Bussard Ramjet - Bussard ramjet
Den Bussard ramjet er en teoretisk metode for fremdrift av romfartøy foreslått i 1960 av fysikeren Robert W. Bussard , popularisert av Poul Anderson roman Tau Zero , Larry Niven i hans Kjente Space serie av bøker, Vernor Vinge i hans Soner Thought serien, og referert til av Carl Sagan i TV -serien og boken Cosmos .
Bussard foreslo en ramjet -variant av en fusjonsrakett som var i stand til rimelig interstellar reise , ved bruk av enorme elektromagnetiske felt (fra kilometer til mange tusen kilometer i diameter) som en ramme for å samle og komprimere hydrogen fra det interstellare mediet . Høye hastigheter tvinger den reaktive massen inn i et gradvis innsnevret magnetfelt og komprimerer det til termonukleær fusjon oppstår. Magnetfeltet dirigerer deretter energien inn i rakettutslipp og gir skyvekraft.
Gjennomførbarhet
Siden tidspunktet for Bussards opprinnelige forslag, har det blitt oppdaget at regionen rundt solsystemet har en mye lavere tetthet av hydrogen enn man trodde på den tiden (se Local Interstellar Cloud ). John Ford Fishback ga et viktig bidrag til detaljene for Bussard ramjet i 1969. TA Heppenheimer analyserte Bussards opprinnelige forslag om sammensmelting av protoner , men fant at Bremsstrahlung -tapene fra komprimering av protoner til fusjonstettheter var større enn kraften som kunne produseres av en faktor på rundt 1 milliard, og indikerer dermed at den foreslåtte versjonen av Bussard ramjet var umulig. Imidlertid indikerer Daniel P. Whitmires analyse fra 1975 at en ramjet kan oppnå nettoeffekt via CNO -syklusen , som gir fusjon med en mye høyere hastighet (~ 10 16 ganger høyere) enn proton -protonkjeden .
Robert Zubrin og Dana Andrews analyserte en hypotetisk versjon av Bussard ramscoop- og ramjet -design i 1985. De bestemte at deres versjon av ramjet ikke ville kunne akselerere inn i solvinden. I beregningene antok de imidlertid at:
- Eksoshastigheten til deres interplanetære ionfremdrift ramjet kunne ikke overstige 100 000 m/s (100 km/s);
- Den største tilgjengelige energikilden kan være en kjernefusjonsreaktor på 500 kilowatt .
I Zubrin/Andrews interplanetære ramjet -design, beregnet de at dragkraften d/dt ( mv 1 ) er lik massen av de øste ioner som er samlet per sekund multiplisert med hastigheten til de øste ioner i solsystemet i forhold til ramscoop. Hastigheten til de (øste) innsamlede ionene fra solvinden ble antatt å være 500 000 m/s.
Det ble antatt at eksoshastigheten til ionene når de ble utvist av ramjet ikke skulle overstige 100 000 m/s. Kraften til ramjet d/dt ( mv 2 ) var lik massen av ioner som ble utvist per sekund multiplisert med 100 000 meter per sekund. I Zubrin/Andrews -designet fra 1985 resulterte dette i betingelsen at d/dt ( mv 1 )> d/dt ( mv 2 ). Denne tilstanden resulterte i at dragkraften oversteg skyvekraften til den hypotetiske ramjet i Zubrin/Andrews -versjonen av designet.
Relaterte oppfinnelser
Ram Augmented Interstellar Rocket (RAIR)
Problemet med å bruke det interstellare mediet som eneste drivstoffkilde førte til studier av Ram Augmented Interstellar Rocket (RAIR). RAIR bærer kjernefysisk drivstofftilførsel og tømmer ut reaksjonsproduktene for å produsere noe av kraften. Imidlertid forbedrer den ytelsen kraftig ved å øse av det interstellare mediet og bruke dette som en ekstra reaksjonsmasse for å forsterke raketten. Framdriftssystemet til RAIR består av tre delsystemer: en fusjonsreaktor, et skålfelt og en plasmaccelerator. Skålfeltet fører interstellar gass inn i en "akselerator" (dette kan for eksempel være et varmevekslingssystem som overfører termisk energi fra reaktoren direkte til den interstellare gassen) som tilføres strøm fra en reaktor. En av de beste måtene å forstå dette konseptet er å vurdere at det kjernefysiske drivstoffet som bæres ombord fungerer som et drivstoff (energikilde), mens interstellar gass som samles opp av skjeen og deretter tømmes med stor hastighet fra baksiden, fungerer som drivmiddel ( den reaksjonsmassen ), har kjøretøyet derfor en begrenset brennstofftilførsel, men en ubegrenset tilførsel drivmiddel. En vanlig Bussard ramjet ville ha en uendelig mengde av begge. Imidlertid antyder teorien at der en Bussard ramjet ville lide motstand fra å måtte akselerere interstellar gass til sin egen hastighet før inntak, ville et RAIR-system kunne overføre energi via "akselerator" -mekanismen til det interstellare mediet til tross for hastighetsforskjeller, og så ville lide mye mindre drag.
