Люди уже успели побывать на Луне, да и полет на околоземную орбиту уже не кажется чем-то из ряда вон выходящим. В космосе давно и прочно обосновалась Международная космическая станция. Тем не менее, если вы задумаетесь о размерах нашей Солнечной системы, не говоря уж о всей Вселенной, станет очевидно, что наши шаги в освоении межпланетного и межзвездного пространства — просто пешком под стол. Для того, чтобы слетать на Марс и другие планеты, которые находятся вне досягаемости обычных ракетных двигателей, NASA разрабатывает несколько дополнительных реактивных двигателей, в том числе и на энергии солнца.
В принципе, космический корабль с силовой установкой на термоядерном синтезе должен воссоздать те же типы высокотемпературных реакций, которые происходят в сердце солнца. Огромная энергия этих реакций вырабатывается двигателем и создает тягу. Используя этот тип двигательной установки, космический корабль может добраться до Марса всего за три месяца. Обычным ракетам понадобится по меньшей мере семь.
В этой статье вы узнаете, что такое синтез и что делает NASA для того, чтобы корабли с такими двигателями стали реальностью.
Мы и наша планета во многом зависим от миллионов ядерных реакций синтеза, которые каждую секунду происходят внутри ядра Солнца. Без этих реакций у нас бы не было ни света, ни тепла, и, вероятнее всего, жизни. Термоядерный синтез происходит, когда два атома водорода сталкиваются и создают больший атом гелия-4, который испускает энергию в процессе этого.
Вот как происходит эта реакция:
Синтез может происходить только в условиях крайне горячей среды, температура которой измеряется миллионами градусов. Звезды, состоящие из плазмы, представляют собой единственные природные объекты, достаточно горячие для создания реакции термоядерного синтеза. Плазма, которую часто называют четвертым состоянием вещества, представляет собой ионизированный газ, состоящий из атомов, лишенных некоторой части электронов. Реакция синтеза отвечает за создание 85 % энергии Солнца.
Высокий уровень тепла, необходимый для создания этого типа плазмы, приводит к тому, что ее нельзя заключить в контейнер из любого, известного нам вещества. Тем не менее, плазма хорошо проводит электричество, что позволяет удерживать, управлять и ускорять ее с помощью магнитного поля. Именно это легло в основу космического корабля с двигателем на основе синтеза, который NASA хочет построить в течение ближайших 25 лет. Давайте рассмотрим конкретные проекты двигателей на основе термоядерного синтеза.
Реакция термоядерного синтеза высвобождает огромное количество энергии, именно поэтому исследователи всячески пытаются приспособить ее к двигательной системе. Корабль на энергии синтеза мог бы серьезно вывести вперед NASA в гонке за Марс. Этот тип корабля может сократить время пребывания в пути на Марс более чем на 50 %, тем самым уменьшив вредные воздействия радиации и невесомости.
Строительство космического аппарата, летящего на энергии термоядерного синтеза, будет эквивалентно разработке автомобиля на Земле, который может ехать в два раза быстрее любого другого. В ракетостроении эффективность использования топлива ракетным двигателем измеряется его удельным импульсом. Удельный импульс означает единицу тяги на единицу пропеллента, потребляемого в течение времени.
Двигатель на синтезе может обладать удельным импульсом в 300 раз большим, чем обычные химические двигатели. Обычный химический ракетный двигатель обладает импульсом примерно 1300 секунд, что означает следующее: двигатель выдает 1 килограмм тяги на 1 килограмм топлива за 1300 секунд. Ракета на синтезе может обладать импульсом в 500 000 секунд. Кроме того, ракета на синтезе будет использовать водород как топливо, а значит, сможет пополняться при прохождении через космическое пространство. Водород присутствует в атмосфере многих планет, так что все, что будет нужно космическому аппарату для заправки, это погружение в атмосферу и набор топлива.
Ракеты на синтезе могут обеспечить более длительную тягу, в отличие от химических ракет, топливо которых быстро выгорает. Считается, что движение на синтезе позволит быстро добраться в любую точку Солнечной системы и за два года осуществить поездку на Юпитер и обратно. Давайте рассмотри два текущих проекта NASA по созданию движения на синтезе.
