Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Дәстүрлі ядролық фотондық қозғалтқышта, борттағы ядролық реактор мұндай жоғары температура тудырады, реактордың қара дене сәулеленуі айтарлықтай итергіш күш береді. Бұл әдіспен аз мөлшерде итергіш күш алу үшін көп қуат қажет, сондықтан үдеу өте төмен болады. Фотондық радиаторлар көбінесе графит немесе вольфрамнан жасалады. Фотондық қозғалтқыштар технологиялық тұрғыдан мүмкін, бірақ қазіргі технологиялар бойынша борттағы ядролық қуат көзіне байланысты тиімсіз.
In a traditional nuclear photonic rocket, an onboard nuclear reactor would generate such high temperatures that the blackbody radiation from the reactor would provide significant thrust. The disadvantage is that it takes much power to generate a small amount of thrust this way, so acceleration is very low. The photon radiators would most likely be constructed using graphite or tungsten. Photonic rockets are technologically feasible, but rather impractical with current technology based on an onboard nuclear power source.
Энергияға қажеттілік және салыстыру
Толық коллимацияланған шығыс сәулесі үшін қажетті күш 300 МВт/Н (егер сәуле кеме бетінен шағылыса, онда оның жартысы); орынды күш беру үшін өте жоғары энергия тығыздығы бар қуат көздері қажет. Фотондық зымыранның меншікті импульсін анықтау қиын, себебі шығыс массасы жоқ және отын жұмсалмайды; егер фотондардың инерциялық импульсін алсақ, меншікті импульс c-ға тең, бұл өте таңғажайып. Дегенмен, фотондар көзінің массасын ескерсек, мысалы, ядролық бөлінуге ұшыраған атомдарды, меншікті импульс 300 км/с (c/1000) немесе одан да аз болады; реактор инфрақұрылымын ескергенде (оның кейбір бөліктері отын мөлшеріне байланысты өседі) бұл көрсеткіш одан да төмендейді. Сонымен қатар, энергияның радиация арқылы бағытталмаған жоғалуы (қозғалтқыш тіректері арқылы таратылатын, басқа бағытта сәулеленетін немесе нейтринолар арқылы жоғалатын энергия) тиімділікті одан әрі төмендетеді. Егер фотон зымыранының массасының 80% бөлінуге жарамды отын болса және ядролық бөліну массаның шамамен 0,10% -ын энергияға айналдыратынын ескерсек: фотон зымыранының массасы 300 000 кг болса, онда 240 000 кг атомдық отынға тиесілі. Сондықтан, барлық отынның бөлінуі нәтижесінде бар болғаны 240 кг масса жоғалады. Онда 300 000/299 760 кг = mi/mf = 1.0008. Ракета теңдеуін қолданып, vf = ln 1.0008 × c, мұнда c = 299 792 458 м/с. Осылайша, vf шамамен 239 930 м/с, яғни 240 км/с болуы мүмкін. Ядролық бөлінумен жұмыс істейтін фотон зымыранының максималды үдеуі шамамен 1/10 000 м/с² (0,1 мм/с²) немесе 10−5g болуы мүмкін. Жылдамдық өзгеруі фотон зымыранының бір жылдық итеруі кезінде 3000 м/с шамасында болады. Егер фотон зымыраны Жердің төменгі орбитасында саяхатын бастаса, онда Жердің тартылысынан шығу жылдамдығына (11,2 км/с) жетуі үшін бір жылдық итеру қажет болуы мүмкін, егер көлік орбитада 9100 м/с жылдамдықпен қозғалса. Жердің гравитациялық өрісінен шыққаннан кейін, зымыранның гелиоцентрлік жылдамдығы планетаралық кеңістікте 30 км/с болады. Осы гипотетикалық жағдайда 240 км/с соңғы жылдамдыққа жету үшін сексен жылдық тұрақты фотондық итеру қажет. Көбірек меншікті импульс алуға да болады; мысалы, күн желкендері сияқты кейбір басқа фотондық қозғалтқыштардың меншікті импульсі тиімді түрде шексіз, себебі тасымалданатын отын қажет емес. Балама ретінде, иондық қозғалтқыштар, меншікті импульсі айтарлықтай төмен болғанымен, қуатқа қатынасы жақсырақ итеруді қамтамасыз етеді; фотондар үшін бұл қатынас , ал баяу бөлшектер үшін (яғни, релятивистік емес; тіпті типтік иондық қозғалтқыштардың шығысы да есептеледі) бұл қатынас , бұл әлдеқайда үлкен (себебі ). (Бұл бір жағынан әділетсіз салыстыру, себебі фотондар жасалуы керек, ал басқа бөлшектер тек үдетіледі, бірақ бәрібір, тасымалданатын массаға және қолданылатын энергияға шаққандағы импульстер – практикалық шамалар – көрсетілгендей.) Сондықтан, егер энергия массадан гөрі басым болса немесе реакциялық массаны жазасыз қосуға