Massesjåfør - Mass driver

Kunstners forestilling om en massesjåfør på månen .

En masse driver eller elektrokatapulten er en foreslått metode for ikke-rakett spacelaunch som ville bruke en lineærmotor for å akselerere og katapult nyttelast opp til høye hastigheter. Eksisterende og påtenkte massedrivere bruker trådspiraler som drives av elektrisitet for å lage elektromagneter , selv om en roterende massedriver også har blitt foreslått. Sekvensiell avfyring av en rad med elektromagneter akselererer nyttelasten langs en bane. Etter å ha forlatt banen, fortsetter nyttelasten å bevege seg på grunn av momentum .

Selv om en hvilken som helst enhet som brukes til å drive en ballistisk nyttelast teknisk sett er en massedriver, er en massedriver i denne sammenheng i hovedsak en spiralgevær som magnetisk akselererer en pakke bestående av en magnetiserbar holder som inneholder en nyttelast. Når nyttelasten er akselerert, skiller de to seg, og holderen bremses og resirkuleres for en ny nyttelast.

Massedrivere kan brukes til å drive romfartøy på tre forskjellige måter: En stor, bakkebasert massedriver kan brukes til å skyte romfartøy bort fra jorden, månen eller et annet legeme. En liten massesjåfør kan være om bord i et romfartøy og kaste biter av materiale ut i verdensrommet for å drive seg selv. En annen variant vil ha et massivt anlegg på en måne eller asteroiden sende prosjektiler for å hjelpe et fjernt fartøy.

Miniatyriserte massedrivere kan også brukes som våpen på lignende måte som klassiske skytevåpen eller kanoner ved bruk av kjemisk forbrenning. Hybrider mellom coilguns og railguns som spiralformede railguns er også mulig.

Faste massedrivere

Se også: Rompistol

Massedrivere trenger ingen fysisk kontakt mellom bevegelige deler fordi de styrer prosjektilene sine ved dynamisk magnetisk levitasjon, noe som tillater ekstrem gjenbruk ved strømbytte og en funksjonell levetid på - teoretisk sett - opptil millioner av lanseringer. Selv om marginalkostnadene har en tendens til å være tilsvarende lave, er de første utviklings- og konstruksjonskostnadene sterkt avhengig av ytelse, spesielt den tiltenkte massen, akselerasjonen og hastigheten til prosjektiler. For eksempel, mens Gerard O'Neill bygde sin første massesjåfør i 1976–1977 med et budsjett på 2000 dollar, en kort testmodell som avfyrte et prosjektil med 40 m/s og 33 g , hadde hans neste modell en størrelsesorden større akselerasjon etter en tilsvarende økning i finansieringen, og noen år senere anslår forskere ved University of Texas at en massesjåfør som avfyrte et 10 kilo prosjektil med 6000 m/s ville koste $ 47 millioner.

For en gitt mengde energi som går, går tyngre gjenstander proporsjonalt saktere. Lette gjenstander kan projiseres med 20 km/s eller mer. Grensene er generelt kostnaden for energilagring som kan tømmes raskt nok og kostnaden for strømbryter, som kan være av halvledere eller av gassfasebrytere (som fremdeles ofte har en nisje i applikasjoner med ekstrem puls). Imidlertid kan energi lagres induktivt i superledende spoler. En 1 km lang massedriver laget av superledende spoler kan akselerere et 20 kg kjøretøy til 10,5 km/s med en konverteringseffektivitet på 80%og en gjennomsnittlig akselerasjon på 5600 g.

Jordbaserte massedrivere for å drive kjøretøyer i bane, for eksempel StarTram- konseptet, ville kreve betydelige investeringer. Jordens relativt sterke tyngdekraft og relativt tykke atmosfære gjør implementeringen av en praktisk løsning vanskelig. De fleste om ikke alle sannsynlige oppskytingsstedene ville også drive romfartøyer gjennom sterkt kryssede luftruter. På grunn av den enorme turbulensen slike lanseringer ville forårsake, er det nødvendig med betydelige flytrafikkontrolltiltak for å sikre sikkerheten til andre fly som opererer i området.