VASIMR представляет собой плазменную ракету, которая является предшественником ракет на термоядерном синтезе. Но поскольку ракеты на синтезе будут использовать плазму, исследователи многое узнают об этом типе ракеты. Двигатель VASIMR прекрасен тем, что создает плазму в экстремально горячих условиях, а после выталкивает, создавая тягу. Есть три основных типа ячеек в двигателе VASIMR.
Во время миссии на Марс двигатель VASIMR постоянно бы разгонялся в течение первой половины путешествия, а после изменил бы направление и замедлялся бы вторую половину. Ракету на переменной плазме можно также использовать для позиционирования спутников на орбите Земли.
Одновременно с VASIMR разрабатывается и система движения на синтезе с динамическим газовым зеркалом (GDM). В этом двигателе длинные тонкие мотки проволоки с током действуют как магнит, окружая вакуумную камеру, содержащую плазму. Плазма находится в ловушке магнитного поля, создаваемого центральной секцией системы. В каждом конце двигателя находятся зеркальные магниты, которые препятствуют слишком быстрому выбросу плазмы из двигателя. Разумеется, часть плазмы должна просачиваться и обеспечивать тягу.
Как правило, плазма неустойчива и ее сложно удержать, поэтому первые машины с таким механизмом давались очень сложно. Динамическое газовое зеркало позволяет избежать проблем неустойчивости, потому что построено длинным и тонким, поэтому магнитные линии выстраиваются по всей длине системы. Нестабильность контролируется тем, что позволяет определенному количеству плазмы протекать через узкую часть зеркала.
В 1998 году в рамках эксперимента было продемонстрировано, как GDM производит плазму в процессе работы системы впрыска плазмы, которая работает аналогично передней ячейке VASIMR. Она вводит газ в GDM и нагревает его микроволновой антенной, работающей на частоте 2,45 ГГц. Этот эксперимент проводится для подтверждения обоснованности концепции GDM. Исследователи также разрабатывают полноразмерную систему двигателя с этим механизмом.
Хотя многие передовые концепции двигателей NASA еще далеки от реализации, основа для двигателя на энергии синтеза уже заложена. Когда станут доступны другие технологии, которые сделают путешествие на Марс возможным, корабль с энергией синтеза придется как нельзя кстати. В середине 21 века поездки на Марс могут стать такой же рутиной, как и отправка еды на МКС.
hi-news.ru
Габариты Планетной системы и Метагалактики на столько огромны, что запуск ракеты на Луну, полёт на орбиту, нахождение пилотируемой орбитальной станции (МКС) во Вселенной – являются достижениями, но они малы для освоения данного пространства. Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства США ведет разработку нескольких реактивных моторов и двигателей, работающих на энергии центральной звезды солнечной системы. Всё это делается для возможности полёта на планеты, находящиеся на огромных расстояниях и к которым невозможно долететь на реактивных двигателях.
Пилотируемый космический аппарат с такой силовой установкой, как термоядерный ракетный двигатель, работающий на процессе ядерного синтеза, обязан создавать высокотемпературные реакции, происходящие в центре солнца. Энергия, вырабатываемая в двигателе при помощи реакций воссоздаёт импульс, при использовании таких установок, ракета имеет возможность долететь до Марса примерно за 90 дней, в сравнении со стандартными космическими аппаратами, которым необходимо 210 дней.
Люди и планета Земля зависят от более 1 миллиона ядерных реакций процесса синтеза, происходящие ежесекундно в центре Солнца. Эти процессы необходимы для жизни, сияния, теплоты. Суть нитратного процесса синтеза – 2 атома H сталкиваются и получается более большой атом He – 4, в процессе этого He выпускает энергию.
Сущность этой реакции:
1. 2 протона вместе создают атом дейтерия, позитрон и нейтрино2. Протон и атом дейтерия образуют атом He-3, состоящим из двух протонов и одного нейтрона, и луч-гамма3. 2 атома He-3 вместе создают атом He-4, состоящим из двух протонов и двух нейтронов, также 2 протона
Ядерный синтез происходит при условии высокой температуры (несколько миллионов градусов) окружающей среды. Природным веществом для получения реакции нитратного процесса синтеза являются массивные газовые шары, излучающие свет (звезды), которые состоят из ионизированного газа. Частично или полностью ионизированный газ представляет собой плазму, её именуют 4-ым состоянием вещества. Плазма состоит из атомов, которые частично лишены электронов. Восемьдесят пять процентов энергии центральной звезды, солнечной системы создает реакция синтеза.