болатын нашар қуат көзін пайдалану арқылы жеткілікті массаны үнемдеуге болатын болса, фотондық зымыран тиімсіз болып табылады. Лазерді фотондық зымыран қозғалтқышы ретінде пайдалануға болады, бұл шағылысу/коллимация мәселесін шешеді, бірақ лазерлер энергияны жарыққа айналдыруда қара дене сәулеленуінен кем тиімді, бірақ лазерлердің қара дене көзінен артықшылықтарын да атап өту керек, соның ішінде бір бағытты бақыланатын сәуле және сәулелену көзінің массасы мен беріктігі. Ракета теңдеуінің шектеулерін жеңуге болады, егер реакциялық масса ғарыш кемесімен тасымалдалмаса. Beamed Laser Propulsion (BLP) тұжырымдамасында фотондар фотондар көзінен ғарыш кемесіне когерентті жарық түрінде бағытталады. Роберт Л. Форвард фотондық қозғалтқыштар мен антиматериялық зымыран қозғалтқыштарын қоса алғанда, жұлдызаралық қозғалыс тұжырымдамаларын дамытты. Дегенмен, BLP фотондардың шағылысуының өте төмен итеру тиімділігіне байланысты шектеулі. Фотондар қозғалтқышының итеру тиімсіздігін еңсерудің ең жақсы жолдарының бірі – екі жоғары рефлексиялы айна арасында фотондарды қайта өңдеу арқылы фотондардың импульстік беруін күшейту.
The power per thrust required for a perfectly collimated output beam is 300 MW/N (half this if it can be reflected off the craft); very high energy density power sources would be required to provide reasonable thrust without unreasonable weight. The specific impulse of a photonic rocket is harder to define, since the output has no (rest) mass and is not expended fuel; if we take the momentum per inertia of the photons, the specific impulse is just c, which is impressive. However, considering the mass of the source of the photons, e. g., atoms undergoing nuclear fission, brings the specific impulse down to 300 km/s (c/1000) or less; considering the infrastructure for a reactor (some of which also scales with the amount of fuel) reduces the value further. Finally, any energy loss not through radiation that is redirected precisely to aft but is instead conducted away by engine supports, radiated in some other direction, or lost via neutrinos or so will further degrade the efficiency. If we were to set 80% of the mass of the photon rocket = fissionable fuel, and recognizing that nuclear fission converts about 0.10% of the mass into energy: then if the photon rocket masses 300,000 kg then 240,000 kg of that is atomic fuel. Therefore, the fissioning of all of the fuel will result in the loss of just 240 kg of mass. Then 300,000/299,760 kg = an mi/mf of 1.0008. Using the rocket equation, we find vf = ln 1.0008 × c where c = 299,792,458 m/s. vf then may be 239,930 m/s which is about 240 km/s. The nuclear fission powered photon rocket may accelerate at a maximum of perhaps 1/10,000 m/s² (0.1 mm/s²) which is 10−5g. The velocity change would be at the rate of 3,000 m/s per year of thrusting by the photon rocket. If a photon rocket begins its journey in low Earth orbit, then one year of thrusting may be required to achieve an Earth escape velocity of 11.2 km/s if the vehicle is already in orbit at a velocity of 9,100 m/s. Upon escaping the Earth's gravitational field the rocket will have a heliocentric velocity of 30 km/s in interplanetary space. Eighty years of steady photonic thrusting would be then required to obtain a final velocity of 240 km/s in this hypothetical case. It is possible to obtain even higher specific impulse; that of some other photonic propulsion devices (e. g., solar sails) is effectively infinite because no carried fuel is required. Alternatively, such devices as ion thrusters, while having a notably lower specific impulse, give a much better thrust to power ratio; for photons, that ratio is , whereas for slow particles (that is, nonrelativistic; even the output from typical ion thrusters counts) the ratio is , which is much larger (since ). (This is in a sense an unfair comparison, since the photons must be created and other particles are merely accelerated, but