Med spredning av gjenbrukbare raketter til oppskyting fra jorden (spesielt første stadier) blir det potensialet som en gang hadde eksistert for noen økonomisk fordel ved å bruke massedrivere som et alternativ til kjemiske raketter til å skyte fra jorden, stadig mer tvilsomt. Av disse grunnene har mange forslag installasjon av massedrivere på månen, der lavere tyngdekraft og mangel på atmosfære reduserer hastigheten som kreves for å nå månens bane, og det er også mindre sannsynlig at månelanseringer fra en fast posisjon vil generere problemer med forhold som som trafikkontroll.

De fleste seriøse massedriverdesignene bruker superledende spoler for å oppnå rimelig energisk effektivitet (ofte 50% til 90+%, avhengig av design). Utstyr kan inkludere en superledende bøtte eller aluminiumsspole som nyttelast. Spolene til en massedriver kan indusere virvelstrømmer i aluminiumsspolen i nyttelast, og deretter virke på det resulterende magnetfeltet . Det er to deler av en massesjåfør. Den maksimale akselerasjonsdelen plasserer spolene på konstante avstander, og synkroniserer spolestrømmene til bøtta. I denne delen øker akselerasjonen etter hvert som hastigheten øker, opp til det maksimale som skuffen kan ta. Etter det begynner regionen med konstant akselerasjon. Dette området plasserer spolene på økende avstander for å gi en fast mengde hastighetsøkning per tidsenhet.

Basert på denne modusen, innebar et stort forslag for bruk av massedrivere å transportere månens overflatemateriale til romhabitater for behandling med solenergi . Space Studies Institute viste at denne applikasjonen var rimelig praktisk.

I noen design vil nyttelasten holdes i en bøtte og deretter slippes ut, slik at skuffen kan senkes og brukes på nytt. En engangsbøtte, derimot, ville benytte akselerasjon langs hele sporet. Alternativt, hvis et spor ble konstruert langs hele månens omkrets (eller et annet himmellegeme uten en vesentlig atmosfære), ville akselerasjonen til en gjenbrukbar bøtte ikke være begrenset av sporets lengde - et slikt system må imidlertid være konstruert for å motstå betydelige sentrifugalkrefter hvis den var ment å akselerere passasjerer og/eller last til svært høye hastigheter.

På jorden

I motsetning til laste- og bare kjemisk plass-gun konseptene, kan en masse driver være en hvilken som helst lengde, rimelig, og med forholdsvis jevn akselerasjon hele, eventuelt til og med lange nok til å nå målet hastighet uten for store g-krefter for passasjerer. Den kan konstrueres som et veldig langt og hovedsakelig horisontalt justert oppskytingsspor for romstarter, målrettet oppover i enden, delvis ved å bøye sporet oppover og delvis av jordens krumning i den andre retningen.

Naturlige høyder, for eksempel fjell, kan lette konstruksjonen av den fjerne, oppadrettede delen. Jo høyere opp banen slutter, desto mindre motstand fra atmosfæren vil det utsendte objektet støte på.

De 40 megajoules per kilo eller mindre kinetisk energi til prosjektiler som ble lansert med en hastighet på opptil 9000 m/s (hvis det er inkludert ekstra for dragtap) mot lav jordbane er noen få kilowattimer per kilo hvis effektiviteten er relativt høy, noe som følgelig har vært antok å være under $ 1 av elektrisk energikostnad per kilo sendt til LEO , selv om totale kostnader ville være langt mer enn elektrisitet alene. Ved å være hovedsakelig plassert litt over, på eller under bakken, kan en massesjåfør være lettere å vedlikeholde sammenlignet med mange andre strukturer for romslansering uten rakett . Uansett om det er under jorden, må det plasseres i et rør som vakuumpumpes for å forhindre intern luftmotstand , for eksempel med en mekanisk lukker som er holdt stengt mesteparten av tiden, men et plasmavindu som brukes i avfyringsøyeblikkene for å forhindre tap av vakuum.

En massedriver på jorden ville vanligvis være et kompromisssystem. En massedriver ville akselerere en nyttelast opp til en høy hastighet som ikke ville være nok for bane. Det ville deretter frigjøre nyttelasten, som ville fullføre oppskytningen med raketter. Dette vil drastisk redusere mengden hastighet som må leveres av raketter for å nå bane. Godt under en tidel av banehastigheten fra en liten rakettpropell er nok til å heve perigee hvis et design prioriterer å minimere slike, men hybridforslag reduserer eventuelt kravene til selve sjåføren ved å ha en større del av delta-v ved en rakettforbrenning (eller orbital momentum exchange tether ). På jorden kan en massedriverdesign muligens bruke godt testede maglevkomponenter .

