Электромагнитная катапульта для запуска в космос

Введение

Предлагаемый метод космического запуска

Массовый драйвер, или электромагнитная катапульта, – это предлагаемый метод не ракетного космического запуска, использующий линейный двигатель для ускорения и катапультирования полезных нагрузок до высоких скоростей. Существующие и предлагаемые массовые драйверы используют катушки с проволокой, запитанные электричеством, для создания электромагнитов, хотя также был предложен роторный массовый драйвер. Последовательное включение ряда электромагнитов ускоряет полезную нагрузку по траектории. После покидания траектории полезная нагрузка продолжает двигаться по инерции. Хотя любое устройство, используемое для разгона баллистической полезной нагрузки, технически является массовым драйвером, в данном контексте массовый драйвер представляет собой, по сути, электромагнитную пушку (койлган), которая магнитно ускоряет пакет, состоящий из намагничиваемого держателя, содержащего полезную нагрузку. После ускорения полезной нагрузки держатель отделяется, замедляется и перерабатывается для следующей полезной нагрузки. Массовые драйверы могут использоваться для разгона космических аппаратов тремя различными способами: крупный наземный массовый драйвер может запускать космические аппараты с Земли, Луны или другого небесного тела. Небольшой массовый драйвер может функционировать как ракетный двигатель на борту космического аппарата, выбрасывая в космос частицы материала для создания тяги. Другой вариант предполагает создание массивного комплекса на Луне или астероиде для отправки снарядов, помогающих удаленному кораблю. Миниатюрные массовые драйверы также могут использоваться в качестве оружия, аналогично классическому огнестрельному оружию или пушкам, использующим химическое горение. Возможны также гибриды между катушками и рельсотронами, такие как спиральные рельсотроны.

На земле

В отличие от концепций космических пушек, предназначенных только для грузов, массовый драйвер может быть любой длины, доступным по цене и обеспечивать относительно плавное ускорение, опционально даже достаточным для достижения целевой скорости без чрезмерных перегрузок для пассажиров. Его можно построить как очень длинную и преимущественно горизонтальную пусковую трассу для космического запуска, направленную вверх в конце, частично за счет изгиба трассы вверх и частично за счет кривизны Земли. Природные возвышенности, такие как горы, могут облегчить строительство удаленной, направленной вверх части. Чем выше заканчивается трасса, тем меньше сопротивления атмосферы испытывает запускаемый объект. Кинетическая энергия снарядов, равная 40 мегаджоулям на килограмм или меньше, при скорости до 9000 м/с (с учетом дополнительных потерь на сопротивление) для вывода на низкую околоземную орбиту, составляет несколько киловатт-часов на килограмм при относительно высокой эффективности, что, как предполагается, соответствует стоимости электроэнергии менее 1 доллара на килограмм груза, отправленного на НОО, хотя общие затраты будут значительно выше, чем только стоимость электроэнергии. Массовый драйвер на Земле обычно представляет собой компромиссную систему. Он разгоняет полезную нагрузку до высокой скорости, недостаточной для выхода на орбиту, а затем выпускает её, после чего ракета завершает запуск. Это значительно снижает потребную для достижения орбиты скорость ракеты. Для повышения перигея достаточно менее одной десятой орбитальной скорости от небольшого ракетного двигателя, если конструкция ориентирована на минимизацию этого параметра, но гибридные предложения могут снизить требования к самому массовому драйверу, увеличив долю изменения скорости, обеспечиваемую ракетным двигателем (или системой обмена импульсом на орбите). Например, достижение половины целевой скорости может потребовать строительства туннеля в четыре раза короче при том же ускорении. Другая концепция предполагает создание большого кольца, вокруг которого космический аппарат будет совершать множество оборотов, постепенно набирая скорость, прежде чем быть выпущенным в пусковой коридор, ведущий в небо. Массовые драйверы предлагались для утилизации ядерных отходов в космосе: снаряд, запущенный со скоростью, значительно превышающей вторую космическую, покинет Солнечную систему, а прохождение через атмосферу на такой скорости, как рассчитано, будет выдержимо благодаря удлиненной форме снаряда и мощной тепловой защите.

