Kjernepulsfremdrift - Nuclear pulse propulsion
Kjernepulsfremdrift eller ekstern pulserende plasmadrift er en hypotetisk metode for romfartøyets fremdrift som bruker kjernefysiske eksplosjoner for skyvekraft . Den oppsto som Project Orion med støtte fra DARPA , etter et forslag fra Stanislaw Ulam i 1947. Nyere design ved bruk av treghetsfusjon har vært grunnlinjen for de fleste senere design, inkludert Project Daedalus og Project Longshot .
Historie
Los Alamos
Beregninger for en mulig bruk av denne teknologien ble gjort på laboratoriet fra og mot slutten av 1940 -tallet til midten av 1950 -tallet.
Prosjekt Orion
Prosjekt Orion var det første alvorlige forsøket på å designe en atompulsrakett. Et design ble dannet på General Atomics på slutten av 1950-tallet og begynnelsen av 1960-tallet, med ideen om å reagere små retningsbestemte atomsprengstoff ved å benytte en variant av Teller-Ulam to-trinns bombedesign mot en stor stålpusherplate festet til romfartøyet med støtdempere . Effektive retningseksplosiver maksimerte momentumoverføringen, noe som førte til spesifikke impulser i området 6000 sekunder, eller omtrent tretten ganger den til romfergenes hovedmotor . Med forbedringer kan et teoretisk maksimum på 100 000 sekunder (1 MN · s/kg) være mulig. Støtene var på millioner av tonn , slik at romfartøy større enn 8 × 10 6 tonn kunne bygges med 1958 materialer.
Den henvisning utforming var å være konstruert av stål ved hjelp av undervannsbåten-stil konstruksjon med et mannskap på mer enn 200 og et kjøretøy startvekt på flere tusen tonn . Denne en-trinns referansedesignen ville nå Mars og komme tilbake om fire uker fra jordens overflate (sammenlignet med 12 måneder for NASAs nåværende kjemisk drevne referanseoppdrag). Det samme fartøyet kan besøke Saturns måner i et syv måneders oppdrag (sammenlignet med kjemisk drevne oppdrag på omtrent ni år). Bemerkelsesverdige ingeniørproblemer som oppstod var relatert til mannskapets skjerming og skyveplatens levetid.
Selv om systemet så ut til å være brukbart, ble prosjektet lagt ned i 1965, først og fremst fordi traktaten om delvis forbud mot forbud gjorde det ulovlig; faktisk, før traktaten, hadde USA og Sovjetunionen allerede separat detonert et samlet antall på minst ni atombomber, inkludert termonukleære, i verdensrommet, det vil si i over 100 km høyder (se kjernefysiske eksplosjoner i høyde ). Etiske spørsmål kompliserte lanseringen av et slikt kjøretøy i jordens magnetosfære : beregninger ved hjelp av den (omstridte) lineære terskelmodellen for strålingsskader viste at nedfallet fra hver start ville føre til at omtrent 1 til 10 individer dør. I en terskelmodell ville slike ekstremt lave nivåer av tynt distribuert stråling ikke ha noen negative effekter, mens slike hormonmodeller ville være ubetydelig gunstige under hormesemodeller . Med mulig bruk av mindre effektive rene kjernefysiske bomber for å oppnå bane og deretter mer effektive, ville skittentere bomber med høyere utbytte for reise betydelig redusere mengden nedfall forårsaket av en jordbasert oppskytning.
Et nyttig oppdrag ville være å avlede en asteroide eller komet på kollisjonskurs med jorden, avbildet dramatisk i filmen Deep Impact fra 1998 . Den høye ytelsen ville tillate selv en sen oppstart å lykkes, og kjøretøyet kunne effektivt overføre en stor mengde kinetisk energi til asteroiden ved enkel påvirkning. Utsiktene til en forestående asteroidevirkning ville dempe bekymringer over de få spådde dødsfallene som følge av nedfall. Et automatisert oppdrag ville fjerne utfordringen med å designe en støtdemper som ville beskytte mannskapet.