For å lansere et romfartøy med mennesker om bord, må en massesjåførbane være nesten 1000 kilometer lang hvis den gir nesten all hastighet til Low Earth Orbit , selv om en mindre lengde kan gi større oppskytningsassistent. Nødvendig lengde, hvis den hovedsakelig akselererer nær en konstant maksimal akseptabel g-kraft for passasjerer, er proporsjonal med hastigheten i kvadrat. For eksempel kan halvparten av hastighetsmålet tilsvare en tunnel en fjerdedel så lang tid som må bygges, for samme akselerasjon. For robuste objekter kan mye høyere akselerasjoner være tilstrekkelig, noe som gir et langt kortere spor, potensielt sirkulært eller spiralformet (spiral). Et annet konsept innebærer en stor ringdesign der et romfartøy ville sirkle rundt ringen flere ganger, gradvis få fart, før det ble sluppet inn i en lanseringskorridor som ledet mot himmelen.

Det er foreslått massedrivere for deponering av atomavfall i verdensrommet: et prosjektil som ble skutt opp mye over jordens rømningshastighet ville unnslippe solsystemet, med atmosfærisk passasje med en slik hastighet beregnet som overlevende gjennom et langstrakt prosjektil og et veldig betydelig varmeskjold.

Romfartøybaserte massedrivere

Et romfartøy kan bære en massesjåfør som hovedmotor. Med en passende elektrisk kraftkilde (sannsynligvis en atomreaktor ) kan romskipet deretter bruke massedriveren til å akselerere biter av nesten hvilken som helst type, og øke seg selv i motsatt retning. På den minste målestokken av reaksjonsmasse kalles denne typen drivenhet en ionedrift .

Ingen absolutt teoretisk grense er kjent for størrelsen, akselerasjonen eller snutenergien til lineære motorer. Imidlertid gjelder praktiske ingeniørbegrensninger for eksempel effekt-til-masse-forholdet, spillvarmespredning og energiinntaket som kan tilføres og håndteres. Eksoshastigheten er best verken for lav eller for høy.

Det er en oppdragsavhengig begrenset optimal eksoshastighet og spesifikk impuls for enhver thruster begrenset av en begrenset mengde ombord romfartkraft. Kraft og momentum fra eksos, pr. Masseenhet utstødt, skaleres lineært med hastigheten ( momentum = mv), men kravene til kinetisk energi og energiinngang skaleres raskere med hastigheten i kvadrat ( kinetisk energi =+Anmeldelse for 1. / 2 MV 2 ). For lav en utløpshastighet vil overdrevent øke drivmiddelmasse som trengs under rakett ligning , med en for høy andel av energi som går inn i akselererende drivmiddel ikke brukes ennå. Høyere eksoshastighet har både fordel og avveining, og øker drivstofforbrukets effektivitet (mer momentum pr. Masse drivstoff som blir utvist), men redusert skyvekraft og den nåværende hastigheten for romfartøyakselerasjon hvis tilgjengelig inngangseffekt er konstant (mindre momentum pr. Enhet gitt til drivmiddel) .

Elektriske fremdriftsmetoder som massedrivere er systemer der energi ikke kommer fra drivstoffet selv. (Slike kontraster til kjemiske raketter der fremdriftseffektivitet varierer med forholdet mellom eksoshastighet og kjøretøyets hastighet på den tiden, men nær maksimal oppnåelig spesifikk impuls har en tendens til å være et designmål når det tilsvarer mest energi frigjort fra reagerende drivmidler). Selv om den spesifikke impulsen til en elektrisk thruster i seg selv eventuelt kan strekke seg til der massedrivere smelter sammen til partikkelakseleratorer med fraksjonell lyshastighet eksoshastighet for små partikler, kan forsøk på å bruke ekstrem eksoshastighet for å akselerere et langt saktere romfartøy være suboptimalt lavt skyvekraft når energien som er tilgjengelig fra et romfartøys reaktor eller strømkilde er begrenset (en mindre analog av å mate ombord strøm til en rekke spotlights, fotoner er et eksempel på et ekstremt lavt momentum til energiforhold).

