Электромагниттік катапульта: Ғарышқа шығарудың жаңа әдісі

Кіріспе

Ұсынылған ғарышқа ұшыру әдісі

Массалық драйвер немесе электромагниттік катапульта – ғарышқа ұшырудың ұсынылған әдісі, ол сызықтық қозғалтқышты пайдаланып, жүктерді жоғары жылдамдыққа дейін үдетіп, катапультамен жібереді. Қазіргі және ұсынылған массалық драйверлер электромагниттер жасау үшін электр энергиясымен қуаттандырылатын сым орамаларын қолданады, бірақ айналмалы массалық драйвер де ұсынылған. Электромагниттер қатарын тізбектеп қосу жүкті траектория бойымен үдетеді. Траекториядан шыққаннан кейін жүк инерциясымен қозғалуын жалғастырады. Кез келген баллистикалық жүк жылғақыш құрылғы техникалық тұрғыдан массалық драйвер болып саналады, бірақ осы контексте массалық драйвер – жүк орналасқан магниттелмелі ұстағышты магниттік күшпен үдететін катушка болып табылады. Жүк үдетілгеннен кейін, екеуі де бөлінеді, ал ұстағыш баяулатылып, келесі жүк үшін қайта қолданылады. Массалық драйверлерді ғарыш кемесін үш түрлі жолмен жылғақылау үшін пайдалануға болады: Жердегі үлкен массалық драйвер ғарыш кемесін Жерден, Айдан немесе басқа да ғарыз денелерінен ұшыруы мүмкін. Кішкентай массалық драйвер ғарыш кемесіндегі ракеталық қозғалтқыш ретінде жұмыс істей алады, өзін жылғақылау үшін материалдың бөліктерін ғарышқа лақтырады. Тағы бір нұсқасы – айда немесе астероидте орналасқан үлкен құрылыс алысқа сапарлаған кемеге көмектесу үшін снарядтар жіберуі мүмкін. Кішірейтілген массалық драйверлер химиялық жануды пайдаланатын дәстүрлі қарулар немесе зеңбіректер сияқты қару ретінде де қолданылуы мүмкін. Катушкалы және рельсті қарулардың гибридтері, мысалы спиральді рельсті қарулар да мүмкін.

Жер бетінде

Жүк тасымалдауға ғана арналған химиялық ғарыш қаруларынан өзгеше, массалық драйвер кез келген ұзындықта, қолжетімді және салыстырмалы түрде тегіс үдеумен, тіпті жолаушылар үшін артық g күштерізсіз мақсатты жылдамдыққа жетуге қабілетті, тіпті ұзақ болуы мүмкін. Оны өте ұзын және негізінен көлденең бағытталған ұшыру жолы ретінде құруға болады, соңында жоғары қарай бағытталған, ішінара жолдың жоғары қарай иілуімен және ішінара Жердің қисығы арқылы. Таулар сияқты табиғи көтерілімдер алыс, жоғары қарай бағытталған бөлігін салуды жеңілдете алады. Жолдың соңы қаншалықты биік болса, ұшырылған нысан атмосферадан соңғылықты соншалықты аз сезінеді. Төменгі жер орбитасына дейін 9000 м/с жылдамдықпен (сүреу шығындарын ескере отырып) ұшырылған снарядтардың килограмына 40 мегаджоуль немесе одан аз кинетикалық энергия, тиімділік салыстырмалы түрде жоғары болса, килограммға бірнеше киловатт-сағатқа тең, сондықтан LEO-ға жіберілген килограммға электр энергиясының құны 1 доллардан кем болуы мүмкін деп болжанады, бірақ жалпы шығындар электр энергиясынан әлдеқайда көп болады. Жердегі массалық драйвер әдетте шартты жүйе болады. Массалық драйвер пайдалы жүкті орбитаға жеткіліксіз жылдамдыққа дейін үдетіп, содан кейін ракеталармен ұшыруды аяқтайтын жүкті босатады. Бұл ракетаның орбитаға жету үшін қажетті жылдамдығын күрт азайтады. Егер конструкция мұны азайтуға басымдық берсе, кішкентай ракеталық қозғалтқыштан орбиталық жылдамдықтың оннан бір бөлігі перигейді көтеру үшін жеткілікті, бірақ гибридтік ұсыныстар ракетаның күйдірілуімен (немесе орбиталық импульс алмасу тізбегімен) дельта v-нің үлкен бөлігін алу арқылы массалық драйвердің өзіне қойылатын талаптарды азайтады. Мысалы, жылдамдықтың жартысы сол жылдамдыққа дейін төртінші бөлігін құрайтын туннельге сәйкес келеді. Тағы бір тұжырымдама үлкен сақина дизайнын қамтиды, онда ғарыш кемесі сақинаны бірнеше рет айналып, біртіндеп жылдамдыққа ие болады, содан кейін көкке қарай ұшыратын ұшыру дәлізіне босатылады. Атомдық қалдықтарды ғарышта жою үшін массалық драйверлер ұсынылды: Жердің екінші космостық жылдамдығынан әлдеқайда жоғары жылдамдықпен ұшырылған снаряд Күн жүйесінен қашып кетеді, мұндай жылдамдықпен атмосферадан өту созылған снаряд пен өте маңызды жылу қалқаны арқылы тірі қалуға болатыны есептелген.

