левченко, В.Е .; Логинов, Н. И .; Кухарчук, О. Ф .; Евтодиев, Д. А .; Зродников, А.В., в Материалы Международного форума по применению космических технологий, 2002
• Долговечный космический реактор для фотонной тяги, Sawada, T .; Endo, H .; Нечаев, А., в Материалы Международного форума по применению космических технологий, 2002