Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гипотетикалық ғарыш кемесін үздіксіз ядролық жарылыстар арқылы жылға жылғау
Hypothetical spacecraft propulsion through continuous nuclear explosions for thrust
Ядролық импульстік қозғалтқыш немесе сыртқы импульстік плазмалық жылғау – ядролық жарылыстарды итеру күші ретінде пайдаланатын ғарыш кемесін жылға жылғаудың гипотетикалық әдісі. Бұл идея 1947 жылы Станислав Улам ұсынғаннан кейін, DARPA қолдауымен «Орион» жобасы ретінде пайда болды. Инерциялық шектеу термоядролық синтезіне негіделген жаңа жобалар кейінгі көптеген жобалардың, соның ішінде «Дедалус» және «Лонгшот» жобаларының негізі болды.
Nuclear pulse propulsion or external pulsed plasma propulsion is a hypothetical method of spacecraft propulsion that uses nuclear explosions for thrust. It originated as Project Orion with support from DARPA, after a suggestion by Stanislaw Ulam in 1947. Newer designs using inertial confinement fusion have been the baseline for most later designs, including Project Daedalus and Project Longshot.
Лос-Аламос
Бұл технологияны қолдану мүмкіндіктері зертханада 1940 жылдардың соңынан 1950 жылдардың ортасына дейін есептелді.
Calculations for a potential use of this technology were made at the laboratory from and toward the close of the 1940s to the mid 1950s.
Орион жобасы
Орион жобасы ядролық импульстік зымыранды жасаудың алғашқы және маңызды әрекеті болды. 1950 жылдардың соңы мен 1960 жылдардың басында General Atomics компаниясында екі сатылы бомбаның Teller–Ulam дизайнының модификациясын қолданып, ғарыш кемесіне соққы беруге арналған құрылғылармен бекітілген үлкен болатты итергіш пластинаға қарсы бағытталған шағын ядролық жарылыстар жасау идеясы қалыптасты. Тиімді бағытталған жарылыстар импульстік берілісті максималды деңгейге көтеріп, секундтарына есептелетін нақты импульсқа қол жеткізуге мүмкіндік берді, бұл ғарыш айлағының негізгі қозғалтқышынан шамамен он үш есе жоғары көрсеткіш. Жақсартулар арқылы теориялық ең жоғары нақты импульс (1 МН·с/кг) мүмкін болар еді. Итеру күші миллиондаған тоннаға жететін болғандықтан, 1958 жылғы материалдарды пайдаланып 8 тоннадан асатын ғарыш кемесін құруға болады. Бағаланған конструкция теңізшілер стиліндегі құрылыспен болаттан жасалып, 200-ден астам экипаж мүшесіне және бірнеше мың тонналық ұшу салмағына ие болуы тиіс еді. Бұл бір сатылы анықтамалық жоба Жер бетінен Марсқа төрт аптада жетіп, қайта оралуы мүмкін (НАСА-ның қазіргі химиялық қуатпен жұмыс істейтін анықтамалық миссиясы үшін 12 айға қарағанда). Осы кеме Сатурнның серіктеріне жеті айлық миссиямен бара алады (химиялық қуатпен жұмыс істейтін миссиялармен салыстырғанда тоғыз жыл). Кездескен инженерлік мәселелер экипажды қорғау және итергіш пластинаның қызмет ету мерзімімен байланысты болды. Жүйе жұмыс істеуге қабілетті болғанымен, жоба 1965 жылы жартылай тыйым салу шарты оны заңсыз деп жариялағандықтан тоқтатылды. Шындығында, аталған шартқа дейін АҚШ және Кеңес Одағы ғарышта кем дегенде тоғыз ядролық бомбаны, оның ішінде термоядролық бомбаларды, 100 км-ден жоғары биіктікте жарылтып, барлығын қосып есептегенде жарылтып үлгерген (қараңыз, жоғары биіктіктегі ядролық жарылыстар). Жердің магниттік қабатында мұндай аппаратты ұшыру этикалық мәселелерді күрделендірді: радиациялық зақымданудың (тартысты) сызықтық емес модельін пайдалана отырып жасалған есептер әрбір ұшырудан шамамен 1-10 адамның қаза табатынын көрсетті. Төмендегі шектік модельде, мұндай өте төмен деңгейдегі жұқа таралған радиация зиянды әсерлерге ие болмайды, ал гормезис модельдерінде мұндай шағын дозалар едәуір пайдалы болуы мүмкін. Орбитаға жету үшін тиімділігі төмен таза ядролық бомбаларды, содан кейін тиімділігі жоғары, күші зоррақ «кір» бомбаларды пайдалану Жерден ұшырылған кезде туындайтын радиоактивті жауын-шашын мөлшерін айтарлықтай азайтуға болады. Бір пайдалы миссия – 1998 жылғы «Deep