Bassard csillagközi ramjet
A Bussard csillagközi ramjet egy olyan rakétamotor-koncepció csillagközi repülésekhez, amelyet 1960-ban javasolt Robert Bussard fizikus .
Motor eszköz
A koncepció alapja a csillagközi közegben ( hidrogén és por) lévő anyag befogása egy nagy sebességgel haladó űrhajó által, és ennek az anyagnak a munkafolyadékként (vagy közvetlenül üzemanyagként történő) felhasználása a hajó termonukleáris rakétahajtóművében. A csillagközi közeg anyagának befogását egy erős elektromágneses tér végzi, amely megközelítőleg egy széles tölcsér konfigurációjával rendelkezik, amely a hajó sebességvektora mentén előre irányul. A gyűjtőmező átmérője feltehetően több ezer vagy tízezer kilométer lehet. Egy ilyen rendszer lényeges jellemzője a hajó szinte teljes üzemanyag-autonómiája: a fedélzeten rendelkezésre álló üzemanyag-ellátás egy bizonyos sebességre felgyorsítja, ami biztosítja a csillagközi hidrogén megfelelő beáramlását a szívócsonkba, vagyis a belépés után. az "on-line módban" a hajó folyamatos gyorsítással, a hajtás kikapcsolása és inerciális repülésre váltás nélkül tud tovább haladni.
A befogott csillagközi hidrogén felhasználására két fő lehetőséget javasoltak:
- A TNRD munkafolyadékaként , saját termonukleáris üzemanyag-ellátással a fedélzeten (RAIR).
- Közvetlenül termonukleáris üzemanyagként.
A fogalom elmélete és problémái
A csillagközi közeg 10–21 kg / m³ nagyságrendű anyagot tartalmaz, nagy mennyiségben ionizált és nem ionizált hidrogént, kis mennyiségű héliumot és gyakorlatilag semmilyen más gázt észrevehető mennyiségben. Ennek megfelelően 10 18 m³ nagyságrendű térfogatot kell átengedni a hajó kollektorán , hogy egy gramm hidrogént összegyűjtsünk. Egy ilyen térfogathoz hatalmas átmérőjű elektromágneses (elektrosztatikus ion) kollektor és rendkívül nagy térerő szükséges.
|
Vagyis egy ideálisan működő, 50 km-es sugarú mező maximális sebesség mellett átlagosan 0,28 gramm csillagközi gázt fog fel másodpercenként (elhanyagoljuk a relativisztikus idődilatációt). |
A csillagközi közeg (főleg hidrogén) összetétele alapján Bussard a motor kezdeti koncepciójában a hidrogénreakcióval történő fúziót javasolta. Sajnos a proton-proton ciklus alkalmatlan a termonukleáris reaktorban való megvalósításának rendkívüli nehézségei miatt. Ennek megfelelően a más típusú termonukleáris reakciók, különösen a 2 H + 2 H → 3 He + 1 n + 18 MeV, vagy a 2 H + 3 H → 4 He + 1 n + 20 MeV, alkalmasabbak, de a szükséges izotópok rendkívül ritkák a csillagközi közeg összetételében.
Elvileg egy kiutat javasoltak a CNO-ciklus termonukleáris reakcióinak alkalmazásában , ahol a szén a hidrogén termonukleáris elégetésének katalizátora. Ennek ellenére bármely ún. A magfúzió katalitikus ciklusában a reakciók rendkívül lassan mennek végbe, a teljesítménysűrűség pedig elhanyagolható (összehasonlításképpen: a Nap közepén az energiafelszabadulás köbcentiméterenként csak kb. 1 watt). Az anyag repülése során a legoptimistább feltételezések mellett is csak elenyésző töredéke éghet ki.
