Термоядрен ракетен двигател ще изпрати САЩ в дълбокия космос


Термоядрен ракетен двигател ще изпрати САЩ в дълбокия космосЕкип от американски учени използват особена установка за изпитания на ядрено оръжие, за да разработи термоядрен ракетен двигател, който ще направи Слънчевата система „заден двор“ на човечеството.

Огромният апарат под названието Decade Module Two (DM2) в продължение на  10 години е използван от Агенцията за съкращаване на военната заплаха (DTRA) за изследвания в областта на въздействията на ядрените взривове. През 2009 година военните изследвания бяха завършени и DM2 беше предаден на Университета в Алабама.

Сега специалистите от Университета в Алабама в Хантствил, НАСА, Boeing използват бившата военна установка за сглобяване на устройството Charger-1 Pulsed Power Generator. Когато 50-тонният Charger-1 бъде сглобен, това ще бъде една от най-големите и мощни импулсни енергетични системи в света.
Гигантска запалка

Гигантска запалка

Термоядреният синтез – това е сливане на атомни ядра, което освобождава голямо количество енергия. Американските учени планират да използват термоядреният синтез с участието на атоми тежък водород, деутерий и изотопи на лития. Енергията, необходима за свиване на атомите, т.е. запалване на термоядрената реакция, се планира да се освободи с помощта на мощно импулсно устройство, което по начин на действие малко пролича на удар от мълния.

Запалването на термоядрената реакция в установката Charger-1 трябва да се извърши с един изключително мощен електрически импулс, като енергията за това се натрупва в кондензатори. В настоящия момент се извършва монтажа на проводниците от лития-6 и литиев деутерид, провеждащи импулса и превръщащи се плазма, която ще се сгъстява посредством ефекта Z-пинч.

Z-пинч

Действие на Z-пинч ефекта
Пинч-ефект – това е свиване на плазмата в резултат на взаимодействие на тока от разреждането с магнитно поле. Ако токът протича по продължението на оста на цилиндричен плазмен стълб, то тогава той се нарича Z-пинч. Z-пинч може да се наблюдава, например, при удар от мълния в тръбообразен гръмоотвод. Този ефект се използва за стабилизация на плазмата в термоядрените реактори и в НАСА възлагат на него големи надежди.

Разреждането на установката Charger-1 може да произведе плазма, която се сгъстява от собственото си магнитно поле и при размер на човешки пръст може да съдържа в себе си 20% от цялата енергия, която консумира човечеството в момента. Разбира се, главната цел на създаделите на термоядрения ракетен двигател е да получат на изхода повече енергия, от колкото е била използвана за инициирането на термоядрения синтез. Въпреки, че екипът на Charger 1 не се надява, че ще успее да достигне това, то във всеки случай огромната установка ще даде голямо количество ценна научна информация, която ще е нужна за разработването на първия прототип на термоядрен ракетен двигател. Бившият военен модул DM2 в един 500-наносекунден електрически импулс отдава до 1 терават мощност – около 6% от потреблението на електроенергия в света.

Двигател

Проблемът на космическите кораби, използващи химическо гориво е известен: трябва да се изгорят хиляди тонове гориво, за да се транспортират само няколко десетки тона полезен товар. Не може да се говори сериозно за усвояване на Слънчевата система с такива ракети.

От ляво на дясно е показана еволюцията на научната програма за създаване на Z-пинч двигател: след 9 години вместо единствения днешен модул за натрупване DM2 ще се првят изпитания с пълноценен кръг от 8 модула. След още 2 години ще се правят опити едновременно с 2 кръга

Термоядрената силова установка – това е съвсем друго нещо. Термоядрената ракета вместо от хиляди, че се нуждае само от няколко тона гориво. Още повече, с помощта на ядрения ракетен двигател, например, до Марс би могло да се лети не за 6 месеца, а за 6 седмици. Всичко това с едно замахване решава проблема за продължителното пребиваване в изпълнения с опасности космос, а също и намалява сложността на системите за осигуряване на живота и защита на космическия кораб.

 3

Кандидатът на техническите науки, специалист в областта на аеро-космическата техника Рос Кортез, участващ в проекта Charger-1, описва термоядрения ракетен двигател много просто

Кандидатът на техническите науки, специалист в областта на аеро-космическата техника Рос Кортез, участващ в проекта Charger-1, описва термоядрения ракетен двигател много просто: „Представете си, че в задната част на ракетата се взривява заряд, еквивалентен на 1 тон тротил. Точно такъв двигател ние правим“.

Двигателят на кораба на принципа Z-пинч работи много просто: в параболична горивна камера се подават два горивни компонента и мощен електрически импулс от кондензаторите ги превръща в плазма. Магнитното поле с голяма сила сгъстява плазмата и запалва реакцията на термоядрения синтез. В резултат на това се образува разширяваща се в горивната камера плазма, която има маса само 0,02 кг, но нейната начална кинетична енергия достига 1 ГДж.

Плазмата, раздуваща се като своеобразен въздушен балон, накрая се свива от ефекта Z-пинч, изхвърля се през магнитното сопло и създава реактивна тяга.

Основната функция на Z-пинч ефекта е да защитава двигателя от разрушаване и да насочва много силни токове (в рамките на мега ампери) чрез плътна плазма в течение на много кратко време – около 10-6 секунди.