Impact» фильмінде көрсетілгендей, Жерге соқтығысу жолындағы астероид немесе кометаның бағытын өзгерту болар еді. Жоғары өнімділік тіпті кешіктірілген ұшырудың сәтті болуына мүмкіндік береді, ал аппарат астероидке қарапайым соққы арқылы үлкен кинетикалық энергияны тиімді түрде беруге қабілетті. Астероидтың жақын арадағы соқтығысынан туындаған қорқыныш радиоактивті жауын-шашыннан күтілетін өлім-жітім туралы алаңдаушылықты жояды. Автоматтандырылған миссия экипажды қорғайтын соққыны сіңіретін құрылғыны жасау қиындығын жояды. Орион – қазіргі қолданыстағы технологиямен теориялық тұрғыдан құрастырылатын шамалы ғарышқаралық қозғалтқыштардың бірі, бұл мәселе Фриман Дайсонның 1968 жылғы «Ғарышқаралық көлік» атты мақаласында талқыланған.
Project Orion was the first serious attempt to design a nuclear pulse rocket. A design was formed at General Atomics during the late 1950s and early 1960s, with the idea of reacting small directional nuclear explosives utilizing a variant of the Teller–Ulam two stage bomb design against a large steel pusher plate attached to the spacecraft with shock absorbers. Efficient directional explosives maximized the momentum transfer, leading to specific impulses in the range of seconds, or about thirteen times that of the Space Shuttle main engine. With refinements a theoretical maximum specific impulse of (1 MN·s/kg) might be possible. Thrusts were in the millions of tons, allowing spacecraft larger than 8 tons to be built with 1958 materials. The reference design was to be constructed of steel using submarine style construction with a crew of more than 200 and a vehicle takeoff weight of several thousand tons. This single stage reference design would reach Mars and return in four weeks from the Earth's surface (compared to 12 months for NASA's current chemically powered reference mission). The same craft could visit Saturn's moons in a seven month mission (compared to chemically powered missions of about nine years). Notable engineering problems that occurred were related to crew shielding and pusher plate lifetime. Although the system appeared to be workable, the project was shut down in 1965, primarily because the Partial Test Ban Treaty made it illegal; in fact, before the treaty, the US and Soviet Union had already separately detonated a combined number of at least nine nuclear bombs, including thermonuclear, in space, i. e., at altitudes of over 100 km (see high altitude nuclear explosions). Ethical issues complicated the launch of such a vehicle within the Earth's magnetosphere: calculations using the (disputed) linear no threshold model of radiation damage showed that the fallout from each takeoff would cause the death of approximately 1 to 10 individuals. In a threshold model, such extremely low levels of thinly distributed radiation would have no associated ill effects, while under hormesis models, such tiny doses would be negligibly beneficial. The use of less efficient clean nuclear bombs for achieving orbit and then more efficient, higher yield dirtier bombs for travel would significantly reduce the amount of fallout caused from an Earth based launch. One useful mission would be to deflect an asteroid or comet on collision course with the Earth, depicted dramatically in the 1998 film Deep Impact. The high performance would permit even a late launch to succeed, and the vehicle could effectively transfer a large amount of kinetic energy to the asteroid by simple impact. The prospect of an imminent asteroid impact would obviate concerns over the few predicted deaths from fallout. An automated mission would remove the challenge of designing a shock absorber that would protect the crew. Orion is one of very few interstellar space drives that could theoretically be constructed with available technology, as discussed in a 1968 paper, "Interstellar Transport" by Freeman Dyson.
