Ramjet interstelar Bassard

Ramjetul interstelar Bussard este un concept de motor rachetă pentru zboruri interstelare propus în 1960 de fizicianul Robert Bussard . 

Dispozitiv motor

Baza conceptului este captarea materiei în mediul interstelar ( hidrogen și praf) de către o navă spațială care călătorește cu viteză mare și utilizarea acestei materii ca fluid de lucru (sau direct ca combustibil) în motorul rachetei termonucleare a navei. Captarea substanței mediului interstelar este realizată de un câmp electromagnetic puternic, care are aproximativ configurația unei pâlnii late îndreptate înainte de-a lungul vectorului viteză al navei. Probabil, diametrul câmpului de colectare ar trebui să fie de mii sau zeci de mii de kilometri. O caracteristică esențială a unei astfel de scheme va fi autonomia aproape completă de combustibil a navei: fiind accelerată de aprovizionarea cu combustibil disponibil la bord până la o anumită viteză, ceea ce asigură un aflux suficient de hidrogen interstelar în galeria de admisie, adică după intrare. „modul on-line”, nava se va putea deplasa mai departe cu o accelerație constantă, fără a opri motorul și fără a trece la zbor inerțial.

Au fost propuse două opțiuni principale pentru utilizarea hidrogenului interstelar captat:

1. Ca fluid de lucru pentru TNRD , cu alimentare proprie de combustibil termonuclear la bord (RAIR).
2. Direct ca combustibil termonuclear.

Teoria și problemele conceptului

Mediul interstelar conține materie într-o cantitate de ordinul a 10 -21 kg / m³, în vrac - hidrogen ionizat și neionizat, o cantitate mică de heliu și practic niciun alt gaz într-o cantitate vizibilă. În consecință, un volum spațiu de ordinul a 10 18 m³ trebuie trecut prin colectorul navei pentru a colecta un gram de hidrogen. Un astfel de volum necesită un colector electromagnetic (ion electrostatic) cu diametru mare și o putere de câmp extrem de mare.

Pe baza compoziției mediului interstelar (în principal hidrogen), a fost fuziunea pe o reacție cu hidrogen care a fost propusă de Bussard în conceptul inițial al motorului. Din păcate, ciclul proton-proton este nepotrivit pentru utilizare din cauza dificultății excepționale a implementării sale într-un reactor termonuclear. În consecință, reacțiile termonucleare de alte tipuri, în special 2 H + 2 H → 3 He + 1 n + 18 MeV, sau 2 H + 3 H → 4 He + 1 n + 20 MeV, sunt mai potrivite, dar izotopii necesari pentru sunt extrem de rare în compoziția mediului interstelar.

O cale de ieșire, în principiu, a fost propusă în utilizarea reacțiilor termonucleare ale ciclului CNO , unde carbonul este catalizatorul pentru arderea termonucleară a hidrogenului. Cu toate acestea, în orice așa-zis. În ciclul catalitic al fuziunii nucleare, reacțiile decurg extrem de lent, iar densitatea de putere este neglijabilă (pentru comparație: în centrul Soarelui, eliberarea de energie este de numai aproximativ 1 watt pe centimetru cub). În timpul zborului materiei, chiar și în ipotezele cele mai optimiste, doar o fracțiune nesemnificativă din ea se poate arde.

În 1974, Alan Bond a propus conceptul de RAIR ( eng.  ram-augmented interstellar rocket ), rezolvând problema fuziunii termonucleare dificil de implementat pe ciclul proton-proton. În această schemă, fluxul de protoni care intră în colector este decelerat la o energie de ordinul a 1 MeV și bombardează o țintă de izotopi de litiu-6 sau bor-11. Reacția litiu-proton sau bor-proton este mai simplă decât reacția proton-proton și oferă o ieșire de energie semnificativă, ceea ce crește viteza de scurgere a fluidului de lucru din duza motorului. O astfel de reacție termonucleară poate avea loc și folosind cantități mici de antimaterie ca catalizator.

În conceptul motorului Bussard, în același timp, există probleme teoretice semnificative din cauza factorului de rezistență al mediului interstelar - transferul de impuls de la fluxul de materie care se apropie către colector și mai departe către navă, ceea ce necesită tracțiunea motorului să depășească indicatorul de rezistență la rezistență.

În prezent, lucrările asupra conceptului se desfășoară în cadrul cercetării teoretice.

