Ракетные двигатели, использующие энергию деления атомного ядра, давно являются объектом исследования российских и американских ученых. В этом нет ничего удивительного, ведь в случае создания подобного двигателя, откроются перспективы пилотируемого освоения Солнечной системы в неведомых до настоящего времени масштабах.
Еще более интересен термоядерный ракетный двигатель, основанный на реакции синтеза легких ядер. Его возможности, в том числе скорость истечения и тяга, в несколько раз превышают подобные параметры ядерного ракетного двигателя. Кроме того, в случае создания космического реактора синтеза решилась бы проблема безопасности, поскольку отсутствует радиация. Однако принципиальные технологические трудности пока не давали возможность всерьез рассматривать подобные варианты, как ближайшую перспективу.
Тем не менее, ученые Вашингтонского Университета объявили об испытаниях ракетного двигателя на термоядерной тяге. По словам профессора аэронавтики и астронавтики Джона Слоу, они рассчитывают дать новый импульс развитию космонавтики с помощью принципиально нового источника энергии. В случае успешной реализации проекта путешествие на Марс заняло бы от 30 до 90 суток, что, конечно, несопоставимо с современными годами. Кроме того, подобные двигатели позволили бы многократно увеличить полезную нагрузку и уменьшить себестоимость полетов. По информации, приводимой в прессе, испытания компонентов двигателя в лабораторных условиях прошли успешно.
Принцип действия термоядерного ракетного двигателя следующий. Плазма, разогретая до сверхвысоких температур, удерживается в магнитном коконе. В тот момент, когда плазма достигает расчетной температуры, в ней начинается реакция синтеза. Вокруг плазменного шнура располагаются кольца из металла-рабочего тела. Кольца взрываются и устремляются в точку прохождения термоядерной реакции, в результате чего перегретый ионизированный металл вырывается из сопла ракетного двигателя, образуя реактивную тягу. Двигатель работает в импульсном режиме: процесс повторяется через 30 секунд, что является достаточным условием для эффективного разгона космического корабля.
Дублин знаменит огромным разнообразием как исторических, так и современных достопримечательностей. Что же обязательно нужно посмотреть, находясь в этом прекрасном городе? Купить ...
Зимний дворец, который находится в Санкт-Петербурге, построен в 1754—1762 годах популярным в то время архитектором Б.Ф.Растрелли. Дворец популярен у ...
Пока ведущие космические державы готовятся к космическим программам далекого будущего, появились инициативные люди, готовые отправить пилотируемую экспедицию на Марс ...
По словам профессора Сото, современные индейцы коги, проживающие на побережье и в долинах Сьерра-Невады – это потомками тайронов. Сами тайроны ...
Самое глубоководное и пресное озеро в мире находится в азиатской части России, на территории Иркутской области и Бурятии. Природа вокруг озера ...
Вы наверняка обращали внимание, что обычный калькулятор работает при минимальной освещённости любой лампой. Сравнивая размер солнечного элемента калькулятора и стандартного солнечного модуля ...
Создание сайтов - индустрия в прямом смысле этого слова. И как всякая другая индустрия, разработка сайтов сегодня подчиняется законам ...
Растения очень украшают любой дом. Они напоминают нам дома о живой природе. Особенно это замечательно в зимнее время года, когда за ...
Радиаторы отопления являются чрезвычайно важным компонентом системы отопления дома или квартиры. Первым фактором является тепловая мощность радиатора. Считается, что площадь ...
ТТХ характеристики СУ 34 Имеет 12 точек подвески, способных принять весь спектр различного вооружения общей массой восемь тонн. Так же сохранилась и ...
В 12 километрах от курорта Совата, в Прайде, находится соляная шахта, образовавшаяся при добывании соли. Эта соляная шахта открыта ...
Особенностью Бермудского треугольника является тот факт, что для этой зоны совершенно не имеет значение, какое судно туда попадает. Это может быть ...
www.objectiv-x.ru
Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.
В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :
В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.