1974-ben Alan Bond javasolta a RAIR ( eng. ram-augmented interstellar rocket ) koncepcióját, amely megoldja a proton-proton ciklusban nehezen megvalósítható termonukleáris fúzió problémáját. Ebben a sémában a kollektorba belépő protonáramot 1 MeV nagyságrendű energiára lassítják, és lítium-6 vagy bór-11 izotópokat bombáznak. A lítium-proton vagy bór-proton reakció egyszerűbb, mint a proton-proton reakció, és jelentős energiakibocsátást ad, ami növeli a munkaközeg kiáramlásának sebességét a motor fúvókájából. Egy ilyen termonukleáris reakció kis mennyiségű antianyag katalizátorként történő felhasználásával is végbemehet.
A Bussard motor koncepciójában ugyanakkor jelentős elméleti problémák merülnek fel a csillagközi közeg légellenállási tényezője miatt - a lendület átvitele a szembejövő anyagáramlásból a gyűjtőbe, majd tovább a hajóba, ami megköveteli a a motor tolóereje meghaladja a légellenállás-jelzőt.
Jelenleg a koncepció kidolgozása elméleti kutatás keretében folyik.
Az „egyenes átvezetés” kulcsproblémája az is, hogy a „mágneses tölcsér” semmiképpen sem tölti be a tömegfelvétel funkcióját úgy, ahogyan azt a koncepció írója tervezte. Inkább „fékként” fog viselkedni (lásd: „Mágneses dugó”, „ Probkotron ”, „Adiabatikus invariáns”).
Sebességkorlátozás
A termonukleáris ramjet másik hátránya (még a leghatékonyabb proton-proton cikluson is) a korlátozott sebesség, amelyet egy vele felszerelt hajó elérhet (legfeljebb 0,119 c = 35,7 ezer km/s). Ennek az az oka, hogy minden egyes hidrogénatom befogásakor (amely első közelítésben a csillagokhoz képest állónak tekinthető) a hajó elveszít egy bizonyos lendületet, amit a motor tolóereje csak akkor tud kompenzálni, ha a sebesség nem haladja meg egy bizonyos határt. Ennek a korlátnak a leküzdéséhez szükséges a csapdába esett atomok mozgási energiájának minél teljesebb kihasználása, ami meglehetősen nehéz feladatnak tűnik.
KövetkeztetésTegyük fel, hogy a képernyő 4 hidrogénatomot fogott. Egy fúziós reaktorban négy proton egy alfa-részecskévé , két pozitronná és két neutrínóvá alakul . Az egyszerűség kedvéért figyelmen kívül hagyjuk a neutrínókat (a neutrínók számbavételéhez a reakció minden szakaszát pontosan ki kell számítani, és a neutrínók vesztesége körülbelül egy százalék), és a hidrogénatomokból 2 elektront tartalmazó pozitronokat megsemmisítjük a hidrogénatom eltávolítása után. protonok tőlük . További 2 elektron segítségével az alfa részecskét semleges héliumatommá alakítják majd, ami a reakcióból kapott energiának köszönhetően felgyorsul a motor fúvókájában.
A végső reakcióegyenlet a neutrínók figyelmen kívül hagyása nélkül:
négy11H→ 4
2Ő+ (4 m H − m He ) c ² (≈27 MeV)
Repüljön a hajó v sebességgel . Ha négy hidrogénatomot bezárnak a hajó vonatkoztatási rendszerébe, a lendület elveszik:
Az elméletileg elérhető lendület, amellyel egy hajó héliumatomot indíthat, a tömeg, az energia és az impulzus közti jól ismert relativisztikus összefüggésből vezethető le:
A hélium atom energiája (beleértve a nyugalmi energiát is) nem haladhatja meg a négy hidrogénatom tömegének és a fénysebesség négyzetének szorzatát:
Ebből következik a héliumatom maximális elérhető impulzusának négyzete:
Ha a hajó nem gyorsult vagy lassult négy hidrogénatom befogása és felhasználása következtében, akkor a befogásukkor elveszett lendület megegyezik azzal a lendülettel, amelyet egy hélium atom fúvókából való kilökődése eredményeként kapott:
A Bussard motorhoz kapcsolódó fogalmak
A Bassard hajó lelassításának problémája a szembejövő anyagáramlás miatt vezetett a mágneses vitorla koncepciójához.(vagy ejtőernyővel). Ilyenkor a kollektor elektromágneses tere elnyeli a közeledő csillagszél (vagy a csillagközi közeg) energiáját, és lassító impulzust továbbít a hajó felé. Így a csillagrendszerben a fékezéshez szükséges üzemanyag-fogyasztásra vonatkozó követelmények - a csillagközi repülés célja - csökkennek. A koncepciót Robert Zubrin javasolta az 1980-as évek végén [1] [2] .