Problema cheie a „directului” este, de asemenea, că „pâlnia magnetică” nu va îndeplini în niciun caz funcția de aport de masă în modul în care a intenționat autorul conceptului. Mai degrabă, se va comporta ca o „frână” (vezi „Dop magnetic”, „ Probkotron ”, „Invariant adiabatic”).

Limită de viteză

Un alt dezavantaj al unui ramjet termonuclear (chiar și pe cel mai eficient ciclu proton-proton) este viteza limitată pe care o poate atinge o navă echipată cu acesta (nu mai mult de 0,119 c = 35,7 mii km/s). Acest lucru se datorează faptului că la captarea fiecărui atom de hidrogen (care poate fi considerat staționar în raport cu stele în prima aproximare), nava pierde un anumit impuls, care poate fi compensat de împingerea motorului numai dacă viteza nu depășește o anumită limită. Pentru a depăși această limitare, este necesar să folosim cât mai complet posibil energia cinetică a atomilor prinși, ceea ce pare a fi o sarcină destul de dificilă.

Să presupunem că ecranul a prins 4 atomi de hidrogen. Într-un reactor de fuziune, patru protoni sunt transformați într-o particulă alfa , doi pozitroni și doi neutrini . Pentru simplitate, vom neglija neutrinii (contabilitatea neutrinilor va necesita un calcul precis al tuturor etapelor reacției, iar pierderile pe neutrini sunt de aproximativ un procent) și vom anihila pozitronii cu 2 electroni rămași din atomii de hidrogen după îndepărtarea protoni din ele . Alți 2 electroni vor fi folosiți pentru a transforma particula alfa într-un atom neutru de heliu, care, datorită energiei primite din reacție, va fi accelerat în duza motorului.

Ecuația finală a reacției fără a lua în considerare neutrini:

1
1H→ 4
2El+ (4 m H − m He ) c ² (≈27 MeV)

Lasă nava să zboare cu viteza v . Când prindeți patru atomi de hidrogen în cadrul de referință al navei, impulsul se pierde:

Momentul teoretic realizabil cu care o navă poate lansa un atom de heliu poate fi derivat din binecunoscuta relație relativistă dintre masă, energie și impuls:

Energia unui atom de heliu (inclusiv energia de repaus) nu poate depăși suma maselor a patru atomi de hidrogen înmulțită cu pătratul vitezei luminii:

De aici pătratul impulsului maxim realizabil al unui atom de heliu:

Dacă nava nu a accelerat sau încetinit ca urmare a captării și utilizării a patru atomi de hidrogen, atunci impulsul pierdut la capturarea acestora este egal cu impulsul câștigat ca urmare a ejectării unui atom de heliu din duză:

Concepte legate de motorul Bussard

Problema decelerării navei Bassard de către fluxul de materie care se apropie a condus la conceptul unei pânze magnetice(sau parașuta). În acest caz, câmpul electromagnetic al colectorului absoarbe energia vântului stelar care se apropie (sau a mediului interstelar) și transmite navei un impuls de decelerare. Astfel, cerințele privind consumul de combustibil pentru frânarea în sistemul unei stele - scopul zborului interstelar - sunt reduse. Conceptul a fost propus de Robert Zubrin la sfârșitul anilor 1980 [1] [2] .

În consecință, vela magnetică poate fi folosită și pentru a accelera nava în direcția îndepărtată de stea, pe fluxul vântului corpuscular stelar.

Dezvoltarea acestei idei este accelerarea (decelerația) a unei nave cu vele magnetice cu ajutorul unui flux puternic de particule accelerat de un accelerator planetar (orbital) staționar. În această schemă, cerințele pentru stocul de combustibil la bord utilizat pentru accelerarea navei sunt reduse.

Se propune și conceptul de „rută pregătită”, în care un flux de combustibil termonuclear fin dispersat este introdus în traiectoria viitorului zbor al unei nave spațiale ramjet în avans (prin intermediul instalațiilor staționare).

Motorul Bussard în science fiction

Acest concept a găsit o circulație largă în literatura științifico-fantastică, în special, pe el se bazează intriga romanului Tau Zero de Poul Anderson .

Principiul motorului Bussard este folosit de extratereștri în El Dorado al lui Tom Lygon. Proiectilul lor, „Hydrogen Sucking Light Chaser”, este îndreptat direct către Soare pentru a-l lovi și a provoca o explozie similară cu cea a unei supernove . Coperta revistei If , unde este publicat Eldorado, prezintă unul dintre modelele de motoare Bassard [3] .