Следует отметить возможность многорежимности ТЯРД. Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел (например больших планет) где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 тыс. сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.
Двигатель второго типа — инерционный импульсный термоядерный двигатель. В реакторе такого двигателя управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней (топливных «таблеток»), содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Его основой и был реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся топливная таблетка с термоядерным топливом (например, дейтерий и тритий) — сложная конструкция сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на топливную таблетку. При этом на поверхности топливной таблетки создается зона с температурой более 100 млн. градусов при давлении в миллионы атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в
варианты конструкции ТЯРД Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.
В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :
В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.
Следует отметить возможность «многорежимной» работы ТЯРД. Путем впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел, например больших планет, где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 000сек до 4 млн.сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.
Двигатель второго типа — инерциальный импульсный термоядерный двигатель. В таком реакторе управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней, содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Главной его частью является реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся термоядерное топливо (например, дейтерий и тритий) в виде мишеней — сложной конструкции сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на мишень. При этом на поверхности мишени мгновенно создается температура более 100 млн градусов при давлении порядка миллиона атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10 км/с при помощи ЭМ-пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. В настоящее время уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия/разогрева микромишеней является тупиковым — в том числе практически невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием/нагревом микромишеней, как более эффективный, компактный и с гораздо большим ресурсом.
И тем не менее, есть мнение, что ТЯРД на инерциально-импульсном принципе слишком громоздок из-за очень больших циркулирующих в нём мощностей, при худшем, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим типом его действия. Идеологически к ТЯРД на инерциально-импульсном принципе примыкают взрыволеты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».
ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:
2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ
Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть мощности реакции и резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет, то есть его долговременное хранение невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащий литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T- реактора фактически служат дейтерий и литий.
2H + 3He = 4He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ
Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Хотя энергетический выход реакции D-T выше, реакция D-3He имеет следующие преимущества:
Сниженный нейтронный поток, реакцию можно отнести к «безнейтронным»,
Меньшая масса радиационной защиты,
Меньшая масса магнитных катушек реактора.
При реакции D-3He в форме нейтронов выделяется всего около 5 % мощности (против 80 % для реакции D-T).Около 20 % выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.
Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и
D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.
Возможны и некоторые другие типы реакций:
p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 MeV p + 11B → 3 4He + 8.7 MeVНейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.
Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и проч. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД т. н. «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая опасность для экипажа. Реакция дейтерий- гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода. В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.
Идея создания ТЯРД появилась практически сразу после осуществления первых термоядерных реакций (испытаний термоядерных зарядов). Одной из первых публикаций по теме разработки ТЯРД явилась изданная в 1958 году статья Дж. Росса. В настоящее время ведутся теоретические разработки таких видов двигателей (в частности, на основе лазерного термоядерного синтеза) и в целом — широкие практические исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Существуют твёрдые теоретические и инженерные предпосылки для осуществления такого типа двигателя в обозримом будущем. Исходя из расчетных характеристик ТЯРД, такие двигатели смогут обеспечить создание скоростного и эффективного межпланетного транспорта для освоения Солнечной системы. Однако реальные образцы ТЯРД на настоящий момент (2012) ещё не созданы.
xn--httpsdic-56g3h1cya1j.academic.ru
Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.
В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :
В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.
Следует отметить возможность многорежимности ТЯРД. Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел (например больших планет) где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 тыс. сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.
Двигатель второго типа — инерционный импульсный термоядерный двигатель. В реакторе такого двигателя управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней (топливных «таблеток»), содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Его основой и был реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся топливная таблетка с термоядерным топливом (например, дейтерий и тритий) — сложная конструкция сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на топливную таблетку. При этом на поверхности топливной таблетки создается зона с температурой более 100 млн. градусов при давлении в миллионы атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10 км/с при помощи электромагнитной пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. На сегодняшний день уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия/разогрева топливных таблеток — тупиковый путь: невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием/нагревом топливных таблеток, как более эффективный, компактный и с гораздо большим физическим ресурсом. Тем не менее, в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса с 2013 года более четырёх раз в процессе экспериментов на 192 лазерной установке National Ignition Facility получили энергии больше, чем было затрачено для инициации реакции [1].
