Галактикааралық саяхаттар үшін Буссард реактивтік қозғалтқышының теориясы
Bussard ramjet
Бюссардтың реактивті қозғалтқышы: ғарышкерлік саяхаттар үшін теориялық ұсыныс. Жұлдызаралық ортадан сутекті жинап, термоядролық синтез арқылы жылдамдық алады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ұсынылған ғарыш кемесінің қозғалту әдісі
Proposed spacecraft propulsion method
Буссард зымыран реакторы – жұлдызаралық саяхаттар үшін ғарыш кемесін қозғалтудың теориялық әдісі. Жылдам қозғалатын ғарыш кемесі жұлдызаралық ортадан сутегіні алып, диаметрі километрден мыңдаған километрге жететін үлкен, конус тәрізді магнит өрісі арқылы жинайды; сутегі термоядролық синтез жүзеге келгенге дейін қысылады, бұл конус жасаған қарсылық күшіне қарсы итеру үшін күш береді және магнит өрісін қуаттандыруға қажетті энергияны қамтамасыз етеді. Осылайша, Буссард зымыран реакторын синтездік ракетаның зымырандық түрі деп қарастыруға болады. Буссард зымыран реакторын 1960 жылы физик Роберт В. Буссард ұсынған. Бұл идеяны Пол Андерсон "Тау-Ноль" романында, Ларри Нивен "Белгілі кеңістік" кітаптар сериясында, Вернор Виндж "Ой аймақтары" сериясында және Карл Саган телесериал мен "Космос" кітабында танымал етті.
The Bussard ramjet is a theoretical method of spacecraft propulsion for interstellar travel. A fast moving spacecraft scoops up hydrogen from the interstellar medium using an enormous funnel shaped magnetic field (ranging from kilometers to many thousands of kilometers in diameter); the hydrogen is compressed until thermonuclear fusion occurs, which provides thrust to counter the drag created by the funnel and energy to power the magnetic field. The Bussard ramjet can thus be seen as a ramjet variant of a fusion rocket. The Bussard ramjet was proposed in 1960 by the physicist Robert W. Bussard. The concept was popularized by Poul Anderson in his novel Tau Zero, Larry Niven in his Known Space series of books, Vernor Vinge in his Zones of Thought series, and Carl Sagan, as referenced in the television series and book Cosmos.
Жүру мүмкіндігі
Бассардың алғашқы ұсынысынан бері Күн жүйесінің төңірегіндегі аймақта сутегінің тығыздығы сол кездегідей жоғары емес екені анықталды (Жергілікті Жұлдызаралық Бұлтқа қараңыз). 1969 жылы Джон Форд Фишбек қажетті магниттік өрістің толық сипаттамасын беріп, маңызды үлес қосты. 1978 жылы Т. А. Хеппенгеймер Бассардың протондарды қосып синтездеу туралы бастапқы ұсынысын талдады, бірақ протондарды синтез тығыздығына дейін қысудан туындайтын Bremsstrahlung жоғалтулары, өндірілетін қуаттан шамамен 1 миллиард есе көп екенін анықтады, осылайша ұсынылған Буссардың рамджетінің мүмкін емес екенін көрсетті. Алайда, 1975 жылы Даниэль П. Уитмайрдың талдауы рамджет CNO циклы арқылы жалпы қуатқа қол жеткізе алатынын көрсетті, ол протон-протон тізбегінен өте жоғары жылдамдықпен (шамамен 1016 есе жоғары) синтез жасайды. Роберт Зубрин мен Дана Эндрюс 1988 жылы Буссардың рамджеті конструкциясының бір гипотетикалық нұсқасын талдады. Олар өздерінің рамджет нұсқасының күн желдеріне қарсы үдеуге қабілетсіз екенін анықтады. 2021 жылғы зерттеуде, теориялық тұрғыдан мүмкін болса да, пайдалы Буссар рамджетін құру тіпті Кардашев II типіндегі өркениеттің де қабілетінен тыс болады деген қорытынды жасалды.