По причине высокого уровня тепла, который нужен для получения ионизированного газа, не получается эту плазму поместить в какой-либо контейнер, потому что человечество не знает такой материал из которого можно изготовить данный тип контейнера. Ионизированный газ отлично пропускает электричество и это способствует удержанию, управлению и ускорению плазмы при помощи силового поля. Космическое агентство США планирует в течении двадцати пяти лет возвести космический аппарат основной принцип работы, которого будет двигатель с процессом на ядерном синтезе.
Ниже приведены образцы проектов двигателей в основу работы которых заложен этот процесс.
В связи с тем, что в процессе термоядерного синтеза освобождается большое количество энергии, ученые хотят найти возможность приспособить её к двигательной системе. Ракета, работающая на процессе ядерного синтеза сможет выдвинуть на несколько шагов вперед космическое агентство США в погоне за планету Марс. Такая ракета может уменьшит время полёта на Марс на пятьдесят процентов, а это в свою очередь сокращает действие излучения и микро гравитации.
Еще быстрее этой цели нам помог Варп Двигатель, возможностьпостроения которого сейчас исследуется в НАСА, но эта технология еще в столетиях от достижения своего потенциала.
Возведение космического аппарата, работающего на энергии процесса синтеза, равно строительству машины передвигающейся в 2 раза скоростнее любой машины Земле. В космическом кораблестроении эффективность применения горючего реактивным мотором измеряется удельной тягой. Одна сила тяги на одну силу пропеллента, используемая за определенное количество времени называется удельным импульсом.
Мотор, работающий на ядерном синтезе обладает удельной тягой больше чем в триста раз по сравнению с обычными химическими мотором. Стандартно химический мотор имеем тягу около 22 минут, это обозначает, что двигатель дает один кг импульса на один кг горючего за 22 минуты. Космический корабль на процессе синтеза обладает тягой в 139 часов. Такой космический корабль использует в качестве горючего элемент H и поэтому будет иметь возможность заполниться при полете по космосу. Элемент H находится в атмосферах большого количества планет, поэтому для процесса заправки кораблю необходимо только находится в атмосфере.
Космические корабли, работающие на ядерном синтезе обеспечивают большее количество притяжения по сравнению с химическими кораблями, у которых быстро сгорает горючее. При подобном двигателе можно будет долететь до самой дальней отметки планетной системы и за 2 года съездить на Марс с учетом возврата.
У агентства есть еще две программы по разработке технологии ядерного синтеза.
VASIMR – магнитоплазменный космический корабль с переменной удельной тягой
VASIMR – плазменный космический аппарат, предместник аппаратов на нитратном процессе синтеза. Двигатель у этого корабля делает ионизированный газ в очень жарких условиях и потом создает импульс. У такого двигателя 3 звена:
1. Переднее звено – инертное вещество, с помощью которого создается избыточное давление, для элемент Н запускается в звено и ионизируется для получения ионизированного газа.2. Центральное звено – необходимо для увеличения подогрева ионизированного газа электромагнитной энергией. Радиоволны увеличивают энергию в ионизированном газе, как в микроволновке.3. Кормовое звено – силовая дюза, которая меняет энергию ионизированного газа в струю выхлопных газов. Силовое поле необходимо для выброса ионизированного газа и защиты ракеты от соприкосновения с оболочкой. Ионизированный газ уничтожает любое вещество с которым соприкасается. Температура ионизированного газа в дюзе около ста млн градусов Цельсия, что в 25 тысяч выше температуры газа, выбрасываемого из челнока.
Такой двигатель в процессе полета на Марс смог бы разгонятся во время первой половины полета, а потом бы уменьшил скорость во 2-ой половине. Ракету на переменном ионизированном газе применяют с целью определения координат спутников на орбите нашей планеты.
Кроме VASIMIR конструируется система передвижения на процессе синтеза с динамичным газовым отражением. У такого мотора продолговатые тонкие мотки проволоки с током, которые работают как электромагнит, окружая вакуумную камеру ионизированным газом. На концах мотора расположены зеркальные магниты, препятствующие мгновенному выбросу ионизированного газа из мотора, при этом какое-то количество ионизированного газа должно выходить и образовывать тяготение.