Laserdrevet Interstellar Ramjet
Strålenergi kombinert med et kjøretøy som henter hydrogen fra det interstellare mediet er en annen variant. Et lasermateriale i solsystemet sender til en kollektor på et kjøretøy som bruker noe som en lineær akselerator for å produsere skyvekraft. Dette løser fusjonsreaktorproblemet for ramjet. Det er begrensninger på grunn av demping av strålenergi med avstand.
Magnetisk seil
Beregningene (av Robert Zubrin og en medarbeider) inspirerte ideen om en magnetisk fallskjerm eller seil . Dette kan være viktig for interstellare reiser fordi det betyr at retardasjon på destinasjonen kan utføres med en magnetisk fallskjerm i stedet for en rakett.
Dyson svermebasert stjernemotor (Caplan-thruster)
Astrofysiker Matthew E. Caplan fra Illinois State University har foreslått en type stjernemotor som bruker en Dyson-sverm av speil for å konsentrere stjernenergi på visse områder av en sollignende stjerne, og produserer stråler av solvind som skal samles opp av en multi-ramjet enhet som igjen produserer dirigerte stråler av plasma for å stabilisere bane og oksygen-14 for å skyve stjernen. Ved å bruke rudimentære beregninger som antar maksimal effektivitet, anslår Caplan at Bussard -motoren ville bruke 10 15 gram per sekund solmateriale for å produsere en maksimal akselerasjon på 10 −9 m/s 2 , noe som gir en hastighet på 200 km/s etter 5 millioner år, og en avstand på 10 parsek over 1 million år. Bussard -motoren ville teoretisk sett fungere i 100 millioner år gitt solens massetapshastighet, men Caplan anser at 10 millioner år er tilstrekkelig for å unngå stjernekollisjoner. Forslaget hans ble bestilt av den pedagogiske YouTube -kanalen Kurzgesagt .
Pre-seeded bane
Flere av de åpenbare tekniske vanskelighetene med Bussard ramjet kan overvinnes ved å lansere drivstoff langs romfartøyets bane ved hjelp av en magnetisk skinne.
Fordelene med dette systemet inkluderer
- Lanserer bare ionisert fusjonsdrivstoff slik at enten magnetiske eller elektrostatiske skjeer lettere kan føre drivstoffet inn i motoren. Ulempen er at dette vil føre til at drivstoffet sprer seg på grunn av elektrostatisk frastøtning.
- Lansering av drivstoffet på en bane slik at drivstoffhastighetsvektoren vil nærme seg den forventede hastighetsvektoren til romfartøyet på det tidspunktet i dens bane. Dette vil minimere "drag" -kreftene som genereres ved innsamling av drivstoff.
- Lanserer optimaliserte isotopforhold for fusjonsmotorene på romfartøyet. En konvensjonell Bussard ramjet vil for det meste samle hydrogen med en atomvekt på 1. Denne isotopen er vanskeligere å smelte sammen enn enten deuterium eller tritium isotoper av hydrogen. Ved å lansere det ideelle forholdet mellom hydrogenisotoper for fusjonsmotoren i romfartøyet kan man optimalisere ytelsen til fusjonsmotoren.
- Selv om det forhåndslanserte drivstoffet til ramjet negerer en fordel med Bussard -designet (innsamling av drivstoff når det beveger seg gjennom det interstellare mediet og sparer kostnadene for å starte drivstoffmassen), beholder det i det minste fordelen av å ikke måtte akselerere massen av drivstoffet og rakettmassen samtidig.
- Det forhåndslanserte drivstoffet ville gi noe synlighet i det interstellare mediet - og dermed varsle det bakre romfartøyet om usynlige farer (f.eks. Brune dverger ).
De største ulempene med dette systemet inkluderer
- Romfartøyet kunne ikke avvike fra den forhåndsberegnede banen med mindre det var kritisk å gjøre det. Enhver slik avvik vil skille romfartøyet fra drivstofftilførselen og la den bare ha en minimal evne til å gå tilbake til sin opprinnelige bane.
- Forhåndslansert drivstoff for retardasjon ved destinasjonsstjernen ville ikke vært tilgjengelig med mindre det ble lansert mange tiår før romfartøyteskytingen. Imidlertid kan andre systemer (for eksempel magnetiske seil ) brukes til dette formålet.
Referanser
- For mer om ramjet -matematiske beregninger, se Mallove, Eugene F .; Matloff, Gregory L. (1989). Star Flight Handbook . ISBN 978-0-471-61912-3.
- Mallove, Eugene (1989). Starflight -håndboken . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-61912-3.
- Matloff, Gregory (5. august 2005). Deep Space Probes: Til det ytre solsystemet og utover . Springer Praxis Books. ISBN 978-3540247722.
- Anderson, Poul (2006). Tau Zero . Gollancz. ISBN 978-1407239132.