Since the time of Bussard's original proposal, it has been discovered that the region surrounding the Solar System has a much lower density of hydrogen than was believed at that time (see Local Interstellar Cloud). In 1969, John Ford Fishback made an important contribution, describing the details of the required magnetic field. In 1978, T. A. Heppenheimer analyzed Bussard's original suggestion of fusing protons, but found the Bremsstrahlung losses from compressing protons to fusion densities was greater than the power that could be produced by a factor of about 1 billion, thus indicating that the proposed version of the Bussard ramjet was infeasible. However, Daniel P. Whitmire's 1975 analysis indicates that a ramjet may achieve net power via the CNO cycle, which produces fusion at a much higher rate (~1016 times higher) than the proton–proton chain. Robert Zubrin and Dana Andrews analyzed one hypothetical version of the Bussard ramjet design in 1988. They determined that their version of the ramjet would be unable to accelerate into the solar wind. A 2021 study found that, while feasible in principle, the practical construction of a useful Bussard ramjet would be beyond even a civilization of Kardashev type II.
RAM кеңейтілген жұлдызаралық зымыран (RAIR)
Жұлдызаралық ортаны жалғыз отын көзі ретінде пайдалану мәселесі RAM күшейтілген жұлдызаралық зымыранды (RAIR) зерттеуге әкелді. RAIR өз ядролық отын қорын алып жүреді және реакция өнімдерін итермелеу күшін шығару үшін қолданады. Дегенмен, ол жұлдызаралық ортаны жинап, оны қосымша реакциялық масса ретінде пайдалана отырып, өнімділігін едәуір арттырады. RAIR қозғалтқыш жүйесі үш кіші жүйеден тұрады: термоядролық реактор, жинағыш өріс және плазма жеделдеткіші. Отын жеделдеткіш арқылы кеме алдынан шығарылады. Жинағыш өріс отынды басқа жеделдеткішке (мысалы, реактордан жұлдызаралық газға тікелей жылу энергиясын беруге арналған жылу алмасу жүйесі болуы мүмкін) бағыттайды, ол реактордан қуатпен қамтамасыз етіледі. Бұл тұжырымды түсінудің ең оңай жолы – кемеде тасымалданатын сутегі ядролық отын энергия көзі ретінде, ал жинағышпен жиналған және содан кейін жоғары жылдамдықпен артқа шығарылатын жұлдызаралық газ итергіш ретінде (реакциялық масса) әрекет ететінін ескеру. Сондықтан, көлік құралында шектеулі отын қоры, бірақ шексіз итергіш қоры болады. Кәдімгі Буссардтық реактивті қозғалтқыш екеуінің де шексіз қорына ие болар еді. Алайда, теория бойынша, Буссардтық реактивті қозғалтқыш жұлдызаралық газды өзінің жылдамдығына дейін алдын ала жеделдетуге мәжбүр болғандықтан кедергіге ұшыраса, RAIR жүйесі жылдамдық айырмашылығына қарамастан "жеделдеткіш" механизмі арқылы жұлдызаралық ортаға энергияны беруге қабілетті болады және осылайша кедергіні едәуір азайтады.
The problem of using the interstellar medium as the sole fuel source led to study of the Ram Augmented Interstellar Rocket (RAIR). The RAIR carries its nuclear fuel supply and exhausts the reaction products to produce some of its thrust. However it greatly enhances its performance by scooping the interstellar medium and using this as extra reaction mass to augment the rocket. The propulsion system of the RAIR consists of three subsystems: a fusion reactor, a scoop field, and a plasma accelerator. Fuel is launched ahead of the ship with the accelerator. The scoop field funnels the fuel into another accelerator (this could for example be a heat exchange system transferring thermal energy from the reactor directly to the interstellar gas) which is supplied power from a reactor. One of the best ways to understand this concept is to consider that the hydrogen nuclear fuel carried on board acts as a fuel (energy source) whereas the interstellar gas collected by the scoop and then exhausted at great speed from the back acts as a propellant (the reaction mass), the vehicle therefore has a limited fuel supply but an unlimited propellant supply. A normal Bussard ramjet would have an infinite supply of both. However, theory suggests that where a Bussard ramjet would suffer drag from having to pre accelerate interstellar gas to its own speed before intake, a RAIR system would be able to transfer energy via the "accelerator" mechanism to the interstellar medium despite velocity differences, and so would suffer far less drag.