Однако есть мнение, что инерционно-импульсный ТЯРД получится слишком громоздким из-за очень больших циркулирующих в нём мощностей при худших, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим характером его действия. Идеологически к ТЯРД на инерционно-импульсном принципе примыкают взрыволёты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».
ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:
2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ
Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть выходной энергии реакции и, как следствие, резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет. То есть долговременное хранение трития невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащей литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T-реактора фактически служат дейтерий и литий.
2H + 3He = 4He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ
Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:
При реакции D-3He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.
Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и
D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.
Возможны и некоторые другие типы реакций:
p + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16,9 MeV p + 11B → 3 4He + 8,7 MeVНейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.
Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и прочее. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведённую радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая ещё одну опасность для экипажа. Реакция дейтерий-гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.
Идея создания ТЯРД появилась практически сразу после осуществления первых термоядерных реакций (испытаний термоядерных зарядов). Одной из первых публикаций по теме разработки ТЯРД явилась изданная в 1958 году статья Дж. Росса. В настоящее время ведутся теоретические разработки таких видов двигателей (в частности, на основе лазерного термоядерного синтеза) и в целом — широкие практические исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Существуют твёрдые теоретические и инженерные предпосылки для осуществления такого типа двигателя в обозримом будущем. Исходя из расчетных характеристик ТЯРД, такие двигатели смогут обеспечить создание скоростного и эффективного межпланетного транспорта для освоения Солнечной системы. Однако реальные образцы ТЯРД на момент 2017 года ещё не созданы.
wikiredia.ru
В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :
В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.
Следует отметить возможность многорежимности ТЯРД. Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел (например больших планет) где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 тыс. сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.
Двигатель второго типа — инерционный импульсный термоядерный двигатель. В реакторе такого двигателя управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней (топливных «таблеток»), содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Его основой и был реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся топливная таблетка с термоядерным топливом (например, дейтерий и тритий) — сложная конструкция сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на топливную таблетку. При этом на поверхности топливной таблетки создается зона с температурой более 100 млн. градусов при давлении в миллионы атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10 км/с при помощи электромагнитной пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. На сегодняшний день уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия/разогрева топливных таблеток — тупиковый путь: невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием/нагревом топливных таблеток, как более эффективный, компактный и с гораздо большим физическим ресурсом. Тем не менее, в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса с 2013 года более четырёх раз в процессе экспериментов на 192 лазерной установке National Ignition Facility получили энергии больше, чем было затрачено для инициации реакции [1].
Однако есть мнение, что инерционно-импульсный ТЯРД получится слишком громоздким из-за очень больших циркулирующих в нём мощностей при худших, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим характером его действия. Идеологически к ТЯРД на инерционно-импульсном принципе примыкают взрыволёты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».
ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:
2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ
Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть выходной энергии реакции и, как следствие, резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет. То есть долговременное хранение трития невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащей литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T-реактора фактически служат дейтерий и литий.
2H + 3He = 4He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ
Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:
При реакции D-3He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.
Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и
D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.
Возможны и некоторые другие типы реакций:
p + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16,9 MeV p + 11B → 3 4He + 8,7 MeVНейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.
Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и прочее. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведённую радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая ещё одну опасность для экипажа. Реакция дейтерий-гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.
ru.mobile.bywiki.com
Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.
В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :
В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.
Следует отметить возможность многорежимности ТЯРД. Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел (например больших планет) где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 тыс. сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.