Дедалус жобасы
Дедалус жобасы – 1973 және 1978 жылдар аралығында Британдық планетааралық қоғам (БПҚ) жүргізген зерттеу. Зерттеудің мақсаты – 50 жылдың ішінде жақын жұлдызға жете алатын ұшқышсыз жұлдызаралық ғарыш кемесін жобалау болды. Алан Бонд басқарыған онға жуық ғалым мен инженер осы жобада жұмыс істеді. Сол кезде термоядролық зерттеулер үлкен прогресс жасағандай көрінді, әсіресе инерциялық шектеу термоядросы (ICF) ракеталық қозғалтқыш ретінде қолдануға ыңғайлы болды. ICF термоядролық отынның кішкентай гранулаларын пайдаланады, әдетте литий деутериді (6Li2H), ортасында шағын дейтерий/тритий тұтандырғышы болады. Гранулалар реакциялық камераға тасталды, онда олар лазерлер немесе басқа сәулелі энергия түрлерімен барлық жағынан соққыға ұшырайды. Сәулелерден туындаған жылу грануланы термоядролық реакция жүзеге асырылатын деңгейге дейін күшпен қысады. Нәтижесінде ыстық плазма түзіледі және қажетті мөлшердегі бөлінуді тудыру үшін қажетті ең кішкентай бомбамен салыстырғанда өте шағын "жарылыс" болады. Дедалус үшін бұл процесс ракеталық қозғалтқыш құраған үлкен электромагниттің ішінде жүргізілуі тиіс еді. Реакциядан кейін, электрондық сәулелермен тұтандырылған магнит, ыстық гасты артқа қарай итеру үшін бағытталды. Энергияның бір бөлігі кеменің жүйелерін және қозғалтқышын қамтамасыз етуге жұмсалды. Жүйені қауіпсіз және энергияны тиімді пайдалану үшін Дедалус Юпитерден алынған гелий-3 отынымен қуаттануы керек еді.
Project Daedalus was a study conducted between 1973 and 1978 by the British Interplanetary Society (BIS) to design an interstellar uncrewed spacecraft that could reach a nearby star within about 50 years. A dozen scientists and engineers led by Alan Bond worked on the project. At the time fusion research appeared to be making great strides, and in particular, inertial confinement fusion (ICF) appeared to be adaptable as a rocket engine. ICF uses small pellets of fusion fuel, typically lithium deuteride (6Li2H) with a small deuterium/tritium trigger at the center. The pellets are thrown into a reaction chamber where they are hit on all sides by lasers or another form of beamed energy. The heat generated by the beams explosively compresses the pellet to the point where fusion takes place. The result is a hot plasma, and a very small "explosion" compared to the minimum size bomb that would be required to instead create the necessary amount of fission. For Daedalus, this process was to be run within a large electromagnet that formed the rocket engine. After the reaction, ignited by electron beams, the magnet funnelled the hot gas to the rear for thrust. Some of the energy was diverted to run the ship's systems and engine. In order to make the system safe and energy efficient, Daedalus was to be powered by a helium 3 fuel collected from Jupiter.