Practic, toate navele Federației din universul Star Trek folosesc colectoare Bussard pentru a colecta gaze interstelare pentru a fi utilizate ulterior în sistemul de propulsie și energie al navei.

Motoarele navelor spațiale din universul Space Apocalypse al lui Reynolds (denumite în romane motoarele ramjet Conjoiner) folosesc hidrogenul interstelar drept combustibil.

Nava spațială Theseus din romanul False Blindness de Peter Watts folosește un motor Bussard.

Motorul Bussard este referit de mai multe ori în seria Known Space a lui Larry Niven . În unele lucrări, se folosește denumirea de „ramjet”.

Un motor care „absoarbe materia interstelară” este folosit de frații Strugatsky în povestea „ Prezumții parțiale ” pe nava fotonică Muromets.

În romanul Fiasco de Stanisław Lem , nava spațială Eurydice folosește motoare de fuziune alimentate cu hidrogenul spațiului cosmic.

Vezi și

• Motor de rachetă cu fuziune
• Zboruri interstelare

Note

1. ↑ DG Andrews și R. Zubrin, „Magnetic Sails and Interstellar Travel”, Lucrarea IAF-88-553, 1988
2. ↑ http://path-2.narod.ru/design/base_e/msit.pdf Arhivat 28 iunie 2013 la Wayback Machine MAGNETIC SAILS AND INTERSTELLAR TRAVEL, DANA G. ANDREWS și ROBERT M. ZUBRIN, Journal of The British Interplanetary Societatea, Vol 43, pp. 265-272, 1990
3. ↑ Anuntul numarului 5 pentru 2008, site-ul revistei „Daca” (link inaccesibil) . Preluat la 28 mai 2011. Arhivat din original la 8 octombrie 2012. (nedefinit) 

Link -uri

•  Bussard Ramjet

Motoare
Motoare cu ardere internă (cu excepția turbinei ) reciproc Numărul de cicluri Motor în doi timpi motor Lenoir Motor în patru timpi Motor în cinci timpi rotativ Motor în șase timpi Aranjamentul cilindrului motor în linie U-motor motor boxer H-motor motor V Motor VR motor W motor stea rotind X-motor Tipuri de piston Piston liber Motor cu contrapiston deltoid Axial Metoda de aprindere Motorină Carburator de compresie Încălzire și compresie Carburator strălucitor aprinderea bateriei Magneto Arc și bujii Rotativ Motor Wankel motor orbital motor Sarich motor rotativ cu palete Vigriyanov Combinate hibrid motor Hesselmann
Jet de aer Principalele tipuri Necomprimat Flux direct Pulsând Turboreactor Turboventilator (cu două circuite) Turboprop Turbopropfan Turboax Modificări și sisteme hibride Motor-compresor motor cu reacție de aer Hipersonic o singură dată Vezi și: Motoare cu turbină cu gaz
motoare rachete Pornire Overclockare Martie De manevrare Chimic Lichid Buclă închisă buclă deschisă cu tranziție de fază motor Walther Alte Combustibil solid Hibrid de combustibil Nuclear Termonuclear fază gazoasă-nucleară Fază solidă-nucleară Sare Electric Plasma accelerator electromagnetic VASIMR ionic Electrotermic Electrostatic Alte Pană-aer motor Bussard
Motoare cu ardere externă Motor cu aburi Motorul lui Stirling Motor cu aer Turbine și mecanisme cu turbine în compoziție După tipul corpului de lucru Gaz Uzina cu turbine cu gaz centrala electrica cu turbina cu gaz Motoare cu turbine cu gaz Aburi Centrală cu ciclu combinat Turbina de condensare hidraulic turbină cu elice Prin caracteristicile de proiectare Turbină axială (axială). turbină centrifugă radial diagonală Turbină radial-axială (turbină Francis) Turbina Kaplan Turbina Pelton (turbina Pelton) Turbina Turgo Rotor Daria Turbina din Țara Galilor Turbina Tesla roata lui Segner
Motoare electrice Curent continuu Curent alternativ Polifazic Trei faze În două faze fază singulară universal Asincron motor condensator Sincron Fără perii (motor comutat) Colector Supapă reactivă Stepper Alte Liniar Histerezis Unipolar cu ultrasunete motor mendocino
Motoare biologice proteine ​​motorii Actină Dinein Kinesin Miozina Tropomiozina troponina Flagelina
Vezi si mașină cu mișcare perpetuă Motorreductor motor din cauciuc