Двигатель второго типа — инерционный импульсный термоядерный двигатель. В реакторе такого двигателя управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней (топливных «таблеток»), содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Его основой и был реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся топливная таблетка с термоядерным топливом (например, дейтерий и тритий) — сложная конструкция сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на топливную таблетку. При этом на поверхности топливной таблетки создается зона с температурой более 100 млн. градусов при давлении в миллионы атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10 км/с при помощи электромагнитной пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. На сегодняшний день уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия/разогрева топливных таблеток — тупиковый путь: невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием/нагревом топливных таблеток, как более эффективный, компактный и с гораздо большим физическим ресурсом. Тем не менее, в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса с 2013 года более четырёх раз в процессе экспериментов на 192 лазерной установке National Ignition Facility получили энергии больше, чем было затрачено для инициации реакции [1].
Однако есть мнение, что инерционно-импульсный ТЯРД получится слишком громоздким из-за очень больших циркулирующих в нём мощностей при худших, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим характером его действия. Идеологически к ТЯРД на инерционно-импульсном принципе примыкают взрыволёты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».
ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:
2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ
Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть выходной энергии реакции и, как следствие, резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет. То есть долговременное хранение трития невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащей литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T-реактора фактически служат дейтерий и литий.
2H + 3He = 4He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ
Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:
При реакции D-3He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.
Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и
D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.
Возможны и некоторые другие типы реакций:
p + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16,9 MeV p + 11B → 3 4He + 8,7 MeVНейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.
Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и прочее. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведённую радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая ещё одну опасность для экипажа. Реакция дейтерий-гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.
Идея создания ТЯРД появилась практически сразу после осуществления первых термоядерных реакций (испытаний термоядерных зарядов). Одной из первых публикаций по теме разработки ТЯРД явилась изданная в 1958 году статья Дж. Росса. В настоящее время ведутся теоретические разработки таких видов двигателей (в частности, на основе лазерного термоядерного синтеза) и в целом — широкие практические исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Существуют твёрдые теоретические и инженерные предпосылки для осуществления такого типа двигателя в обозримом будущем. Исходя из расчетных характеристик ТЯРД, такие двигатели смогут обеспечить создание скоростного и эффективного межпланетного транспорта для освоения Солнечной системы. Однако реальные образцы ТЯРД на момент 2017 года ещё не созданы.
wikipedia.green
«Планета имеется колыбель разума, но нельзя всегда жить в колыбели», — сообщил Константин Циолковский. Для полетов к Луне либо, к примеру, к Марсу достаточно существующих химических ракетных двигателей. Но чтобы летать дальше, к внешним планетам Нашей системы (либо кроме того ближайшим звездам!), и не тратить на это многие десятилетия и годы, необходимы двигатели принципиально нового типа.
«Популярная механика» уже писала о проектах ядерных двигателей («К Марсу на реакторе», «ПМ» № 1’2007). Но температура и энергия ядерного распада намного меньше той, которую может дать термоядерный синтез. Неудивительно, что еще во второй половине пятидесятых годов появилась мысль применять для двигателей энергию, благодаря которой горят звезды, — энергию термоядерного синтеза.
Мало физики
Любой ракетный двигатель формирует тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество, которое именуют рабочим телом. Из дюз простых ракет истекают газообразные продукты сгорания горючего. В электроракетном двигателе рабочим телом помогает поток плазмы, разогнанной электромагнитными силами.
В ядерном — водород либо гелий, разогретый энергией деления ядер урана либо плутония.
Сила тяги любого двигателя зависит от скорости, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла. Подняв температуру, возможно расширить энергию (и скорость) молекул. Но конструкции и жаропрочные материалы имеют собственные пределы, к тому же подводимая энергия также ограничена. А возможно применять более легкие молекулы, потому, что при одной и той же энергии их скорость будет больше.
Ядерные двигатели, каковые смогут разогревать легкий водород, в этом отношении имеют важное преимущество перед химическими, продукты сгорания которых значительно тяжелее.
Кроме фактически тяги, крайне важным показателем ракетного двигателя есть его удельный импульс (либо удельная тяга) — отношение силы тяги к расходу рабочего тела. Эта величина, имеющая размерность м/с, характеризует эффективность двигателя. Теоретически она равна скорости истечения рабочего тела, а на практике может существенно различаться, исходя из этого ее именуют действенной (эквивалентной) скоростью истечения.