Ионизированный газ неустойчив и его проблематично сдерживать, поэтому создание таких агрегатов давалось тяжело. GDM является продолговатым и тонким, и у него магнитные линии расположены продолговато, поэтому оно решает проблему мало устойчивости. Отсутствие стабильности контролируется тем, что какое-то количество ионизированного газа протекает через неширокий фрагмент зеркала.
В 1998 году был проведен опыт: GDM вырабатывает ионизированный газ в ходе работы системы впрыскивания ионизированного газа как в переднем звене системы VASIMR. Такая система вводит газ в GDM и подогревает его микроволновой антеной на частоте 2,45 герц. Данный опыт обосновывает теорию GDM. Ученые продумывают полноразмерную систему мотора с данным устройством.
Но еще большинство прогрессивных идей космического агентства США по созданию двигателей не могут быть реализованы, но основная идея по созданию двигателя на энергии синтеза заложена в них. Кроме концепции синтеза, необходимы еще идеи, которые помогут совершить полет на Марс. Во второй половине двадцать первого века полеты на Марс возможно станут стандартной операцией, как отправка пищи на Международную космическую станцию.
Интересные материалы:
Новая беспроводная электроника может исцеливать раны, а затем растворятся 6 видов транспорта будущего (7 фото)nlo-mir.ru
NASA и частные компании всеми силами хотят отправить человечество на Марс. Команда Университета Вашингтона, финансируемая космическим агентством, в свою очередь намеревается для этого разработать термоядерный двигатель, который сможет доставить человека на Красную планету за 30 дней и сделать возможными и другие космические путешествия.
«Используя существующее ракетное топливо практически невозможно для человечества исследовать что-то за пределами Земли», — говорит ведущий исследователь Джон Слоуг. «Мы надеемся получить достаточно энергии для того, чтобы межпланетные путешествия стали обычным делом».
Под эгидой NASA строят термоядерный космический двигатель
Предлагаемый Fusion Driven Rocket (FDR) – двигатель 150-тонного корабля, который использует магнетизм для сжатия литиевых или алюминиевых частей вокруг дейтерий-тритийного топливного ядра для инициации термоядерного синтеза. Результирующая сила реакции вызывает распыление вещества на скорости 30 км/с, она и толкает корабль вперед.
Отработанное топливо выбрасывается за корабль и так как весь процесс основан на магнетизме, износ двигателя минимален. При этом пеллета размером с зерно может обеспечить такое же количество движения, что и галлон ракетного топлива.
Все это требует электрической энергии для управления и поддержания реакции, но Энтони Панкокти, инженер, утверждает, что преимущества такого магнитного двигателя в том, что космический корабль может питать сам себя только солнечной энергией.
«Он очень масштабируем – мы можем добиться термоядерной реакции в гораздо меньшем масштабе», — говорит он. «Мы можем запустить созданный двигатель от 200 киловаттной солнечной панели, т.е. примерно той же мощности, которую генерируют сейчас панели МКС».
При помощи FDR время полета до Марса может сократиться до 30-90 дней, по сравнению с 8 месяцами движения на реактивной тяге. Для 30-дневного путешествия понадобится всего трехдневная работа двигателя для разгона и еще три дня на его замедление на орбите Марса.
Такой двигатель также будет значительно дешевле на стадии разгона, чем химические ракеты, так как ему требуется гораздо меньше топлива на преодоление земной гравитации. Для предлагаемой 150-тонной конструкции примерно треть можно будет занять грузом, а уменьшенное время полета также уменьшит влияние радиации на космонавтов.
Многие космические полеты заканчиваются торможение об атмосферу для экономии топлива. Новый привод, однако, настолько эффективен, что такое торможение становится бессмысленным, так как масса защиты будет больше, чем масса расходуемого топлива.
Команда протестировала все части FDR в лаборатории и сейчас начинает строить двигатель в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts Program, обеспечивающей финансирование для долгосрочных космических программ. FDR лишь один из всего лишь 10 проектов, добравшихся до Второй Стадии. Прототип FDR будет создан в ближайшие полтора года, а готовый корабль надеются создать к 2020 году – но при увеличении финансирования сроки могут быть и сокращены.
Учитывая жесткую экономию Правительства США, это маловероятно, но FDR может сделать химические или ионные двигатели настолько же устаревшими, насколько сейчас нам кажется устаревшим паровой двигатель.