In contrast to cargo only chemical space gun concepts, a mass driver could be any length, affordable, and with relatively smooth acceleration throughout, optionally even lengthy enough to reach target velocity without excessive g forces for passengers. It can be constructed as a very long and mainly horizontally aligned launch track for spacelaunch, targeted upwards at the end, partly by bending of the track upwards and partly by Earth's curvature in the other direction. Natural elevations, such as mountains, may facilitate the construction of the distant, upwardly targeted part. The higher up the track terminates, the less resistance from the atmosphere the launched object will encounter. The 40 megajoules per kilogram or less kinetic energy of projectiles launched at up to 9000 m/s velocity (if including extra for drag losses) towards low Earth orbit is a few kilowatt hours per kilogram if efficiencies are relatively high, which accordingly has been hypothesized to be under $1 of electrical energy cost per kilogram shipped to LEO, though total costs would be far more than electricity alone. A mass driver on Earth would usually be a compromise system. A mass driver would accelerate a payload up to some high speed which would not be enough for orbit. It would then release the payload, which would complete the launch with rockets. This would drastically reduce the amount of velocity needed to be provided by rockets to reach orbit. Well under a tenth of orbital velocity from a small rocket thruster is enough to raise perigee if a design prioritizes minimizing such, but hybrid proposals optionally reduce requirements for the mass driver itself by having a greater portion of delta v by a rocket burn (or orbital momentum exchange tether). For instance, half of the velocity goal could correspond to a tunnel a quarter as long needing to be constructed, for the same acceleration. Another concept involves a large ring design whereby a space vehicle would circle the ring numerous times, gradually gaining speed, before being released into a launch corridor leading skyward. Mass drivers have been proposed for the disposal of nuclear waste in space: a projectile launched at much above Earth's escape velocity would escape the Solar System, with atmospheric passage at such speed calculated as survivable through an elongated projectile and a very substantial heatshield.