Удельный импульс (в м/с) имеет и второй наглядный физический суть: численно это время в секундах, за который один килограмм горючего может создавать тягу в 1 Н (либо тяга в ньютонах, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма рабочего тела).
Во второй половине 90-ых годов XIX века Константин Эдуардович Циолковский вывел известную формулу, определяющую большую конечную скорость одноступенчатой ракеты: она равна действенной скорости истечения рабочего тела (удельному импульсу двигателя), умноженной на натуральный логарифм отношения начальной и конечной весов ракеты.
Первый множитель определяется конструкцией и типом двигателя, а второй медлительно растет кроме того при громадном количестве горючего. К примеру, чтобы разогнать ракету конечной массой 10 т до скорости выше второй космической (11,2 км/с) посредством простых современных ракетных двигателей с импульсом 3000 м/с, необходимо около 500 т окислителя и топлива.
Кроме того с учетом разработки многоступенчатых ракет фактически нереально достигнуть скорости, превышающей удельный импульс более чем в четыре-пять раз. Исходя из этого сначала космических разработок важные силы были брошены на повышение действенной скорости истечения рабочего тела. на данный момент лучшие ракетные двигатели на химическом горючем (водород-кислородные) только приближаются к отметке 4500 м/с, и практически все методы улучшения их черт уже исчерпаны.
Ядерные ракетные двигатели разрешили бы расширить температуру до десятков тысяч градусов, а скорость истечения — приблизительно до 20000 м/с, но кроме того с этими двигателями полет корабля до внешних планет Нашей системы занял бы годы. А о полетах к звездам и сказать не приходится.
Настоящие звездолеты
В это же время существует метод поднять скорость истечения на многие порядки. Температура плазмы при термоядерном синтезе образовывает не десятки тысяч, а миллионы градусов. Соответственно, теоретический удельный импульс при реакции дейтерия и гелия-3 образовывает 21 500 000 м/с, другими словами более 7% от скорости света, что возможно разрешает разогнать межзвездный зонд до 25−30% от скорости света.
Само собой разумеется, необходимо покинуть запас горючего на торможение, но и 10−15% световой скорости вполне достаточно для отправки беспилотных аппаратов как минимум к нашим ближайшим соседям — звездной совокупности Альфа Центавра.
Действительно, это лишь в теории. Дело в том, что мощность ракетного двигателя равна половине произведения его тяги (Н) на его удельный импульс (м/с). Мощность, к примеру, двигателя первой ступени ракеты-носителя «Зенит» РД-171 с тягой 806 тс и удельным импульсом 3300 м/с — 13 ГВт (вдвое больше Саяно-Шушенской ГЭС!). Термоядерный двигатель такой же мощности с удельным импульсом в 21 500 000 м/с будет иметь тягу всего 123 кгс, и разгон до какое количество-нибудь значительных скоростей займет много лет.
У данной неприятности возможно два решения. Во-первых, возможно попытаться расширить мощность двигателя.
Но, увы, кроме того 13 ГВт мощности (выходной, а не термоядерной!) выглядят труднодостижимыми на практике. Во-вторых, возможно снизить удельный импульс. Уже 100 000 м/с откроют нам совсем новые возможности освоения Нашей системы.
Наряду с этим 1 ГВт выходной мощности будет соответствовать 20 000 Н либо более 2 тс тяги — достаточно кроме того для тяжелого (много тысячь киллограм «сухой» массы) межпланетного корабля, не предназначенного для входа в воздух.
За редчайшим исключением, все проекты термоядерных ракетных двигателей с магнитным удержанием основываются на так называемых открытых магнитных ловушках — цилиндрах, из торцов которых истекает поток плазмы. В случае если для энергетического реактора («ПМ» № 5’2012) такие утраты плазмы являются значительной проблемой, то для термоядерного двигателя это суть его работы, поскольку как раз поток плазмы из торца двигателя и формирует тягу.