Источник: http://habrahabr.ru/company/apps4all/blog/176227/
www.sovkos.ru
Самый простой вариант такого двигателя — пробкотрон, состоящий всего из двух магнитных катушек, пробок, расположенных на некотором удалении друг от друга. Иногда посередине добавляют менее мощные катушки, которые позволяют управлять профилем магнитного поля между пробками. При достаточно большом размере в пробкотроне может проходить термоядерная реакция, выделяющая чуть больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Но, увы, совсем ненамного и только при работе на смеси дейтерия и трития. Поскольку КПД преобразования тепловой энергии в электрическую невелик, пробкотрон всегда будет требовать для своей работы подвода энергии извне. Если вспомнить, какие мощности необходимы для создания существенной тяги при большом удельном импульсе, получится, что для питания двигателя нам потребуется полномасштабная космическая АЭС. В таких условиях проще отказаться от термоядерного реактора и использовать куда более простую и существенно лучше отработанную связку из АЭС и электрореактивных двигателей.
Асгардия: первое космическое государство
Как кошки ведут себя в невесомости (и зачем это проверять)
Развитием идеи пробкотрона является многопробочная ловушка (с гофрированным полем). В первом приближении путем увеличения ее длины можно достичь сколь угодно хорошего удержания плазмы, вплоть до зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, не требующей подвода энергии извне. С учетом высокой плотности плазмы, которую можно достичь в ловушке такого типа, она производит впечатление весьма перспективного кандидата. Увы, есть две проблемы, существенно снижающие перспективность этого направления. Первая — это потери плазмой энергии поперек магнитного поля, которые для установок большой длины, скорее всего, станут основными. Вторая проблема состоит в том, что даже для смеси дейтерия и трития (1:1) необходимая длина двигателя составит около 1 км, а это на порядок превосходит размер МКС (для других видов топлива размеры двигателя будут еще больше).
Одной из важнейших проблем термоядерного синтеза является взаимодействие стенок вакуумной камеры и плазмы. Оно существенно ухудшает параметры плазмы, а сама стенка разрушается. Термоядерные ракетные двигатели предполагается использовать только в космосе, так что космический вакуум позволяет убрать из конструкции стенку, оставив лишь небольшие защитные накладки на магнитных катушках. Это существенно облегчит задачу зажигания термоядерной плазмы. Потенциально может случиться так, что первые термоядерные двигатели начнут работать раньше, чем наземные термоядерные электростанции.
Другим развитием пробкотрона является газодинамическая плазменная ловушка, в которой длинная область с однородным магнитным полем относительно небольшой напряженности с обоих концов заканчивается мощными магнитными пробками или парами пробок (дополнительными пробкотронами с мощным полем). Положительное свойство такой ловушки — хорошо предсказуемое поведение плазмы в ней. Однако ее длина, как и в случае многопробочной ловушки, должна будет составлять около километра или более даже при дейтерий-тритиевом топливе.
Наиболее простая открытая плазменная ловушка — пробкотрон. В простейшем случае она состоит всего из двух магнитных катушек. Развитие пробкотрона — многопробочная и газодинамическая ловушки.
Еще один вариант открытых ловушек — это ловушки с амбиполярным удержанием плазмы. В простейшем случае это система из трех пробкотронов: один центральный с очень большой длиной и два маленьких на торцах. Непрерывно подаваемая разогретая плазма в торцевых пробкотронах не дает уходить плазме из центрального пробкотрона. Сделав центральную часть достаточно длинной, мы всегда можем производить в ней больше энергии, чем нужно для поддержания плазмы в концевых участках. Такая ловушка теоретически должна получиться заметно короче газодинамической или многопробочной. Но есть у нее и недостатки. Во‑первых, обязательная инжекция плазмы в концевых участках и нагрев ее там, на что требуются десятки и даже сотни мегаватт. Таким образом, реактор должен стать не только двигателем, но и основой полномасштабной электростанции для поддержания собственной работы. Во‑вторых, конфигурация электромагнитного поля в амбиполярной ловушке куда сложнее, чем в других типах открытых ловушек, а объем экспериментальных данных недостаточен. Так что пока говорить об осуществимости такого двигателя слишком рано.