Ennek megfelelően a mágneses vitorlával a csillagtól távolodó irányba, a csillagkorpuszkuláris szél áramlására is fel lehet gyorsítani a hajót.
Ennek az ötletnek a kidolgozása egy mágneses vitorlával rendelkező hajó gyorsítása (lassítása) egy álló bolygó (pálya) gyorsítóval felgyorsított erőteljes részecskeáram segítségével. Ebben a rendszerben csökkennek a hajó gyorsításához használt fedélzeti üzemanyag-készletre vonatkozó követelmények.
Javasoljuk az „előkészített útvonal” koncepcióját is, amelyben a finoman eloszlatott termonukleáris üzemanyag-áramot előre (helyhez kötött berendezésekkel) vezetik be egy ramjet űrhajó jövőbeni repülésének pályájára.
A Bussard motor a sci-fiben
Ez a fogalom széles körben elterjedt a tudományos-fantasztikus irodalomban, különösen Poul Anderson Tau Zero című regényének cselekménye épül rá .
A Bussard motor elvét az idegenek használják Tom Lygon El Doradojában. Lövedékük, a "Hydrogén Sucking Light Chaser" közvetlenül a Napra irányul, hogy eltalálja azt, és egy szupernóvához hasonló robbanást okozzon . Az If magazin címlapján , ahol az Eldorado jelenik meg, az egyik Bassard motorterve látható [3] .
Gyakorlatilag az összes Föderációs hajó a Star Trek univerzumból Bussard gyűjtőket használ a csillagközi gáz összegyűjtésére, hogy később felhasználhassa a hajó meghajtó- és energiarendszerében.
Az űrhajómotorok Reynolds Space Apocalypse univerzumában (a regényekben ramjet Conjoiner motorokként említik) csillagközi hidrogént használnak üzemanyagként.
Peter Watts Hamis vakság című regényében szereplő Theseus űrhajó Bussard-motort használ.
A Bussard motorra többször hivatkoznak Larry Niven Known Space sorozatában . Egyes munkákban a „ramjet” elnevezést használják.
Egy "csillagközi anyagot elnyelő" motort használnak a Sztrugackij testvérek a " Részleges feltételezések " című történetben a Muromets fotoncsillaghajón.
Stanisław Lem Fiasco című regényében az Eurydice űrhajó fúziós motorokat használ a világűr hidrogénjével.
Lásd még
Jegyzetek
- ↑ DG Andrews és R. Zubrin, "Magnetic Sails and Interstellar Travel", Paper IAF-88-553, 1988
- ↑ http://path-2.narod.ru/design/base_e/msit.pdf Archiválva : 2013. június 28., a Wayback Machine MÁGNESES VITORLÁK ÉS CSILLAGKÖZI UTAZÁS, DANA G. ANDREWS és ROBERT M. ZUBRIN, Journal of The British Interplanetary Society, 43. évf., pp. 265-272, 1990
- ↑ A 2008-as 5. szám hirdetménye, az "If" magazin oldala (elérhetetlen link) . Letöltve: 2011. május 28. Az eredetiből archiválva : 2012. október 8..
Linkek
- Bussard Ramjet
| Motorok | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| Lásd még örökmozgó Fogaskerék motor gumi motor | |||||||||||||||||