Удельный импульс двигателя определяется температурой плазмы и может быть около нескольких миллионов метров в секунду. Напуск недалеко от торца двигателя дополнительного рабочего тела (простого водорода) может более чем на порядок повысить тягу двигателя (конечно, в ущерб удельному импульсу).
Самый несложный вариант для того чтобы двигателя — пробкотрон, состоящий всего из двух магнитных катушек, пробок, расположенных на некоем удалении друг от друга. Время от времени посередине додают менее замечательные катушки, каковые разрешают руководить профилем магнитного поля между пробками. При большом размере в пробкотроне может проходить термоядерная реакция, выделяющая чуть больше энергии, чем тратится на ее поддержание.
Но, увы, совсем ненамного и лишь при работе на смеси трития и дейтерия. Потому, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую мал, пробкотрон постоянно будет потребовать для собственной работы подвода энергии извне. В случае если отыскать в памяти, какие конкретно мощности нужны для значительной тяги при громадном удельном импульсе, окажется, что для питания двигателя нам потребуется полномасштабная космическая АЭС.
В таких условиях несложнее отказаться от термоядерного реактора и применять куда более несложную и значительно лучше отработанную связку из АЭС и электрореактивных двигателей.
Развитием идеи пробкотрона есть многопробочная ловушка (с гофрированным полем). В первом приближении методом повышения ее длины возможно достигнуть сколь угодно хорошего удержания плазмы, впредь до зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, не требующей подвода энергии извне. С учетом высокой плотности плазмы, которую возможно достигнуть в ловушке для того чтобы типа, она создаёт чувство очень перспективного кандидата.
Увы, имеется две неприятности, значительно снижающие перспективность этого направления.
Первая — это утраты плазмой энергии поперек магнитного поля, каковые для установок громадной длины, вероятнее, станут главными. Вторая проблема заключается в том, что кроме того для трития и смеси дейтерия (1:1) нужная протяженность двигателя будет равна примерно 1 км, а это на порядок превосходит размер МКС (для других видов горючего размеры двигателя будут еще больше).
Вторым развитием пробкотрона есть газодинамическая плазменная ловушка, в которой долгая область с однородным магнитным полем довольно малый напряженности с обоих финишей заканчивается замечательными магнитными пробками либо парами пробок (дополнительными пробкотронами с замечательным полем). Хорошее свойство таковой ловушки — прекрасно предсказуемое поведение плазмы в ней. Но ее протяженность, как и при многопробочной ловушки, обязана будет составлять около километра либо более кроме того при дейтерий-тритиевом горючем.
Еще один вариант открытых ловушек — это ловушки с амбиполярным удержанием плазмы. В несложном случае это совокупность из трех пробкотронов: один центральный с большой длиной и два мелких на торцах. Непрерывно подаваемая разогретая плазма в торцевых пробкотронах не позволяет уходить плазме из центрального пробкотрона. Сделав центральную часть достаточно долгой, мы постоянно можем создавать в ней больше энергии, чем необходимо для поддержания плазмы в концевых участках.
Такая ловушка теоретически обязана оказаться заметно меньше газодинамической либо многопробочной.
Но имеется у недостатки и нея. Во-первых, необходимая инжекция плазмы в концевых участках и нагрев ее в том месте, на что требуются десятки а также много милионов ватт. Так, реактор будет не только двигателем, но и базой полномасштабной электростанции для поддержания собственной работы.
Во-вторых, конфигурация электромагнитного поля в амбиполярной ловушке намного сложнее, чем в других типах открытых ловушек, а количество экспериментальных данных недостаточен. Так что до тех пор пока сказать об осуществимости для того чтобы двигателя через чур рано.
В ловушках с магнитным удержанием удельный импульс ограничен температурой плазмы, которая, со своей стороны, ограничена конструкцией. А вот инерциальный ядерный синтез возможно дает возможность приобрести удельный импульс порядка 10 000 000 м/с (около 3% от скорости света), что делает его совершенным вариантом для межзвездных зондов.