В ловушках с магнитным удержанием удельный импульс ограничен температурой плазмы, которая, в свою очередь, ограничена конструкцией. А вот инерциальный ядерный синтез потенциально позволяет получить удельный импульс порядка 10 000 000 м/с (около 3% от скорости света), что делает его идеальным вариантом для межзвездных зондов. Именно этот принцип был использован в известном проекте звездолета «Дедал», который разрабатывался группой специалистов из Британского межпланетного общества в 1970-х годах. Его же использует разрабатываемый сейчас наследник «Дедала» — «Икар».
Инерциальный синтез. Основная идея инерциального синтеза состоит в равномерном облучении крупинки термоядерного топлива мощными потоками частиц (фотонов, ионов, электронов), что приводит к ее сжатию и разогреву.
Термоядерные двигатели на инерциальном синтезе — это импульсные термоядерные реакторы, дополненные магнитным соплом для продуктов реакции. Поскольку зажигание самоподдерживающейся реакции здесь принципиально невозможно, реактор должен быть не только двигателем, но и электростанцией для обеспечения энергией самого себя. Причем его электрическая мощность должна составлять как минимум 10% от мощности реактивной струи. Расчеты показывают, 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 менее 1 ГВт. Это мощность целого энергоблока крупной АЭС.
Кроме того, нет оснований полагать, что в сколько-нибудь обозримом будущем будут созданы космические лазеры, пригодные для обжатия мишеней такого двигателя. Единственным реалистичным вариантом можно считать использование пучков тяжелых ионов. Но и они, с нужными характеристиками, еще не созданы даже для наземных установок.
Глобус-М. Экспериментальный зал ФТИ РАН со сферическим токамаком Глобус-М. Потомки этой установки могут стать основой как наземной электростанции, так и термоядерного ракетного двигателя.
Почти все авторы проектов термоядерных двигателей игнорируют токамаки, ссылаясь на сложность осуществления отбора плазмы для реактивной струи. Но они ошибаются.
На заре термоядерных исследований предполагалось, что в токамаке плазма будет надежно удерживаться. Однако быстро выяснилось, что плазма поперек магнитного поля уходит на стенку установки и разрушает ее. Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы оказалась концепция дивертора. Суть ее в том, что в конфигурации магнитного поля создается четкая граница — сепаратриса. Внутри сепаратрисы плазма максимально хорошо удерживается, но за ее пределами почти мгновенно уходит на специальные пластины в нижней (чаще всего) части установки, которая и называется дивертором.
Таким образом взаимодействие между термоядерной плазмой и стенкой существенно ослабляется. Ничто не мешает использовать плазму, пересекающую сепаратрису и уходящую в дивертор, для создания тяги в ракетном двигателе. Напуск водорода в область дивертора позволит, как и в случае открытых ловушек, на порядок повысить тягу, пожертвовав удельным импульсом.
Важнейшее преимущество токамака перед всеми иными концепциями термоядерных ракетных двигателей — максимальная отработанность этого типа магнитных ловушек. Если параметры созданных открытых магнитных ловушек хуже необходимых в сотни раз, то параметры токамаков нужно улучшить всего на порядок. Кроме того, наработки по термоядерному ракетному двигателю окажутся крайне полезными для наземных термоядерных электростанций. Расчеты показывают, что сферический токамак с сильным магнитным полем, работающий на смеси 98% дейтерия и 2% трития, способен развивать выходную мощность порядка 300 МВт. Объединяя несколько таких токамаков, можно получить тягу порядка 1000 кгс при удельном импульсе в 350 000 м/с, при этом расход дейтерия составит 1,5 г/с, а водорода, используемого 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, снова разогнаться до этой скорости и снова затормозить. Такие параметры позволяют уложить длительность экспедиции к Сатурну в два года.
На чем же будут работать звездолеты? Выбор топлива — отдельная серьезная проблема. Проще всего запустить реакцию в смеси дейтерия и трития 1:1. Однако с ее использованием есть большие проблемы. Тритий в природе не встречается, его необходимо получать искусственно. Необходимые количества при этом составят десятки тонн, что во много раз превышает возможности его производства за всю историю! Кроме того, он радиоактивен (хотя и слабо) и благодаря этому саморазогревается, так что его практически невозможно хранить в сжиженном виде, а хранить под давлением, да еще и охлаждать — не самая простая задача.
mag-m.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 «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.
dvc.academic.ru
Команда американских ученых использует особенную установку для испытания ядерного оружия, чтобы разработать термоядерный ракетный двигатель, который сделает Солнечную систему "задним двором" человечества.