Orion er en av svært få interstellare romstasjoner som teoretisk sett kan konstrueres med tilgjengelig teknologi, som diskutert i et papir fra 1968, Interstellar Transport av Freeman Dyson .
Prosjekt Daedalus
Project Daedalus var en studie utført mellom 1973 og 1978 av British Interplanetary Society (BIS) for å designe et interstellar ubemannet romfartøy som kunne nå en stjerne i nærheten innen omtrent 50 år. Et titalls forskere og ingeniører ledet av Alan Bond jobbet med prosjektet. På det tidspunktet syntes fusjonsforskning å gjøre store fremskritt, og spesielt syntes inertial confinement fusion (ICF) å kunne tilpasses som en rakettmotor.
ICF bruker små pellets med fusjonsdrivstoff, vanligvis litiumdeuterid ( 6 Li 2 H) med en liten deuterium / tritium -trigger i midten. Pellets kastes inn i et reaksjonskammer hvor de treffes på alle sider av lasere eller en annen form for strålenergi. Varmen som genereres av bjelkene komprimerer pellets eksplosivt til det punktet hvor fusjon finner sted. Resultatet er et varmt plasma og en veldig liten "eksplosjon" sammenlignet med minimumsstørrelsesbomben som ville kreves for i stedet å skape den nødvendige mengden fisjon.
For Daedalus skulle denne prosessen kjøres innenfor en stor elektromagnet som dannet rakettmotoren. Etter reaksjonen, antent av elektronstråler, trakten magneten den varme gassen bakover for å skyve. Noe av energien ble avledet for å kjøre skipets systemer og motor. For å gjøre systemet trygt og energieffektivt, skulle Daedalus drives av et helium-3- drivstoff samlet fra Jupiter .
Medusa
Den Medusa konstruksjonen har flere likhetstrekk med solseil enn med konvensjonelle raketter. Det ble forestilt av Johndale Solem på 1990 -tallet og publisert i Journal of the British Interplanetary Society (JBIS).
Et Medusa -romfartøy ville plassere et stort seil foran det, festet med uavhengige kabler, og deretter skyte atomsprengstoff fremover for å detonere mellom seg selv og seilet. Seilet ville bli akselerert av plasma og fotonisk impuls, og løpe ut teddene som når en fisk flykter fra en fisker, og genererer elektrisitet ved "rullen". Romfartøyet ville bruke noe av den genererte elektrisiteten til å spole seg opp mot seilet, og stadig jevnt akselerere underveis.
I den opprinnelige designen er flere tinder koblet til flere motorgeneratorer. Fordelen i forhold til enkeltsnoren er å øke avstanden mellom eksplosjonen og tinderne, og dermed redusere skader på tinderne.
For store nyttelaster kan ytelsen forbedres ved å dra nytte av månematerialer, for eksempel å pakke sprengstoffet med månestein eller vann, lagret tidligere på et stabilt Lagrange -punkt .
Medusa yter bedre enn den klassiske Orion-designen fordi seilet fanger opp mer av den eksplosive impulsen, støtdemperens slag er mye lengre, og de viktigste strukturene er i spenning og kan derfor være ganske lette. Medusa -type skip vil være i stand til en bestemt impuls mellom 50 000 og 100 000 sekunder (500 til 1000 kN · s/kg).
Medusa ble allment kjent for publikum i BBCs dokumentarfilm To Mars By A-Bomb: The Secret History of Project Orion . En kortfilm viser en kunstners oppfatning av hvordan Medusa -romfartøyet fungerer "ved å kaste bomber i et seil som ligger foran det".