Медуза
Медуза дизайны дәстүрлі ракеталардан гөрі күн желкендерімен көбірек ортақ нәрсеге ие. Оны 1990 жылдары Джондейл Солем әзірлеген және Британдық планетааралық қоғамның журналында (JBIS) жариялаған. Medusa ғарыш кемесі алдына үлкен желкенді шығарады, оны тәуелсіз кабельдермен бекітеді, содан кейін ядролық жарылғыш заттарды алға қарай ұшырып, өзі мен желкенінің арасында жарылады. Желкен плазма мен фотондық импульс арқылы үдетіледі, кабельдерді балық аулаушыдан қашқан балық сияқты созып, "катушкада" электр энергиясын өндіреді. Ғарыш кемесі өндірілген электр энергиясын желкенге қарай итеру үшін пайдаланады, қозғалысын үнемі тегіс үдетіп отырады. Алғашқы жобада бірнеше мотор-генераторларға қосылған бірнеше кабельдер болған. Бір кабельді пайдаланудың артықшылығы – жарылыс пен кабельдер арасындағы қашықтықты арттыру, соның салдарынан кабельдерге зиян келтіруді азайту. Салмақты жүктер үшін, Ай материалдарын пайдаланып, тиімділікті арттыруға болады, мысалы, жарылғыш затты Ай тастарымен немесе сумен орап, бұрын тұрақты Лагранж нүктесінде сақталған. Medusa классикалық Орион дизайнынан артық тиімді, себебі оның желкені жарылыс импульсінің көбірек бөлігін ұстай алады, соққы сөру ұзындығы әлдеқайда ұзақ, ал негізгі құрылымдары кернеуде болғандықтан, өте жеңіл болуы мүмкін. Medusa типіндегі кемелердің нақты импульсі (500-1000 кН·с/кг) шамасында болуы мүмкін. Medusa көпшілікке BBC-нің "Марсқа бомбамен: Орион жобасының құпия тарихы" атты деректі фильмі арқылы кеңінен танылды. Қысқа фильмде суретшінің Medusa ғарыш кемесінің жұмыс істеу принципін "алдына желкенге бомбалар лақтыру арқылы" бейнелеуі көрсетілген.
The Medusa design has more in common with solar sails than with conventional rockets. It was envisioned by Johndale Solem in the 1990s and published in the Journal of the British Interplanetary Society (JBIS). A Medusa spacecraft would deploy a large sail ahead of it, attached by independent cables, and then launch nuclear explosives forward to detonate between itself and its sail. The sail would be accelerated by the plasma and photonic impulse, running out the tethers as when a fish flees a fisher, generating electricity at the "reel". The spacecraft would use some of the generated electricity to reel itself up toward the sail, constantly smoothly accelerating as it goes. In the original design, multiple tethers connected to multiple motor generators. The advantage over the single tether is to increase the distance between the explosion and the tethers, thus reducing damage to the tethers. For heavy payloads, performance could be improved by taking advantage of lunar materials, for example, wrapping the explosive with lunar rock or water, stored previously at a stable Lagrange point. Medusa performs better than the classical Orion design because its sail intercepts more of the explosive impulse, its shock absorber stroke is much longer, and its major structures are in tension and hence can be quite lightweight. Medusa type ships would be capable of a specific impulse of (500 to 1000 kN·s/kg). Medusa became widely known to the public in the BBC documentary film To Mars By A Bomb: The Secret History of Project Orion. A short film shows an artist's conception of how the Medusa spacecraft works "by throwing bombs into a sail that's ahead of it".
Жобаның ұзақтығы
Лонгшот жобасы – 1980 жылдардың соңында АҚШ Әскери-теңіз академиясымен бірлесіп, NASA қолдауымен жүргізілген зерттеу жобасы. Лонгшот белгілі бір жағынан негізгі Даэдал тұжырымдамасының дамуы болды, себебі ол магниттік түйінделген инерциялық термоядролық синтез (ИТС) қолданды. Басты айырмашылық – реакцияның зымыранды да, басқа да жүйелерді қуатпен қамтамасыз ете алмайды деген тұжырымдамаға келді, сондықтан кеменің жұмыс істеуі үшін 300 кВт қуатты дәстүрлі ядролық реактор қосылды. Реактордың салмағының артуы тиімділікті аздап төмендетті, бірақ LiD отынын пайдаланғанда да ол көрші жұлдыз Альфа Центаврға 100 жылдың ішінде жете алады (шамамен 13 411 км/с жылдамдықпен, 4,5 жарық жылы қашықтықта, бұл жарық жылдамдығының 4,5% құрайды).
