Введение

В традиционной ядерной фотонной ракете, бортовой ядерный реактор генерировал бы такие высокие температуры, что тепловое излучение от реактора обеспечивало бы значительную тягу. Недостаток заключается в том, что для создания даже небольшой тяги таким способом требуется очень много энергии, поэтому ускорение крайне низкое. Радиаторы, излучающие фотоны, вероятнее всего, будут изготовлены из графита или вольфрама. Фotonные ракеты технологически реализуемы, но с использованием современных технологий и бортового ядерного источника энергии они скорее непрактичны.

Энергетические потребности и сравнения

Мощность на тягу, необходимая для идеально коллимированного выходного луча, составляет 300 МВт/Н (вдвое меньше, если луч может отражаться от аппарата); для обеспечения разумной тяги без чрезмерного веса потребуются источники энергии с очень высокой плотностью. Удельный импульс фотонной ракеты сложнее определить, поскольку выход не имеет массы покоя и не расходует топливо; если принять импульс фотонов, связанный с их инерцией, удельный импульс составит всего c, что весьма впечатляет. Однако, учитывая массу источника фотонов, например, атомов, подвергающихся ядерному делению, удельный импульс снижается до 300 км/с (c/1000) или меньше; учет инфраструктуры реактора (часть которой также масштабируется с количеством топлива) еще больше уменьшает это значение. Любые потери энергии, не связанные с излучением, точно направленным в сторону тяги, а вместо этого рассеивающиеся через опоры двигателя, излучаемые в другом направлении или теряемые в виде нейтрино, приведут к дальнейшему снижению эффективности. Если предположить, что 80% массы фотонной ракеты приходится на делящееся топливо, и учитывая, что ядерное деление преобразует около 0,10% массы в энергию, то при массе ракеты 300 000 кг, 240 000 кг из этой массы будет составлять ядерное топливо. Следовательно, деление всего топлива приведет к потере всего 240 кг массы. Тогда 300 000/299 760 кг = отношение mi/mf, равное 1,0008. Используя ракетное уравнение, находим vf = ln 1,0008 × c, где c = 299 792 458 м/с. Таким образом, vf может составлять 239 930 м/с, что примерно равно 240 км/с. Фотоническая ракета на ядерном делении может ускоряться максимум на 1/10 000 м/с² (0,1 мм/с²), что соответствует 10−5g. Изменение скорости будет происходить со скоростью 3000 м/с в год при работе фотонной ракеты. Если фотонная ракета начнет свой путь на низкой околоземной орбите, то для достижения первой космической скорости в 11,2 км/с может потребоваться год работы, если аппарат уже находится на орбите со скоростью 9100 м/с. После выхода из гравитационного поля Земли ракета будет иметь гелиоцентрическую скорость 30 км/с в межпланетном пространстве. В этом гипотетическом случае для достижения конечной скорости 240 км/с потребуется 80 лет непрерывной фотонной тяги. Возможно достижение еще более высокого удельного импульса; у некоторых других фотонных двигателей (например, солнечных парусов) он фактически бесконечен, поскольку не требуется переносимого топлива. В качестве альтернативы, такие устройства, как ионные двигатели, хотя и имеют значительно более низкий удельный импульс, обеспечивают гораздо лучшее отношение тяги к мощности; для фотонов это отношение равно , а для медленных частиц (то есть нерелятивистских; даже выход от типичных ионных двигателей учитывается) это отношение равно , что намного больше (поскольку ). (Это в некотором смысле несправедливое сравнение, поскольку фотоны должны создаваться, а другие частицы просто ускоряются, но тем не менее импульсы на перенесенную массу и на приложенную энергию – практические величины – таковы, как указано.) Таким образом, фотоническая ракета неэффективна, когда приоритетом является мощность, а не масса, или когда за счет использования менее мощного источника энергии можно сэкономить достаточно массы, чтобы включить реактивную массу без потерь. Лазер можно использовать в качестве фотонного ракетного двигателя, что решит проблему отражения/коллимации, но лазеры значительно менее эффективны в преобразовании энергии в свет, чем излучение абсолютно черного тела, хотя следует также отметить преимущества лазеров по сравнению с источником излучения абсолютно черного тела, включая однонаправленный управляемый луч, а также массу и долговечность источника излучения. Ограничения, налагаемые ракетным уравнением, можно преодолеть, если реактивная масса не переносится космическим аппаратом. В концепции лазерной тяги (BLP) фотоны излучаются из источника фотонов на космический аппарат в виде когерентного света. Роберт Л. Форвард был пионером в разработке концепций межзвездной тяги, включая фотонную тягу и ракетную тягу на антиматерии. Однако BLP ограничена из-за крайне низкой эффективности генерации тяги при отражении фотонов. Одним из лучших способов преодоления присущей неэффективности в создании тяги фотонного двигателя является усиление передачи импульса фотонов путем рециркуляции фотонов между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения.

Источники питания

Реализуемые конструкции реакторов деления с текущими или ближайшими перспективами могут генерировать до 2,2 кВт на килограмм массы реактора. Без полезной нагрузки такой реактор мог бы приводить в движение фотонный ракетный двигатель с ускорением почти 10−5 м/с² (10−6g; см. перегрузку). Это потенциально может обеспечить возможность межпланетных космических полетов с околоземной орбиты. Реакторы ядерного синтеза также могут быть использованы, возможно, обеспечивая несколько более высокую мощность. В 1950-х годах Юджин Сэнгер предложил конструкцию, использующую аннигиляцию позитронов и электронов для получения гамма-лучей. Сэнгеру не удалось решить проблему отражения и коллимации гамма-лучей, создаваемых аннигиляцией позитронов и электронов; однако, экранируя реакции (или другие аннигиляции) и поглощая их энергию, можно создать аналогичную двигательную установку, основанную на излучении абсолютно черного тела. Фото́нный ракетный двигатель, работающий на антиматерии, мог бы (не учитывая экранирование) достичь максимального удельного импульса, равного c; по этой причине, фотонный ракетный двигатель, работающий на аннигиляции антиматерии, потенциально может быть использован для межзвездных космических полетов. Теоретически, другие конструкции, такие как космические аппараты, использующие микрочерную дыру Кугельблиц, также могут быть использованы для межзвездных путешествий, учитывая высокую эффективность черных дыр в преобразовании материи в энергию.