Лазерлік жұлдыз аралық рамжет
Жұлдызаралық ортадан сутегі жинап алатын көлікпен үйлесімде сәулелі энергия тағы бір нұсқа. Күн жүйесіндегі лазерлік массив көліктегі жинақтағышқа сәуле жібереді, ол сызықтық үдеткіш сияқты нәрсені қолданып, итеру күшін жасайды. Бұл, ракеталық қозғалтқыштағы термоядролық реактор мәселесін шешеді. Сәулеленген энергияның қашықтықпен әлсіреуіне байланысты шектеулер бар.
Beamed energy coupled with a vehicle scooping hydrogen from the interstellar medium is another variant. A laser array in the solar system beams to a collector on a vehicle which uses something like a linear accelerator to produce thrust. This solves the fusion reactor problem for the ramjet. There are limitations because of the attenuation of beamed energy with distance.
Магниттік желкен
Есептеулер (Роберт Зубрин және Дана Эндрюстің) магниттік парашют немесе желкен идеясын тудырды. Бұл жұлдыздық сапар үшін маңызды болуы мүмкін, себебі мақсатқа жеткенде жылдамдықты төмендетуде ракетаның орнына магниттік парашют қолдануға болады.
The calculations (by Robert Zubrin and Dana Andrews) inspired the idea of a magnetic parachute or sail. This could be important for interstellar travel because it means that deceleration at the destination can be performed with a magnetic parachute rather than a rocket.
Иллинойс штаты университетінің астрофизигі Мэтью Э. Каплан, Дайсон шоғырланған айналар жиынтығын пайдаланып, күн сияқты жұлдыздың белгілі бір аймақтарына жұлдыздық энергияны шоғырландыратын жұлдыздық қозғалтқыштың бір түрін ұсынды. Бұл, көп ремджеттік жинақтама арқылы жиналатын күн желдерінің сәулелерін жасауға мүмкіндік береді, ал ол өз кезегінде орбитаны тұрақтандыру үшін плазманың бағытталған ағындарын және жұлдызды итеру үшін оттегі-14-ті пайдаланады. Каплан максималды тиімділікке негіделген қарапайым есептеулер бойынша, Буссард қозғалтқышы секундына 10¹⁵ грамм күн материалына жұмсап, 10⁻⁹ м/с² максималды үдеуге қол жеткізеді, нәтижесінде 5 миллион жылдан кейін 200 км/с жылдамдыққа және 1 миллион жылдан кейін 10 парсек қашықтыққа жетеді. Күннің масса жоғалту деңгейін ескере отырып, Буссард қозғалтқышы теориялық тұрғыдан 100 миллион жыл бойы жұмыс істей алады, бірақ Каплан жұлдыздық соқтығыстарды болдырмау үшін 10 миллион жылдың жеткілікті екенін санайды.
Astrophysicist Matthew E. Caplan of Illinois State University has proposed a type of stellar engine that uses a Dyson swarm of mirrors to concentrate stellar energy onto certain regions of a Sun like star, producing beams of solar wind to be collected by a multi ramjet assembly which in turn produces directed jets of plasma to stabilize its orbit and oxygen 14 to push the star. Using rudimentary calculations that assume maximum efficiency, Caplan estimates the Bussard engine would use 1015 grams per second of solar material to produce a maximum acceleration of 10−9 m/s2, yielding a velocity of 200 km/s after 5 million years, and a distance of 10 parsecs over 1 million years. The Bussard engine would theoretically work for 100 million years given the mass loss rate of the Sun, but Caplan deems 10 million years to be sufficient for a stellar collision avoidance.