Project Longshot was a NASA sponsored research project carried out in conjunction with the US Naval Academy in the late 1980s. Longshot was in some ways a development of the basic Daedalus concept, in that it used magnetically funneled ICF. The key difference was that they felt that the reaction could not power both the rocket and the other systems, and instead included a 300 kW conventional nuclear reactor for running the ship. The added weight of the reactor reduced performance somewhat, but even using LiD fuel it would be able to reach neighboring star Alpha Centauri in 100 years (approx. velocity of 13,411 km/s, at a distance of 4.5 light years, equivalent to 4.5% of light speed).
Антиматериямен катализделген ядролық реакция
1990 жылдардың ортасында Пенсильвания штаты университетіндегі зерттеулер ядролық реакцияларды катализдеу үшін антиматерияны қолдану идеясына әкелді. Антипротондар уран ядросының ішінде реакцияға түсіп, энергия бөліп шығарады, бұл ядроны дәстүрлі ядролық реакциялардағыдай бөлшектейді. Мұндай реакциялардың өте аз саны тізбектік реакцияны бастауы мүмкін, әйтпесе оны ұстап тұру үшін әлдеқайда көп мөлшерде отын қажет болар еді. Плутонийдің "қалыпты" сындық массасы шамамен 11,8 килограммды құрайды (стандартты тығыздықтағы шар үшін), ал антиматерия катализделген реакциялар арқылы бұл бір грамнан да аз болуы мүмкін. Бұл реакцияны пайдаланатын бірнеше ракета жобалары ұсынылды, олардың кейбіреулері планетаралық миссиялар үшін толық бөліну реакцияларын пайдаланар еді, ал басқалары жұлдызаралық миссиялар үшін бөліну-қосылуын (Орион бомбаларының өте кішкентай нұсқасы) қолданар еді.
In the mid 1990s, research at Pennsylvania State University led to the concept of using antimatter to catalyze nuclear reactions. Antiprotons would react inside the nucleus of uranium, releasing energy that breaks the nucleus apart as in conventional nuclear reactions. Even a small number of such reactions can start the chain reaction that would otherwise require a much larger volume of fuel to sustain. Whereas the "normal" critical mass for plutonium is about 11.8 kilograms (for a sphere at standard density), with antimatter catalyzed reactions this could be well under one gram. Several rocket designs using this reaction were proposed, some which would use all fission reactions for interplanetary missions, and others using fission fusion (effectively a very small version of Orion's bombs) for interstellar missions.