Огромный аппарат под названием Decade Module Two (DM2) в течение 10 лет использовался Агентством по сокращению военной угрозы (DTRA) для исследований в области воздействия ядерных взрывов. В 2009 году военные исследования были закончены и DM2 передали Университету Алабамы.
Теперь специалисты из Университета Алабамы в Хантствилле, НАСА, Boeing используют бывшую военную установку для сборки устройства Charger-1 Pulsed Power Generator. Когда 50-тонный Charger-1 соберут, это будет одна из самых крупных и мощных импульсных энергетических систем в мире.
Гигантская зажигалка
Термоядерный синтез – это слияние атомных ядер, которое освобождает большое количество энергии. Американские ученые планируют использовать термоядерный синтез с участием атомов тяжелого водорода, дейтерия, и изотопов лития. Энергию, необходимую для сжатия атомов, т.е. зажигания термоядерной реакции, планируется высвобождать с помощью мощного импульсного устройства, которое по действию чем-то похоже на удар молнии.
Зажечь термоядерную реакцию в установке Charger-1 должен мощнейший электрический импульс, энергию для которого накапливают конденсаторы. В настоящее время идет монтаж проводов из лития-6 и дейтерида лития, проводящих импульс и превращающихся в плазму, которая будет сжиматься Z-пинч эффектом. 
Работа Z-пинч эффекта
Пинч-эффект - это сжатие плазмы в результате взаимодействия тока разряда с магнитным полем. Если ток протекает вдоль оси цилиндрического плазменного столба, то его называют Z-пинчем. Z-пинч можно наблюдать, например, при ударе молнии в трубчатый громоотвод. Данный эффект используется для стабилизации плазмы в термоядерных реакторах, и в НАСА на него возлагают большие надежды.
Разряд установки Charger-1 может производить плазму, которая сжимается собственным магнитным полем и при размере в палец может заключать в себе 20% от всей энергии, которую потребляет человечество в текущий момент времени. Разумеется, главная цель разработчиков термоядерного ракетного двигателя – получить на выходе больше энергии, чем было потрачено на инициацию термоядерного синтеза. Хотя, надо сказать, команда Charger 1 не надеется, что им удастся этого достичь, но в любом случае огромная установка даст большое количество ценной научной информации, которая пригодится для разработки первого прототипа термоядерного ракетного двигателя. Бывший военный модуль DM2 в 500-наносекундном электрическом импульсе выдает до 1 тераватта мощности - около 6% от потребления электроэнергии в мире.
Двигатель
Проблема космических кораблей на химическом горючем известна: нужно сжечь тысячи тонн топлива, чтобы транспортировать всего десятки тонн полезного груза. С такими ракетами серьезно говорить об освоении Солнечной системы не приходится. 
Слева направо показана эволюция научной программы по созданию Z-пинч двигателя: через 9 лет вместо одного нынешнего накопительного модуля DM2 будет испытываться полноценное кольцо из 8 модулей. Еще через 2 года будут испытываться одновременно 2 кольца
Термоядерная силовая установка – совсем другое дело. Термоядерной ракете вместо тысяч нужно всего несколько тонн топлива. Более того, с помощью ядерного ракетного двигателя, например, на Марс можно было бы долететь не за 6 месяцев, а за 6 недель. Все это одним махом решает проблему длительного пребывания в напичканном опасностями космосе, а также уменьшает сложность систем жизнеобеспечения и защиты космического корабля. .jpg)
Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто
Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто: "Представьте, что в задней части ракеты взрывается заряд, эквивалентный 1 тонне тротила. Именно такой двигатель мы и делаем".
Двигатель корабля на Z-пинче работает просто
Двигатель корабля на Z-пинче работает просто: в параболическую камеру сгорания подаются два компонента топлива и мощный электрический импульс из конденсаторов превращает их в плазму. Магнитное поле большой силы сжимает плазму и зажигает реакцию термоядерного синтеза. В результате образуется расширяющаяся в камере сгорания плазма, которая имеет массу всего 0,02 кг, но ее начальная кинетическая энергия достигает 1 ГДж.
Плазма, раздувающаяся как своеобразный воздушный шарик, в итоге сжимается Z-пинч эффектом, выбрасывается из магнитного сопла и создает реактивную тягу.
Основная функция Z-пинч эффекта – это защищать двигатель от разрушения и направлять очень большие токи (в мегамперы) через плотную плазму в течение очень короткого времени – около 10-6 секунды.