Этот принцип был использован в известном проекте звездолета «Дедал», что разрабатывался группой экспертов из Английского межпланетного общества в 1970-х годах. Его же применяет разрабатываемый на данный момент наследник «Дедала» — «Икар».
Термоядерные двигатели на инерциальном синтезе — это импульсные термоядерные реакторы, дополненные магнитным соплом для продуктов реакции. Потому, что зажигание самоподдерживающейся реакции тут принципиально нереально, реактор должен быть не только двигателем, но и электростанцией для обеспечения энергией самого себя. Причем его электрическая мощность должна быть равна как минимум 10% от мощности реактивной струи.
Расчеты говорят о том, что при тяге двигателя всего 2000 Н (204 кгс) и удельном импульсе 10 000 000 м/с нам потребуется мощность ракетного двигателя в 10 ГВт, а электрическая — не меньше 1 ГВт. Это мощность целого энергоблока большой АЭС.
Помимо этого, нет оснований считать, что в какое количество-нибудь обозримом будущем будут созданы космические лазеры, пригодные для обжатия мишеней для того чтобы двигателя. Единственным реалистичным вариантом можно считать применение пучков тяжелых ионов. Но и они, с нужными чертями, еще не созданы кроме того для наземных установок.
Практически все авторы проектов термоядерных двигателей игнорируют токамаки, ссылаясь на сложность осуществления отбора плазмы для реактивной струи. Но они ошибаются.
На заре термоядерных изучений предполагалось, что в токамаке плазма будет надежно удерживаться. Но скоро стало известно, что плазма поперек магнитного поля уходит на стенку установки и разрушает ее.
Одним из самые эффективных способов ответа данной неприятности была концепция дивертора. Сущность ее в том, что в конфигурации магнитного поля создается четкая граница — сепаратриса. В сепаратрисы плазма максимально прекрасно удерживается, но за ее пределами практически мгновенно уходит на особые пластины в нижней (значительно чаще) части установки, которая и именуется дивертором.
Так сотрудничество между стенкой и термоядерной плазмой значительно ослабляется. Нет ничего, что мешает применять плазму, пересекающую сепаратрису и уходящую в дивертор, для тяги в ракетном двигателе. Напуск водорода в область дивертора разрешит, как и при открытых ловушек, на порядок повысить тягу, пожертвовав удельным импульсом.
Наиболее значимое преимущество токамака перед всеми иными концепциями термоядерных ракетных двигателей — большая отработанность этого типа магнитных ловушек. В случае если параметры созданных открытых магнитных ловушек хуже нужных в много раз, то параметры токамаков необходимо улучшить всего на порядок. Помимо этого, наработки по термоядерному ракетному двигателю окажутся очень полезными для наземных термоядерных электростанций.
Расчеты говорят о том, что сферический токамак с сильным магнитным полем, трудящийся на смеси 98% трития и 2% дейтерия, способен развивать выходную мощность порядка 300 МВт. Объединяя пара таких токамаков, возможно взять тягу порядка 1000 кгс при удельном импульсе в 350 000 м/с, наряду с этим расход дейтерия составит 1,5 г/с, а водорода, применяемого как дополнительное рабочее тело, — около 26 г/с.
Корабль «сухой» массой 565 т, несущий 35 т дейтерия и 600 т водорода, сможет разогнаться до скорости 65 км/с, затормозить, опять разогнаться до данной скорости и опять затормозить. Такие параметры разрешают уложить продолжительность экспедиции к Сатурну в два года.
На чем же будут трудиться звездолеты? Выбор горючего — отдельная значительная неприятность. Несложнее всего запустить реакцию в смеси трития и дейтерия 1:1. Но с ее применением имеется громадные неприятности. Тритий в природе не видится, его нужно приобретать искусственно.
Нужные количества наряду с этим составят десятки тысячь киллограм, что многократно превышает возможности его производства за всю историю! Помимо этого, он радиоактивен (не смотря на то, что и слабо) и именно поэтому саморазогревается, так что его фактически нереально хранить в сжиженном виде, а хранить под давлением, к тому же и охлаждать — не самая несложная задача.