Project Longshot
Project Longshot var et forskningsprosjekt sponset av NASA som ble utført i samarbeid med US Naval Academy på slutten av 1980 -tallet . Longshot var på noen måter en utvikling av det grunnleggende Daedalus -konseptet, ved at det brukte magnetisk trettet ICF. Den viktigste forskjellen var at de følte at reaksjonen ikke kunne drive både raketten og de andre systemene, og i stedet inkluderte en 300 kW konvensjonell atomreaktor for å kjøre skipet. Reaktorens ekstra vekt reduserte ytelsen noe, men selv ved bruk av LiD -drivstoff ville den kunne nå nabostjernen Alpha Centauri på 100 år (ca. 13.411 km/s hastighet, i en avstand på 4,5 lysår - tilsvarende 4,5% lyshastighet).
Antimateria-katalysert atomreaksjon
På midten av 1990-tallet førte forskning ved Pennsylvania State University til konseptet om å bruke antimateriale for å katalysere atomreaksjoner. Antiprotoner ville reagere inne i urankjernen og frigjøre energi som bryter kjernen fra hverandre som i konvensjonelle kjernefysiske reaksjoner. Selv et lite antall slike reaksjoner kan starte kjedereaksjonen som ellers ville kreve et mye større drivstoffvolum for å opprettholde. Mens den "normale" kritiske massen for plutonium er omtrent 11,8 kilo (for en sfære med standard tetthet), med antimateriale -katalyserte reaksjoner, kan dette være godt under ett gram.
Flere rakettdesign som brukte denne reaksjonen ble foreslått, noen som ville bruke all-fisjon-reaksjoner for interplanetære oppdrag, og andre som brukte fisjon-fusjon (faktisk en veldig liten versjon av Orions bomber) for interstellare oppdrag.
Magneto-inertial fusjon
 Konseptgrafikk av et fusjonsdrevet rakettdrevet romfartøy som ankommer Mars
| |
| Designer | MSNW LLC |
|---|---|
| applikasjon | Interplanetarisk |
| Status | Teoretisk |
| Opptreden | |
| Spesifikk impuls | 1 606 s til 5 722 s (avhengig av fusjonsforsterkning) |
| Brenntid | 1 dag til 90 dager (10 dager optimal med gevinst på 40) |
| Referanser | |
| Referanser | |
| Merknader | |
NASA finansierte MSNW LLC og University of Washington i 2011 for å studere og utvikle en fusjonsrakett gjennom NASA Innovative Advanced Concepts NIAC Program.
Raketten bruker en form for magneto-treghetsfusjon for å produsere en fusjonsrakett med direkte skyvekraft. Magnetfelt får store metallringer til å kollapse rundt deuterium - tritiumplasma , og utløser fusjon. Energien varmer og ioniserer skallet av metall som dannes av de knuste ringene. Det varme, ioniserte metallet blir skutt ut av en magnetisk rakettdyse med høy hastighet (opptil 30 km/s). Å gjenta denne prosessen omtrent hvert minutt ville drive romskipet. Fusjonsreaksjonen er ikke selvbærende og krever elektrisk energi for å eksplodere hver puls. Med elektriske krav anslått til å være mellom 100 kW til 1000 kW (gjennomsnittlig 300 kW), inneholder design solcellepaneler for å produsere nødvendig energi.
Foil Liner Compression skaper fusjon i riktig energiskala. Beviset på konsepteksperimentet i Redmond, Washington, var å bruke aluminiumsforinger for komprimering. Imidlertid var den ultimate designen å bruke litiumforinger.
Ytelseskarakteristikker er avhengig av fusjonsenergivinningsfaktoren oppnådd av reaktoren. Gevinstene var forventet å være mellom 20 og 200, med et estimert gjennomsnitt på 40. Høyere gevinster gir høyere eksoshastighet, høyere spesifikk impuls og lavere krav til elektrisk kraft. Tabellen nedenfor oppsummerer forskjellige ytelsesegenskaper for en teoretisk 90-dagers Mars-overføring med gevinster på 20, 40 og 200.