Ғарыш кемелері бар массалық драйверлер

Ғарыш кемесі негізгі қозғалтқышы ретінде массалық драйверді тасымалдай алады. Тиісті электр қуатының көзі болғанда (әдетте ядролық реактор) ғарыш кемесі массалық драйверді қолданып, кез келген материалдың бөліктерін үдетіп, өзін қарсы бағытта жылдамдата алады. Реакциялық массаның ең кішкентай өлшемдерінде, мұндай қозғалтқыш иондық қозғалтқыш деп аталады. Сызықтық моторлардың мөлшері, үдеуі немесе оқтың энергиясы үшін абсолютті теориялық шек белгілі емес. Дегенмен, қуаттың массаға қатынасы, ысырапты жылуды тарату және энергияны беруге және басқаруға болатын мүмкіндіктер сияқты практикалық инженерлік шектеулер бар. Газ шығару жылдамдығы тым төмен де, тым жоғары да болмауы керек. Кез келген итергіш үшін миссияға байланысты шектелген оңтайлы газ шығару жылдамдығы және нақты импульс болады, ол ғарыш кемесіндегі қуаттың шектеулі мөлшерімен шектеледі. Шығарылған массаның бірлігіне шаққандағы итеру күші мен импульс оның жылдамдығымен бірге сызықты түрде артады (импульс = mv), бірақ кинетикалық энергия мен энергияны қажет ету жылдамдықтың квадратына пропорционалды өседі (кинетикалық энергия = 1/2 mv2). Газ шығару жылдамдығы тым төмен болса, ракета теңдеуіне сәйкес, қажетті отын массасы артық болады, ал энергияның тым көп бөлігі әлі қолданылмаған итергішті үдетуге жұмсалады. Жоғары газ шығару жылдамдығының да пайдасы да, кемшілігі де бар: отынды тиімді пайдалану (шығарылған отынның бірлік массасына көбірек импульс), бірақ қол жетімді кіріс қуаты тұрақты болса, итеру күші мен ғарыш кемесінің үдеу жылдамдығы төмендейді (отынның бірлігіне берілген энергияға қарағанда аз импульс). Бұл итергіш концепциясының тағы бір теориялық қолданысын ғарыш суарларында табуға болады – бұл жүйеде дөңгелек траекториядағы үздіксіз пеллеттер ағыны биік құрылысты ұстап тұрады.

Қару ретінде бұқаралық қозғалтқыштар

Шағын және орташа өлшемді жоғары үдеулі электромагниттік снарядтарды АҚШ Әскери-теңіз күштері қазіргі таңда жерде немесе кемеде орналастырылатын қару ретінде (көбінесе рельстік қарулар, бірақ кейде катушкалы қарулар) пайдалану үшін белсенді түрде зерттеп жатыр. Қазіргіде қолдануға жақын қарулардан гөрі ірі масштабты, бірақ кейде болашаққа қатысты ұзақ мерзімді жобаларда айтылатын жеткілікті жоғары жылдамдықты сызықтық мотор, масса айдағыш, теория бойынша құрлықтар аралық артиллерия ретінде қолданылуы мүмкін (немесе, егер Ай бетінде немесе орбитада салынса, Жер бетіндегі нысандарға шабуыл жасау үшін пайдаланылуы мүмкін). Масса айдағыш теориялық мақсаттарға қарағанда гравитациялық құдықтың жоғарырақ бөлігінде орналасқандықтан, қарсы шабуыл жағдайында айтарлықтай энергия артықшылығына ие болар еді.

Практикалық әрекеттер

"Электрлік қару" деп аталатын құрылғының алғашқы инженерлік сипаттамаларының бірі 1937 жылы "Аккад Псевдоман" атты ғылыми-фантастикалық романның ("Зеродан сексенге дейін") техникалық қосымшасында келтірілген. Доктор Нортрап kHz жиілігімен жұмыс істейтін үш фазалы электр генераторларымен қуатталатын прототиптік катушкалы қарулар жасады, ал кітапта осы прототиптердің суреттері бар. Кітапта Northrup электрлік қаруымен ұшырылған екі адамдық көлікпен Айдың айналасын уақытша саяхаттау туралы ой-қиялы баяндалады. 1976 жылдан бері жаңа үлгідегі массалық драйверлер құрастырылды (Массалық драйвер 1), олардың кейбіреулерін АҚШ Ғарыш зерттеулер институты олардың қасиеттерін және қолдануға болатындығын дәлелдеу үшін жасады. Катушкалы қаруларға қатысты әскери ғылыми-зерттеу жұмыстары, сондай-ақ магниттік левитациялық пойездер де байланысты. 2014 жылы құрылған SpinLaunch компаниясы 2021 жылдың қазан айында өздерінің сынақ үдеткішінің алғашқы сынағын өткізді.