На выходе получается реактивная тяга в 3812 ньютон-секунд за импульс при частоте 10 импульсов в секунду и удельном импульсе 19436 секунд.
В НАСА рассчитывают на то, что количество энергии, выделяющейся при реакции синтеза, будет в 3 раза больше количества энергии, необходимого для зажигания. Это означает, что за 100 наносекунд до начала следующего импульса конденсаторам необходимо "сбросить" в камеру сгорания 333 МДж энергии. Это весьма сложная проблема - даже учитывая высокую эффективность конденсаторов (80%), необходимо будет решить задачу создания накопителей, которые смогут очень быстро заряжаться и разряжаться. В качестве топлива Z-пинч двигателя планируется использовать дейтерий и литий-6, которые производят полезные побочные продукты (например, тритий), повышающие выход энергии. Охлаждать двигатель будет жидкость фтор-литий-бериллий (FLiBe), которая к тому же способна поглощать гамма-лучи и нейтроны. Параболическое магнитное сопло будет состоять из 8 колец сверхпроводящих магнитных катушек на основе иттрия. Они создают внутри сопла начальное магнитное поле и направляют в конденсаторы электрический ток, индуцированный в процессе расширения плазмы. Позже эта энергия будет использована для следующего импульса.
Термоядерная ракета
Проект Z-пинч корабля, разработанный в 2010 году, предполагает, что это будет аппарат длиной 125 м (в два раза длиннее МКС), поэтому собирать его придется на орбите.
Проект Z-пинч корабля, разработанный в 2010 году, предполагает, что это будет аппарат длиной 125 м (в два раза длиннее МКС), поэтому собирать его придется на орбит
Несущей конструкцией корабля будет центральная ферма с радиаторами, отводящими тепло от двигателей. На одном конце фермы будет расположен двигатель, а на другом - обитаемый отсек и спускаемый аппарат или друга полезная нагрузка.
Сопло двигателя будет иметь диаметр 13,6 м, его планируется изготовить из углеродного композита – в любом случае сопло радиации не боится, а от плазмы сопло защищает магнитное поле. Сложнее с конденсаторами, которые необходимо защитить от гамма-излучения и нейтронов. Их придется закрыть достаточно тяжелой радиационной защитой, которая одновременно будет защищать и экипаж, к тому же удаленный от активной зоны на безопасное расстояние с помощью длинной фермы.
Максимальная тяга Z-пинч корабля сравнима с традиционными ракетами, но перегрузка при ускорении такого крупного корабля будет совсем небольшой – менее 1 g, что обеспечит комфорт при многодневном разгоне и торможении.
При массе полезной нагрузки в 150 тонн, общая масса корабля составит почти 600 тыс. тонн. Это, ненамного больше МКС весом 400 тонн, однако возможности у Z-пинч корабля будут совсем другие: за 1,5 суток максимальной тяги двигателя Z-пинч корабль достигнет Марса через 90 дней. Если полная тяга продлится 8,7 суток, то до Марса можно будет добраться всего за 30 дней! При этом корабль за вдвое меньшее время полета доставит на 35-55% больше полезного груза, чем сравнимая химическая ракета.
В целом, США по силам собрать корабль с сухим весом около 390 тонн. Это сравнимо с МКС, а учитывая, что в США активно ведется разработка мощнейшей ракеты-носителя SLS, способной выводить на низкую околоземную орбиту до 130 тонн груза, сборка Z-пинч корабля - задача вполне решаемая.
Решить проблемы
В любом случае, до сборки пока далеко. Еще предстоит решить ряд сложных технических задач по созданию Z-пинч двигателя. С помощью установки Charger 1, ученые должны оценить безопасность и пригодность для использования в качестве топлива лития-6, эффективность работы МГД-генераторов, надежность магнитного сопла, антирадиационной защиты и т.д. Все это ученые планируют сделать в течение ближайших 11 лет. Надо отметить, что в НАСА параллельно работает множество программ по обеспечению полетов вглубь Солнечной системы: решаются проблемы сохранения здоровья экипажа межпланетного корабля, отрабатываются системы посадки, оборудование для работы на поверхности планет и астероидов и т.д. Таким образом, подготовка к освоению нашей звездной системы уже идет полным ходом.
maxpark.com
bankpatentov.ru
.jpg)