For eksempel, hvis begrenset kraft om bord som ble matet til motoren, var den dominerende begrensningen på hvor mye nyttelast et hypotetisk romfartøy kunne transportere (for eksempel om den indre drivstoffkostnaden var liten ved bruk av utenomjordisk jord eller is), ville den ideelle eksoshastigheten heller være rundt 62,75% av det totale oppdraget delta v hvis de opererer med konstant spesifikk impuls, bortsett fra at større optimalisering kan komme fra varierende eksoshastighet under oppdragsprofilen (som mulig med noen thrustertyper, inkludert massedrivere og variable spesifikke impulsmagnetoplasma -raketter ).

Siden en massedriver kan bruke hvilken som helst type masse for reaksjonsmasse for å flytte romfartøyet, virker en massedriver eller en variasjon ideell for kjøretøyer i dype rom som fjerner reaksjonsmasse fra funnet ressurser.

En mulig ulempe med massedriveren er at den har potensial til å sende solid reaksjonsmasse som beveger seg med farlig høye relative hastigheter til nyttige baner og trafikkbaner. For å overvinne dette problemet, planlegger de fleste ordninger å kaste fint delt støv . Alternativt kan flytende oksygen brukes som reaksjonsmasse, som ved frigjøring ville koke ned til molekylær tilstand. Å drive reaksjonsmassen til solutslippshastighet er en annen måte å sikre at den ikke vil forbli en fare.

Hybride massedrivere

En massedriver på et romfartøy kan brukes til å "reflektere" masser fra en stasjonær massesjåfør. Hver retardasjon og akselerasjon av massen bidrar til fartøyets fart . Det lette, raske romfartøyet trenger ikke bære reaksjonsmasse , og trenger ikke mye elektrisitet utover mengden som trengs for å erstatte tap i elektronikken, mens det immobile støtteanlegget kan kjøre av kraftverk som kan være mye større enn romfartøyet om nødvendig. Dette kan betraktes som en form for stråledrevet fremdrift (en analog i makroskopisk skala av en partikkelstråle drevet seilseil). Et lignende system kan også levere brenselpiller til et romfartøy for å drive et annet fremdriftssystem.

En annen teoretisk bruk for dette fremdriftskonseptet finnes i romfontener , et system der en kontinuerlig strøm av pellets i et sirkulært spor holder en høy struktur.

Massesjåfører som våpen

Små til moderate størrelser med høy akselerasjon elektromagnetiske prosjektilskyttere gjennomgår for tiden aktiv undersøkelse fra den amerikanske marinen for bruk som bakke- eller skipsbaserte våpen (oftest jernbanegeværer, men i noen tilfeller spiralvåpen ). I større skala enn våpen som for øyeblikket er i nærheten av utplassering, men noen ganger foreslått i langdistanse fremover, kan en lineær motor med tilstrekkelig høy hastighet , en massedriver, i teorien brukes som interkontinentalt artilleri (eller, hvis den ble bygget på månen eller i bane, brukt for å angripe et sted på jordens overflate ). Ettersom massedriveren ville være plassert lenger opp i tyngdekraften godt enn de teoretiske målene, ville den glede seg over en betydelig energibalanse når det gjelder motangrep.

Praktiske forsøk

En av de første tekniske beskrivelsene av en "elektrisk pistol" vises i det tekniske supplementet til science fiction -romanen "Zero to Eighty" fra 1937 av "Akkad Pseudoman", et pennnavn for Princeton -fysikeren og elektriske gründeren Edwin Fitch Northrup . Dr. Northrup bygde prototypespiralpistoler drevet av trefasede elektriske generatorer med kHz-frekvens, og boken inneholder fotografier av noen av disse prototypene. Boken beskriver en fiktiv omkjøring av månen av et to-personers kjøretøy som ble lansert av en Northrup elektrisk pistol.

Senere har prototype massedrivere blitt bygget siden 1976 ( Mass Driver 1 ), noen konstruert av US Space Studies Institute for å bevise deres egenskaper og praktiske egenskaper. Militær FoU på coilguns er relatert, det samme er maglev -tog .

Se også

Mennesker

Referanser

Eksterne linker