Нова ера на изследване на космоса зад ракетните двигатели с термоядрен синтез

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

НАСА и Илон Мъск мечтаят за Марс, а пилотираните мисии в дълбокия космос скоро ще станат реалност. Вероятно ще се изненадате, но съвременните ракети летят малко по-бързо от ракетите от миналото.

Бързите космически кораби са по-удобни по различни причини и най-добрият начин за ускоряване е чрез ракети с ядрено захранване. Те имат много предимства пред обикновените ракети с гориво или съвременните електрически ракети със слънчева енергия, но през последните 40 години Съединените щати изстреляха само осем ракети с ядрено захранване.

През изминалата година обаче законите относно ядрените космически пътувания се промениха и работата по следващото поколение ракети вече започна.

Защо е необходима скорост?

На първия етап от всеки полет в космоса е необходима ракета-носител - тя извежда кораба в орбита. Тези големи двигатели работят на горими горива - и обикновено когато става дума за изстрелване на ракети, те са предвидени. Те не отиват никъде скоро - както и силата на гравитацията.

Но когато корабът навлезе в космоса, нещата стават по-интересни. За да преодолее гравитацията на Земята и да отиде в дълбокия космос, корабът се нуждае от допълнително ускорение. Тук влизат в действие ядрените системи. Ако астронавтите искат да изследват нещо отвъд Луната или още повече Марс, ще трябва да побързат. Космосът е огромен, а разстоянията са доста големи.

Има две причини, поради които бързите ракети са по-подходящи за космически пътувания на дълги разстояния: безопасност и време.

По пътя към Марс астронавтите се сблъскват с много високи нива на радиация, изпълнени със сериозни здравословни проблеми, включително рак и безплодие. Радиационната защита може да помогне, но е изключително тежка и колкото по-дълга е мисията, толкова по-мощна защита ще е необходима. Следователно, най-добрият начин да намалите дозата на радиация е просто да стигнете до вашата дестинация по-бързо.

Но безопасността на екипажа не е единственото предимство. Колкото по-далечни полети планираме, толкова по-бързо имаме нужда от данни от безпилотни мисии. Отне на Voyager 2 12 години, за да стигне до Нептун - и докато прелетя, направи няколко невероятни снимки. Ако Voyager имаше по-мощен двигател, тези снимки и данни щяха да се появят в астрономите много по-рано.

Така че скоростта е предимство. Но защо ядрените системи са по-бързи?

Днешните системи

След като преодолее силата на гравитацията, корабът трябва да вземе предвид три важни аспекта.

Тяга- какво ускорение ще получи корабът.

Ефективност на теглото- колко тяга може да произведе системата за дадено количество гориво.

Специфична консумация на енергия- колко енергия отделя дадено количество гориво.

Днес най-разпространените химически двигатели са конвенционалните ракети с гориво и електрическите ракети със слънчева енергия.

Системите за химическо задвижване осигуряват голяма тяга, но не са особено ефективни, а ракетното гориво не е много енергоемко. Ракетата Сатурн 5, която превозва астронавти до Луната, доставя 35 милиона нютона сила при излитане и носи 950 000 галона (4 318 787 литра) гориво. По-голямата част от него отиде за извеждането на ракетата в орбита, така че ограниченията са очевидни: където и да отидете, имате нужда от много тежко гориво.

Електрическите задвижващи системи генерират тяга, използвайки електричество от слънчеви панели. Най-често срещаният начин да се постигне това е да се използва електрическо поле за ускоряване на йони, например, като при индукционен двигател на Хол. Тези устройства се използват за захранване на сателити и тяхната ефективност на тегло е пет пъти по-голяма от тази на химическите системи. Но в същото време те издават много по-малко тяга - около 3 нютона. Това е достатъчно само за ускоряване на автомобила от 0 до 100 километра в час за около два часа и половина. Слънцето по същество е бездънен източник на енергия, но колкото повече се отдалечава корабът от него, толкова по-малко полезен е той.

Една от причините, поради които ядрените ракети са особено обещаващи, е тяхната невероятна енергийна интензивност. Урановото гориво, използвано в ядрените реактори, има енергийно съдържание 4 милиона пъти повече от хидразина, типично химическо ракетно гориво. И е много по-лесно да вкарате малко уран в космоса, отколкото стотици хиляди галони гориво.

Какво ще кажете за сцеплението и ефективността на теглото?

Два ядрени варианта

За космически пътувания инженерите са разработили два основни типа ядрени системи.

Първият е термоядрен двигател. Тези системи са много мощни и високоефективни. Те използват малък ядрен реактор на делене - като тези на ядрените подводници - за нагряване на газ (като водород). След това този газ се ускорява през дюзата на ракетата, за да осигури тяга. Инженерите на НАСА са изчислили, че пътуването до Марс с помощта на термоядрен двигател ще бъде с 20-25% по-бързо от ракета с химически двигател.

Fusion двигателите са повече от два пъти по-ефективни от химическите. Това означава, че те доставят два пъти по-голяма тяга за същото количество гориво - до 100 000 нютона тяга. Това е достатъчно, за да ускори колата до скорост от 100 километра в час за около четвърт секунда.

Втората система е ядрен електрически ракетен двигател (NEPE). Нито един от тях все още не е създаден, но идеята е да се използва мощен реактор на делене за генериране на електричество, което след това ще захранва електрическа задвижваща система като двигател на Хол. Това би било много ефективно - около три пъти по-ефективно от термоядрен двигател. Тъй като мощността на ядрения реактор е огромна, няколко отделни електрически двигателя могат да работят едновременно и тягата ще се окаже солидна.

Ядрените ракетни двигатели са може би най-добрият избор за мисии на изключително дълги разстояния: те не изискват слънчева енергия, много са ефективни и осигуряват относително висока тяга. Но при цялата си обещаваща природа, ядрената енергийна задвижваща система все още има много технически проблеми, които ще трябва да бъдат решени, преди да бъдат пуснати в експлоатация.

Защо все още няма ракети с ядрена мощност?

Термоядрените двигатели се изучават от 60-те години на миналия век, но те все още не са летели в космоса.

Съгласно хартата от 70-те години на миналия век всеки ядрен космически проект се разглеждаше отделно и не можеше да продължи без одобрението на редица правителствени агенции и самия президент. В съчетание с липсата на финансиране за изследвания на ядрени ракетни системи, това възпрепятства по-нататъшното развитие на ядрени реактори за използване в космоса.

Но всичко се промени през август 2019 г., когато администрацията на Тръмп издаде президентски меморандум. Въпреки че настоява за максимална безопасност на ядрените изстрелвания, новата директива все още позволява ядрени мисии с ниски количества радиоактивен материал без сложно междуведомствено одобрение. Достатъчно е потвърждението от спонсорираща агенция като НАСА, че мисията е в съответствие с препоръките за безопасност. Големите ядрени мисии преминават през същите процедури, както преди.

Заедно с тази ревизия на правилата, НАСА получи 100 милиона долара от бюджета за 2019 г. за разработване на термоядрени двигатели. Агенцията за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната също разработва термоядрен космически двигател за операции по национална сигурност извън орбитата на Земята.

След 60 години застой е възможно ядрена ракета да отиде в космоса до десетилетие. Това невероятно постижение ще постави началото на нова ера на изследване на космоса. Човекът ще отиде на Марс, а научните експерименти ще доведат до нови открития в цялата Слънчева система и извън нея.