| Total gevinst | Gevinst på 20 | Gevinst på 40 | Gevinst på 200 |
|---|---|---|---|
| Fôrmasse (kg) | 0,365 | 0,365 | 0,365 |
| Spesifikke impulser | 1.606 | 2.435 | 5722 |
| Massefraksjon | 0,33 | 0,47 | 0,68 |
| Spesifikk masse (kg/kW) | 0,8 | 0,53 | 0,23 |
| Massedrivmiddel (kg) | 110 000 | 59 000 | 20.000 |
| Masseinnledende (kg) | 184 000 | 130 000 | 90 000 |
| Elektrisk effekt kreves (kW) | 1 019 | 546 | 188 |
I april 2013 hadde MSNW demonstrerte delkomponenter av systemene: oppvarming deuterium plasma opp til smeltetemperaturer og konsentrerer de magnetiske feltene som trengs for å skape fusjon. De planla å sette de to teknologiene sammen for en test før slutten av 2013.
Pulserende fisjon-fusjon fremdrift
Pulsed Fission-Fusion (PuFF) fremdrift er avhengig av prinsipper som ligner på magneto-treghetssmelting. fisjon og fusjonsreaksjoner initiert av en Z-klype . Det er et teoretisk fremdriftssystem som forskes gjennom NIAC -programmet ved University of Alabama i Huntsville . Det er i hovedsak en fusjonsrakett som bruker en Z-pinch-konfigurasjon, men kombinert med en fisjonreaksjon for å øke fusjonsprosessen.
En PuFF-drivstoffpellet, rundt 1 cm i diameter, består av to komponenter: En deuterium-tritium (DT) sylinder av plasma, kalt målet , som gjennomgår fusjon, og en omkringliggende U-235 kappe som gjennomgår fisjon innhyllet av en litiumforing . Flytende litium, som fungerer som moderator, fyller rommet mellom DT -sylinderen og urankappen. strøm går gjennom flytende litium, en Lorentz-kraft genereres som deretter komprimerer DT-plasmaet med en faktor 10 i det som er kjent som en Z-klype. Det komprimerte plasmaet når kritikk og gjennomgår fusjonsreaksjoner. Fusjonsenergivinsten ( Q ) for disse reaksjonene er imidlertid langt under breakeven ( Q <1), noe som betyr at reaksjonen bruker mer energi enn den produserer.
I en PuFF-design induserer de raske nøytronene som frigjøres ved den første fusjonsreaksjonen fisjon i U-235-kappen. Den resulterende varmen får kappen til å ekspandere, øke dens implosjonshastighet på DT -kjernen og komprimere den ytterligere og frigjøre flere raske nøytroner. De forsterker igjen fisjonraten i kappen, noe som gjør prosessen autokatalytisk. Det er håp om at dette resulterer i en fullstendig forbrenning av både fisjon- og fusjonsbrensel, noe som gjør PuFF mer effektivt enn andre atompuls -konsepter. På samme måte som i en magneto-treghetsfusjonsrakett, er ytelsen til motoren avhengig av i hvilken grad fusjonsgevinsten til DT-målet økes.
En "puls" består av injeksjon av en brenselpille i forbrenningskammeret, forbruket gjennom en rekke fisjon-fusjonsreaksjoner, og til slutt utstøt av det frigitte plasma gjennom en magnetisk dyse, og genererer dermed skyvekraft. Det forventes at en enkelt puls tar bare en brøkdel av et sekund å fullføre.
Se også
Referanser
Eksterne linker
- GR Schmidt, JA Bunornetti og PJ Morton, Nuclear Pulse Propulsion - Orion and Beyond, NASA teknisk rapport AlAA 2000-3856, 2000
- JC Nance, "Nuclear Pulse Propulsion", IEEE Trans. on Nuclear Science 12, 177 (1965) [Gjengitt som Ann. NY Acad. Sci. 140, 396 (1966)].
- "Nuclear Pulse Space Vehicle Study, Vol III," Rapport om NASA-kontrakt NAS 8-11053, General Atomics, GA-5009, 19. september 64.
- F. Dyson, "Death of a Project", Science 149, 141 (1965).
- WH Robbins og HB Finger, HB, "An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program", NASA Contractor Report 187154, AIAA-91-3451, juli 1991.