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.

Массовые двигатели на космических аппаратах

Космический корабль может нести массовый драйвер в качестве основного двигателя. При наличии подходящего источника электрической энергии (вероятно, ядерного реактора) космический корабль мог бы использовать массовый драйвер для ускорения частиц вещества практически любого типа, тем самым увеличивая свою скорость в противоположном направлении. При минимальной массе рабочего тела этот тип двигателя называется ионным двигателем. Неизвестны абсолютные теоретические ограничения для размера, ускорения или энергии на выходе линейных двигателей. Однако существуют практические инженерные ограничения, такие как отношение мощности к массе, отвод тепла и возможности подачи и обработки энергии. Оптимальная скорость истечения продуктов сгорания не должна быть ни слишком низкой, ни слишком высокой. Для любого двигателя, ограниченного доступной мощностью на борту космического аппарата, существует оптимальная скорость истечения и удельный импульс, зависящие от конкретной миссии. Тяга и импульс, создаваемые истечением продуктов сгорания на единицу массы выброшенного вещества, линейно возрастают с его скоростью (импульс = mv), в то время как требования к кинетической энергии и энергии растут быстрее – пропорционально квадрату скорости (кинетическая энергия = 1/2 mv²). Слишком низкая скорость истечения потребует чрезмерно большого запаса топлива согласно ракетному уравнению, при этом слишком большая доля энергии будет расходоваться на ускорение топлива, которое еще не было выброшено. Более высокая скорость истечения имеет как преимущества, так и недостатки: она повышает эффективность использования топлива (больший импульс на единицу массы выброшенного вещества), но снижает тягу и текущую скорость ускорения космического аппарата при постоянной доступной входной мощности (меньший импульс на единицу энергии, переданной топливу). Другое теоретическое применение этой концепции двигательной установки можно найти в космических фонтанах – системе, в которой непрерывный поток гранул, движущихся по круговой траектории, поддерживает высокую структуру.

Массовые драйверы как оружие

Малые и средние электромагнитные пусковые установки с высоким ускорением в настоящее время активно исследуются ВМС США для использования в качестве наземного или корабельного оружия (чаще всего рельсотроны, но в некоторых случаях и катушечные пушки). В масштабах, превышающих оружие, находящееся на стадии развертывания, но иногда рассматриваемое в долгосрочных прогнозах, достаточно мощный линейный двигатель, или массовый ускоритель, теоретически может быть использован в качестве межконтинентальной артиллерии (или, если он будет построен на Луне или на орбите, для атаки целей на поверхности Земли). Поскольку массовый ускоритель будет расположен выше по гравитационному потенциалу, чем предполагаемые цели, он будет обладать значительным энергетическим преимуществом в случае ответного удара.

Практические попытки

Одно из первых инженерных описаний "электрической пушки" появляется в техническом приложении к научно-фантастическому роману 1937 года "От нуля до восьмидесяти" под псевдонимом "Аkkад Псевдоман", которым подписывался физик и предприниматель в области электротехники Эдвин Фитч Нортрап из Принстона. Доктор Нортрап построил прототипы катушечных пушек, работающих от трехфазных электрических генераторов частотой в кГц, и в книге содержатся фотографии некоторых из этих прототипов. В книге описывается вымышленная облетная экспедиция вокруг Луны на двухместном аппарате, запущенном электрической пушкой Нортрапа. Более поздние прототипы устройств для разгона масс были созданы начиная с 1976 года (Mass Driver 1), некоторые из них – Институтом космических исследований США с целью демонстрации их свойств и практической применимости. Исследования и разработки в военной сфере, связанные с катушечными пушками, также имеют отношение к данному вопросу, как и поезда на магнитной подушке. Компания SpinLaunch, основанная в 2014 году, провела первый испытательный запуск своего тестового ускорителя в октябре 2021 года.