Исходя из этого логичным ответом представляется производство трития из лития прямо в двигателе, как это планируется делать на термоядерных электростанциях. Но за один проход через реактор успевает прореагировать только часть процента термоядерного горючего (в реакторах с инерциальным удержанием — до 10%). В электростанции вся отработанная (попавшая в дивертор) плазма планирует, и тритий возможно использован повторно.
Но в двигателе эта плазма выбрасывается, так что на один атом трития, вступивший в реакцию, необходимо произвести много новых. Но это нереально: один термоядерный нейтрон в лучшем случае может произвести два атома трития.
гелия смеси и Использование дейтерия-3 разрешает максимум термоядерной энергии задействовать в производстве тяги, поскольку «горение» таковой смеси дает куда меньше нейтронов и больше стремительных заряженных частиц. Гелий-3 стабилен и совсем надёжен. Но его на Земле нет.
Единственный источник гелия-3 — распад трития, так что производство его числом десятков тысячь киллограм — еще более непростая задача. Теоретически гелий-3 возможно добывать на Луне, но для этого потребуется создание замечательной космической инфраструктуры (для чего именно весьма понадобился бы термоядерный ракетный двигатель). Необходимо подчеркнуть еще две неприятности смеси дейтерия и гелия-3: во-первых, она требует куда большей температуры и времени удержания плазмы, а во-вторых, дает меньшую мощность на единицу количества плазмы.
Исходя из этого первые термоядерные ракетные двигатели будут трудиться или на чистом дейтерии, или на дейтерии с небольшой (не более нескольких процентов) примесью трития. Недочёты у этого топлива такие же, как и у смеси дейтерия и гелия-3, плюс еще замечательное нейтронное излучение. Но дейтерий довольно недорог и дешёв фактически в неограниченных количествах.
Концентрация примеси трития будет определяться тем, сколько его удастся произвести из лития. Кроме того маленькая примесь этого изотопа может разрешить значительно повысить термоядерную мощность реактора.
Еще одна весьма уникальная концепция термоядерного ракетного двигателя — проект «Орион», что на полном серьезе разрабатывался в Соединенных Штатах в 1950—1960-х годах. Он предполагал применять для тысячи и полёта сотни ядерных боеголовок, взрываемых друг за другом!
Ядерные взрывы планировалось создавать сзади корабля, наряду с этим должны были употребляться особые боезаряды, дающие две направленные струи плазмы, одна из которых попадала бы в особую тяговую плиту корабля, толкая его вперед. Тяга кроме этого создавалась за счет испарения масла, которым опрыскивалась эта плита.
Испарение масла охлаждало плиту, защищая ее от разрушения. В соответствии с расчетам, удельный импульс должен был составлять десятки тысяч метров в секунду, наряду с этим тяги хватило бы для старта с Почвы. Были созданы самые различные варианты таких судов, начиная от лунных и заканчивая межзвездными.
В ходе проекта были созданы макеты, применяющие простые химические бомбы, каковые доказали возможность устойчивого полета за счет серии взрывов. Помимо этого, был произведен настоящий ядерный взрыв, на протяжении которого подтвердилась возможность создания тяговой плиты.
Одна из наиболее значимых неприятностей термоядерного синтеза — сотрудничество стенок вакуумной плазмы и камеры. Оно значительно ухудшает параметры плазмы, а сама стена разрушается. Термоядерные ракетные двигатели предполагается применять лишь в космосе, так что космический вакуум разрешает убрать из конструкции стенку, покинув только маленькие защитные накладки на магнитных катушках.
Это значительно облегчит задачу зажигания термоядерной плазмы. Возможно может произойти так, что первые термоядерные двигатели начнут трудиться раньше, чем наземные термоядерные электростанции.
Статья «Звездные суда» размещена в издании «Популярная механика» (№126, апрель 2013).
<
h5>
apotime.ru