Импульстік бөліну-қосу қозғалтқышы
Импульстік фиссиондық-синтездік (ПФС) қозғалтқыш, магниттік инерциялық синтез қағидаттарына ұқсас. Ол, Орион сияқты қозғалтқыштағы кіші отын гранулаларынан алынған плазманы шығару арқылы, Z-қысыммен басталатын автокатализдік бөліну және синтез реакцияларын тудыратын, қоршауға түсетін өте жоғары кернеу мәселесін шешуге бағытталған. Бұл – Алабама университетінің Хантсвилл қаласындағы NIAC бағдарламасы аясында зерттелген теориялық қозғалтқыш жүйесі. Бұл, по сути, Z-конфигурациясын пайдаланатын синтездік ракета, бірақ синтез процесін күшейту үшін бөліну реакциясымен үйлестірілген. Шамамен 1 см диаметріндегі ПФС отын гранулы екі негізгі компоненттен тұрады: мақсат деп аталатын дейтерий-тритий (D-T) плазмасының цилиндрі, синтез процесіне түсетін және литий қаптамасымен оралған U-235 қабығы. Сұйық литий, модератор ретінде қызмет ете отырып, D-T цилиндрі мен уран қабығы арасындағы кеңістікті толтырады. Ток сұйық литий арқылы өткізіледі, нәтижесінде Лоренц күші туындайды, ол D-T плазмасын Z-қысым деп аталатын 10 есеге дейін қысады. Қысылған плазма сыни жағдайға жетеді және синтез реакциясына түседі. Дегенмен, бұл реакциялардың синтез энергиясының пайдасы (Q) тепе-теңдік деңгейінен (Q < 1) төмен, яғни реакция өндіргеннен көп энергияны жұмсайды. ПФС конструкциясында бастапқы синтез реакциясынан шыққан жылдам нейтрондар U-235 қабығында бөлінуді тудырады. Соның салдарынан пайда болған жылу қабықтың кеңеюіне және D-T ядросына түсетін имплозия жылдамдығының артуына, оны одан әрі қысып, көбірек жылдам нейтрондарды босатуға себеп болады. Бұл, қабықтағы бөліну жылдамдығын күшейтеді, процесті автокатализдік етеді. Бұл, басқа ядролық импульстік тұжырымдамаларға қарағанда ПФС-ті тиімдірек ететін, бөліну және синтез отындарының толық жануына әкеледі деп күтілуде. Магниттік инерциялық синтездік ракета сияқты, қозғалтқыштың өнімділігі D-T мақсатының синтездік пайдасының қаншалықты артуына байланысты. Бір "импульс" отын гранулын жану камерасына енгізуден, оны бірнеше фиссиондық-синтездік реакциялар арқылы жағудан және соңында магниттік сорап арқылы босатылған плазманы шығарудан тұрады, осылайша итеру күші пайда болады. Бір импульстың аяқталуына бір секундтың бір бөлігі ғана уақыт керек болады.
Pulsed fission fusion (PuFF) propulsion is reliant on principles similar to magneto inertial fusion. It aims to solve the problem of the extreme stress induced on containment by an Orion like motor by ejecting the plasma obtained from small fuel pellets that undergo autocatalytic fission and fusion reactions initiated by a Z pinch. It is a theoretical propulsion system researched through the NIAC Program by the University of Alabama in Huntsville. It is in essence a fusion rocket that uses a Z pinch configuration, but coupled with a fission reaction to boost the fusion process. A PuFF fuel pellet, around 1 cm in diameter, consists of two components: A deuterium tritium (D T) cylinder of plasma, called the target, which undergoes fusion, and a surrounding U 235 sheath that undergoes fission enveloped by a lithium liner. Liquid lithium, serving as a moderator, fills the space between the D T cylinder and the uranium sheath. Current is run through the liquid lithium, a Lorentz force is generated which then compresses the D T plasma by a factor of 10 in what is known as a Z pinch. The compressed plasma reaches criticality and undergoes fusion reactions. However, the fusion energy gain (Q) of these reactions is far below breakeven (Q < 1), meaning that the reaction consumes more energy than it produces. In a PuFF design, the fast neutrons released by the initial fusion reaction induce fission in the U 235 sheath. The resultant heat causes the sheath to expand, increasing its implosion velocity onto the D T core and compressing it further, releasing more fast neutrons. Those again amplify the fission rate in the sheath, rendering the process autocatalytic. It is hoped that this results in a complete burn up of both the fission and fusion fuels, making PuFF more efficient than other nuclear pulse concepts. Much like in a magneto inertial fusion rocket, the performance of the engine is dependent on the degree to which the fusion gain of the D T target is increased. One "pulse" consist of the injection of a fuel pellet into the combustion chamber, its consumption through a series of fission fusion reactions, and finally the ejection of the released plasma through a magnetic nozzle, thus generating thrust. A single pulse is expected to take only a fraction of a second to complete.