nonetheless the impulses per carried mass and per applied energy—the practical quantities—are as given.) The photonic rocket is thus wasteful when power and not mass is at a premium, or when enough mass can be saved through the use of a weaker power source that reaction mass can be included without penalty. A laser could be used as a photon rocket engine, and would solve the reflection/collimation problem, but lasers are absolutely less efficient at converting energy into light than blackbody radiation is—though one should also note the benefits of lasers vs blackbody source, including unidirectional controllable beam and the mass and durability of the radiation source. The limitations posed by the rocket equation can be overcome, as long as the reaction mass is not carried by the spacecraft. In the Beamed Laser Propulsion (BLP) concept, the photons are beamed from the photon source to the spacecraft as coherent light. Robert L. Forward pioneered interstellar propulsion concepts including photon propulsion and antimatter rocket propulsion. However, BLP is limited because of the extremely low thrust generation efficiency of photon reflection. One of the best ways to overcome the inherent inefficiency in producing thrust of the photon thruster by amplifying the momentum transfer of photons by recycling photons between two high reflectance mirrors.
Қуат көздері
Қазіргі немесе жақын арадағы бөліну реакторларының жобалары реактор массасының килограмына 2,2 кВт-қа дейін қуат өндіре алады. Ешқандай пайдалы жүгі болмаса, мұндай реактор фотондық зымыраны шамамен 10−5 м/с² (10−6g; g күшіне қараңыз) жылдамдықпен қозғалта алады. Бұл, мүмкін, Жер орбитасынан планетаралық ғарышқа сапар жасау мүмкіндігін береді. Ядролық синтез реакторларын да қолдануға болады, бәлкім олар одан да жоғары қуатты қамтамасыз етеді. 1950 жылдары Эуген Зэнгер ұсынған жоба гамма сәулелерін шығару үшін позитрон-электронның жойылсынған (анигиляция) күшін пайдаланды. Зэнгер позитрон-электронның жойылсынған күшінен пайда болған гамма сәулелерін қалай шағылыстыру және бағыттау мәселесін шеше алмады; алайда, реакцияларды (немесе басқа жойылсынған күштерді) қоршап, олардың энергиясын сіңіру арқылы ұқсас қара денемен жұмыс істейтін қозғалтқыш жүйесін құруға болады. Антиматериямен қуатталатын фотондық зымыраны (қорғанысты ескермегенде) максималды c-ге ие болатын импульсқа ие болады; осы себепті антиматерияның жойылсынған күшімен қуатталатын фотондық зымыраны жұлдызаралық ғарышқа сапар үшін қолданылуы мүмкін. Теориялық тұрғыдан алғанда, материяны энергияға айналдырудағы қара тесіктердің тиімділігін ескере отырып, Кугельблиц микро қара тесігін пайдаланатын ғарыш кемесі сияқты басқа да жобалар жұлдызаралық сапарлар үшін де қолданылуы мүмкін.
Feasible current, or near term fission reactor designs can generate up to 2.2 kW per kilogram of reactor mass. Without any payload, such a reactor could drive a photon rocket at nearly 10−5 m/s² (10−6g; see g force). This could perhaps provide interplanetary spaceflight capability from Earth orbit. Nuclear fusion reactors could also be used, perhaps providing somewhat higher power. A design proposed in the 1950s by Eugen Sänger used positron electron annihilation to produce gamma rays. Sänger was unable to solve the problem of how to reflect, and collimate the gamma rays created by positron electron annihilation; however, by shielding the reactions (or other annihilations) and absorbing their energy, a similar blackbody propulsion system could be created. An antimatter matter powered photon rocket would (disregarding the shielding) obtain the maximum c specific impulse; for this reason, an antimatter matter annihilation powered photon rocket could potentially be used for interstellar spaceflight. Theoretically, other designs such as spacecraft using a Kugelblitz micro black hole could also be used for interstellar travel given the efficiency of black holes in converting matter into energy.