На изхода се получава реактивна тяга от 3812 нютон/секунда за импулс при честота 10 импулса в секунда и специфичен импулс от 19436 секунди.

В НАСА разчитат на това, че количеството енергия, отделяща се при реакцията на синтеза, ще бъде 3 пъти повече от количеството енергия, необходимо за запалването. Това означава, че за 100 наносекунди до началото на следващия импулс кондензатора е необходимо да „хвърли“ в горивната камера 333 МДж энергия. Това е доста сложен проблем – даже отчитайки високата ефективност на кондензаторите (80%), ще е необходимо да се реши задачата за създаване на модули за натрупване, които ще могат много бързо да се зареждат и разреждат. Планира се като гориво в Z-пинч двигателя да се използват деутерий и литий-6, които произвеждат полезни странични продукти (например тритий), повишаващи изходящата енергия. Двигателят ще се охлажда  с течност от флуор-литий-берилий (FLiBe), която освен това е способна да поглъща гама-лъчи и неутрони. Параболичното магнитно сопло ще се състои от 8 кръга от свръхпроводящи магнитни намотки на основата на итрий. Те създават във вътрешността на соплото начално магнитно поле и насочват в кондензаторите електрически ток, индуциран в процеса на разширяване на плазмата. По-късно тази енергия ще бъде използвана за следващия импулс.

Термоядрена ракета

Проектът за Z-пинч кораб, разработен през 2010 година, предполага, че това ще бъде апарат с дължина от 125 м (два пъти по-дълъг от МКС), поради което той трябва да се сглобява на орбита.

Z-пинч кораб Проектът за Z-пинч кораб, разработен през 2010 година, предполага, че това ще бъде апарат с дължина от 125 м (два пъти по-дълъг от МКС), поради което той трябва да се сглобява на орбита.
Носещата конструкция на кораба ще бъде централната ферма с радиатори, отвеждащи топлината от двигателя. В единия край на фермата ще бъде разположен двигателят, а на другия – обитаемият отсек и спускаемият апарат или друг полезен товар.

Соплото на двигателя ще има диаметър от 13,6 м и то се предвижда да бъде направено от въглероден композит – във всеки случай радиацията не е опасна за соплото, а от плазмата соплото се защитава с магнитно поле. По-сложно е с кондензаторите, които е  необходимо да бъдат защитени от гама-излъчванията и неутроните. Те ще се наложи да бъдат покрити с достатъчно тежка радиационна защита, която едновременно ще осигурява защита и на екипажа, който трябва да бъде отдалечен от активната зона на безопасно разстояние с помощта на дълга ферма.

Максималната тяга на Z-пинч кораба е сравнима с традиционните ракети, но претоварването при ускорение на такъв голям кораб ще бъде съвсем малко – по-малко от 1 g, което ще осигури комфорт при многодневно ускоряване и намаляване на скоростта.

При маса на полезния товар от 150 тона, общата маса на кораба ще достигне почти 600 хил. тона. Това е малко повече от теглото от 400 тона на МКС, обаче възможностите на  Z-пинч кораба ще бъдат съвсем други: за 1,5 денонощия с максимална тяга на двигателя на Z-пинч кораба ще достигне Марс след 90 дни. Ако пълната тяга се продължи до 8,7 денонощия, то до Марс може да се достигне само за 30 дни! При това корабът за два пъти по-малко време на полета ще достави с 35-55% повече полезен товар, от сравнима химическа ракета.

Като цяло САЩ са в състояние да сглобят кораб със сухо тегло от около 390 тона. Това е сравнимо с МКС, а отчитайки че в САЩ активно се провежда разработване на най-мощната ракета-носител SLS, способна да извежда на ниска околоземна орбита до 130 тона товар, сглобяването на Z-пинч кораб е напълно решима задача.

Да се решат проблемите

Във всеки случай до сглобяването има още много време. Още предстои да се  решат редица сложни технически задачи по създаването на  Z-пинч двигател. С помощта на установката Charger 1, учените трябва да оценят безопасността и пригодността за използване като гориво на лития-6, ефективността на работата на МГД-генераторите, надеждността на магнитното сопло, антирадиационната защита и т.н. Всичко това учените планират да направят през следващите 11 години. Трябва да отбележим, че в НАСА паралелно се работи по много програми за реализирането на полети в дълбочината на Слънчевата система: решават се проблеми за опазване на здравето на екипажа на междупланетния кораб, отработват се системи за кацане, оборудване за работа на повърхността на  планети и астероиди и т.н. По този начин подготовката за усвояване на нашата звездна система вече върви на пълен ход.

Posted on 10.12.2012, in Лайф стайл and tagged , , , . Bookmark the permalink. Вашият коментар.

Вашият коментар

Попълнете полетата по-долу или кликнете върху икона, за да влезете:

WordPress.com лого

В момента коментирате, използвайки вашия профил WordPress.com. Излизане /  Промяна )

Google photo

В момента коментирате, използвайки вашия профил Google. Излизане /  Промяна )

Twitter picture

В момента коментирате, използвайки вашия профил Twitter. Излизане /  Промяна )

Facebook photo

В момента коментирате, използвайки вашия профил Facebook. Излизане /  Промяна )

Connecting to %s

%d блогъра харесват това: