Фотонный космический транспорт — Posrednik CG

Фотонный космический транспорт — Posrednik CG

«- Давно летаешь на фотонных ракетах?
Вместо ответа я отвернул лацкан куртки, показывая ему медаль, на которой было выгравировано «Сто световых лет».
А. КОЛПАКОВ «Гриада».

Фотонный двигатель – это реактивный двигатель, тяга которого создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения или фотонов. Главным преимуществом такого двигателя является максимально-возможная в рамках релятивистской механики скорость истечения, равная скорости света в вакууме.

Если найти условную точку центра Солнечной системы, то более десятка ближайших к нам звёзд расположатся в сфере радиусом в одиннадцать световых лет. Фотонные звездолёты, относящиеся к классу субсветовых, позволили бы их экипажам достичь этих звёзд, исследовать их системы и вернуться обратно в течение жизни одного поколения.

Немецкий теоретик ракетной техники Э. Зенгер (1905-1964) ещё перед второй мировой войной высказал принципиальную идею двигателя с фотонной тягой. В основу идеи легли две фантастические предпосылки: изобретение «абсолютного зеркала», способного отражать и фокусировать кванты света сразу всех длин волн, а также гамма-лучи; получение энергоносителя в виде антиматерии. Книга Э. Зенгера «Механика фотонных ракет» была переведена на русский язык и вышла в свет в 1956 году.

Однако в романе О. СТЭПЛДОНА «Последние и первые люди» (1930) уже было дано первое в мировой литературе подробное и научно правдоподобное описание космического корабля на аннигиляционном двигателе. Хотя сам автор идеи был философом и не считал себя фантастом.

С тех пор «классическим» считается фотонный звездолет, состоящий из жесткого, укрепленного силовым каркасом параболического зеркала, соединенного длинной фермой с жилыми отсеками, складами и лабораториями. Ёмкости с антивеществом и веществом размещены на внешней поверхности зеркала. Соотношение размеров этих емкостей и корабля в целом позволяет предположить, что это объект не столько конструкторского, сколько художественного творчества.

Практически все известные и даже запатентованные компоновки фотонных звездолетов не учитывают того обстоятельства, что, по объективным расчётам, масса запасаемого на них антивещества (и вообще рабочего тела) должна в десятки и сотни раз превышать массу самой конструкции корабля.

Относительно подходящего топлива для фотонного двигателя в фантастике отразились альтернативные мнения. К фотонному космическому транспорту по основным характеристикам весьма близки анамнезонные звездолёты из романа И. ЕФРЕМОВА «Туманность Андромеды». Однако анамнезон – это обычное вещество с разрушенными связями между элементарными частицами. Следовательно, оно более компактно, чем вещество, и не требует особой защитной оболочки для хранения, как антивещество. Два маленьких плюса по сравнению с одним гигантским минусом: запасы анамнезона в дорогу по своему объёму сравнятся с объёмом небольшой планеты.

Зато ЕФРЕМОВ проработал одну важную деталь, которой большинство фантастов пренебрегает: запуск звездолёта, вид изнутри.

«Пел Лин передвинул рукоятку анамезонных двигателей. Четыре высоких цилиндра из нитрида бора, видимые в специальную прорезь пульта, засветились изнутри. Яркое зелёное пламя забилось в них бешеной молнией, заструилось и закрутилось четырьмя плотными спиралями. Там, в носовой части корабля, сильное магнитное поле облекло стенки моторных сопел, спасая их от немедленного разрушения.

Астронавигатор передвинул рукоять дальше. Сквозь зелёную вихревую стенку стал виден направляющий луч — сероватый поток К-частиц. Ещё движение, и вдоль серого луча прорезалась ослепительная фиолетовая молния — сигнал, что анамезон начал своё стремительное истечение…».

Соло Хан, по сравнению со своим коллегой, напоминает тракториста с рычагами управления, а многие прочие персонажи походят на лифтёров, пользующихся набором кнопок…

Доработка первоначальной идеи Э. Зенгера обнаруживается в повести братьев Стругацких «Путь на Амальтею», где фантасты пользуются определением «фотонный». Но вновь, как и в романе И. ЕФРЕМОВА, конструкции «фотонных грузовиков» не несут в себе никакого антивещества! Это не случайно. Главным недостатком фотонного двигателя является низкий КПД цепочки преобразования энергии от первичного источника до струи фотонов. Для прямого получения оптических квантов и гамма-квантов А. и Б. Стругацкие попросту заменили антивещество на дейтериево-тритиевую плазму. Эта идея не с потолка! В 1950 году академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили использовать магнитное поле для удержания плазмы. Магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц высокотемпературной плазмы и термоизолирует ее от стенок камеры, в которой она создается.

Направленная реактивная тяга в повестях «Путь на Амальтею» и «Стажёры» случаях создаётся гигантским сферическим зеркалом, каждый сантиметр которого должен ежесекундно отражать количество тепла, достаточное, чтобы выплавить несколько тонн стали.

«Отражатель – самый главный и самый хрупкий элемент фотонного привода, гигантское параболическое зеркало, покрытое пятью слоями сверхстойкого мезовещества. В зарубежной литературе отражатель часто называют «сэйл» — парус. В фокусе параболоида ежесекундно взрываются, превращаясь в излучение, миллионы порций дейтериево-тритиевой плазмы. Поток бледно-лиловатого пламени бьёт в поверхность отражателя и создаёт силу тяги. При этом в слое мезовещества возникают исполинские перепады температур и мезовещество постепенно – слой за слоем – выгорает.

Кроме того, отражатель непрерывно разъедается метеоритной коррозией. И если при включённом двигателе отражатель разрушится у основания, там, где к нему примыкает толстая труба фотореактора, корабль превратится в мгновенную бесшумную вспышку. Поэтому отражатели фотонных кораблей меняют через каждые сто астрономических единиц полёта. Поэтому контролирующая система непрерывно замеряет состояние рабочего слоя по всей поверхности отражателя» (А. и Б. СТРУГАЦКИЕ «Путь на Амальтею»).

Необходимость частых капитальных ремонтов зеркал позволяет использовать фотонные грузовики и лайнеры только на межпланетных трассах Солнечной системы. Строительство фотонного звездолёта (проект «Хиус-Молния») находится ещё на начальной стадии, а затем, видимо, и вовсе прекращается, поскольку в мире Полдня, найден способ движения в гиперпространстве. Фотонный космический транспорт морально устаревает…

Читайте также:  IPhone X(sr)876 неправильно определяет (показывает) местоположение (геолокацию) - причина и что дела

Его недолгий гипотетический расцвет пришёлся на тот период отечественной фантастики, когда широкого знакомства с англоязычной фантастикой в СССР ещё не состоялось, зато активно творил Г. МАРТЫНОВ. Да и у того в романе «Гость из бездны» находим такие строки: «Первая фотонная ракета – «Ленин», казавшаяся сейчас архаическим пережитком, покинула Солнечную систему восемнадцать веков тому назад, в начале двадцать первого века христианской веры. Первые одиннадцать звездолётов были фотонными, и, точно в музее истории космических перелётов в пространстве находились корабли всевозможных конструкций – живая история звездолётостроения за последние восемнадцать столетий».

Одиннадцать фотонных звездолётов, построенных друг за другом… Вряд ли все они относились к единой типовой конструкции. Исходя из творческой натуры любого настоящего конструктора, можно предполагать, что каждая последующая модель звездолёта данного типа должна нести в себе некие новые технические доработки и решения. Драматическим был, видимо, отказ от технического детища, лелеемого на протяжении многих веков. За рамками романа остались некоторые вариации фотонных звездолётов, какие теоретически могли быть опробованы при постановке различных исследовательских задач. К примеру, на ближних межпланетных трассах могло быть опробование использования электромагнитных квантов из диапазона более длинных волн («радиодвигатель»). «Радиодвигатель» значительно упрощает задачу фокусировки «реактивной струи», но резко снижает КПД всего движительного комплекса.

«…Квантовая ракета — то же, что и фотонная, но вместо фотонов она отбрасывает кванты невидимого света (например, ультракороткие радиоволны)» – пояснял А. КОЛПАКОВ в романе «Гриада».

Существуют несколько вариантов компоновок фотонных звездолетов, предполагающих использование в качестве рабочего тела вещества окружающего пространства. Это позволяет вдвое (а при возможности производства антивещества на борту – и более) сократить бортовые запасы, но требует создания электромагнитных (или других полевых) массозаборников диаметром несколько десятков тысяч километров.

Очевидный вариант представляет собой соединенные направленными друг к другу остриями воронки жестких частей массозаборника и сопла-зеркала с расположенными на них электромагнитами, создающими полевые продолжения того и другого. В местах их соединения расположены обитаемые отсеки, энергоустановка, хранилище антивещества.

Ряд учёных полагает, что как для сбора окружающего вещества, так и для фокусировки пучка фотонов с использованием газового или пылевого зеркала, достаточно соленоида, состоящего из одного витка, расположенного в плоскости, перпендикулярной направлению полета. Звездолет при этом может иметь форму более или менее обтекаемого симметричного относительно центральной оси тела, окруженного токовым кольцом на пилонах, либо диска, с расположением токопровода по периметру. В случае использования в качестве «реактивной струи» электромагнитных волн радиодиапазона звездолет может представлять собой, например, коническую ферму, на вершине которой разместится отсек экипажа, по периметру основания – генераторы радиоволн и энергоблоки. Технологические трудности, которые придётся преодолеть при реализации всех представленных проектов, неимоверны.

И всё же идею фотонного космического транспорта рановато списывать как безнадёжную. Действительно, серьёзную проблему представляет необходимость охлаждать зеркало. О фантастическом мезовеществе, конечно, приходится пока только мечтать. Зато гораздо ближе к реальности сверхпроводники, благодаря которым возникающие микротоки не будут встречать сопротивления, а стало быть, перегрев будет минимальным.

По сведениям, промелькнувшим в авторитетном источнике, антивещество может быть заменено на водородную плазму, получаемую при взаимодействии атомов водорода с антипротонами. А первоочередные астроинженерные задачи будут поставлены не где-то в созвездии Волопаса, а гораздо ближе, в пределах доступности космического транспорта новых поколений.

К звездам! Разбираетесь ли вы в современных и перспективных космических двигателях? — Тест

Путешествия к звездам и другим планетам — заветная мечта человечества, однако от цели нас отделяют огромные расстояния. Предложено множество способов их преодолеть, но современные двигатели еще не дают возможности улететь далеко от Земли.

Ракеты и космические корабли приводятся в движение жидкостными и твердотопливными двигателями, а еще есть электрореактивные, и, надеемся, на подходе двигатели, питаемые ядерной энергией. Но к чужим звездам они нас пока доставить не могут.

Этот тест позволит узнать, насколько вы «в теме» и может ли из вас получиться разработчик космических аппаратов.

NASA планировало к концу 70-х лететь на Марс. Для полета предполагалось использовать этот ядерный ракетный двигатель. Также его хотели задействовать в качестве верхней ступени для ракеты «Сатурн».

Программа NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) была закрыта в 1972 году — несмотря на то, что двигатель прошел множество успешных испытаний на земле, а сама программа имела мощную политическую поддержку.

Глава корпорации «Росатом» как-то заявил, что в России создается ядерный двигатель, который позволит долететь до Марса за 45 дней. О чем это он?

ЯЭДУ, совместный проект «Роскосмоса» и «Росатома», проектируется для космического аппарата с рабочим названием «Транспортно-энергетический модуль» (ТЭМ), или проще «Космический буксир».

Жидкостные ракетные двигатели SuperDraco, установленные на Crew Dragon для обеспечения спасения астронавтов в случае нештатных ситуаций, и двигатели коррекции орбиты Draco этого же космического корабля работают на этой топливной паре.

Топливо с использованием монометилгидразина (горючее) и тетраоксида диазота (окислитель) позволяет перезапускать двигатели многократно, в том числе спустя долгое время после заправки и запуска корабля.

Читайте также:  Что значит код ошибки P0327 и как это исправить

Перелетный модуль MTM (Mercury Transfer Module) миссии BepiColombo оснащен четырьмя такими двигателями.

Ионные двигатели Т6, созданные британской компанией QinetiQ для полета к Меркурию самые мощные из подобных двигателей когда-либо использовавшихся в космосе.

В теории этот концептуальный двигатель может развить максимально возможную для реактивного двигателя тягу, позволяя достигать скоростей, близких к скорости света.

Фотон, как известно, обладает импульсом, соответственно, при истекании из двигателя, создает реактивную тягу.

Проект «Орион», разрабатывавшийся в США в середине прошлого столетия, предполагал создание пилотируемого космического корабля для исследования межпланетного и межзвездного пространства. Какой двигатель должен был отправить его к звездам?

По расчетам, ядерно-импульсный двигатель позволил бы разогнаться «Ориону» до скорости, которая была бы равна 5 % скорости света.

ЯРД будут отличаться чрезвычайно высоким удельным импульсом по сравнению с современными двигателями. У какого из этих двигателей удельный импульс больше по сравнению с другими ядерными двигателями?

Считается, что удельный импульс газофазного ядерного ракетного двигателя составит 30-50 тысяч м/с. Это наивысший показатель среди таких двигателей.

Идея концепции такого двигателя пришла в голову ее автору после просмотра сериала «Звездный путь».

В 1994 году физик Мигель Алькубьерре предложил концепцию двигателя, искривляющего пространство, что может позволить космическому аппарату достичь сверхсветовой скорости.

Для взлета с лунной поверхности в программе «Аполлон» применяли жидкостные ракетные двигатели. Какие компоненты топлива были использованы в нем?

Крайне токсичный тетраоксид диазота и аэрозин — ракетное топливо, представляющее собой смесь несимметричного диметилгидразина (НДМГ) и гидразина в пропорции 1:1 (по массе).

ТТРД, твердотопливный ракетный двигатель, использует в качестве топлива твердое горючее и окислитель. Где применялся наиболее мощный твердотопливный ракетный двигатель из когда-либо летавших?

Пара твердотопливных ракетных ускорителей обеспечивала 83 % стартовой тяги МТКК Space Shuttle.

Расскажи друзьям о результатах

По теме

Популярное

В России впервые в мире зарегистрировали вакцину от коронавируса, но, кажется, этому никто не рад. Многие пишут, что так быстро медицинские средства выпускать нельзя, ведь они не успеют пройти все проверки. Другие оценивают это как «масштабный эксперимент на людях». Утверждается, что еще до третьей фазы клинических испытаний «Спутник-V » введут миллионам российских граждан — в ближайший месяц. Сообщают, что у новой вакцины много побочных реакций, а вот защитных антител она якобы дает мало. Каждый из этих тезисов в той или иной степени неверен. Впрочем, это вовсе не значит, что вакцина обязательно работает. Попробуем разобраться, как все обстоит на самом деле.

Ионная тяга: как человечество использует электрические двигатели для полетов в космос

Ионный двигатель является если не самым перспективным электрическим космическим двигателем, то точно одним из самых используемых сегодня в отрасли. «Хайтек» рассказывает, как работают ионные двигатели, зачем их используют и при чем тут Константин Циолковский.

Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда гигантскими (или не очень) ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Пока человечество не смогло придумать альтернативу таким двигателям, поскольку для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга: ее могут дать только обычные двигатели.

При этом уже в космосе спутники используют другой тип двигателей — электрические. Самым используемым является ионный двигатель — устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Типы электрических и альтернативных двигателей:

  • Ионные и плазменные накопители

Тип реактивного двигателя, который использует электрическую энергию для получения тяги от топлива: ионизированного газа. Многие из таких спутников не имеют ракетные сопла.

Электродвигатели для космических кораблей могут быть сгруппированы в три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы: электростатический (собственно, классический ионный двигатель), электротермический (в них электромагнитные поля используются для генерации плазмы, что приводит к повышению температуры топлива, а тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую) и электромагнитный (или плазменный, тут ионы ускоряются путем воздействия электромагнитных полей, как правило, земного и искусственного у аппарата).

Это электрические двигатели, также использующие нехимическую энергию для своей работы, однако работающие по другим принципам, нежели ионные. Например, фотонный двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться на энергии фотонов. Гипотетически так смогут работать космические аппараты, управляемые лазерными сигналами с Земли или Луны.

К этой же категории относятся эксперименты по созданию так называемого электродинамического троса, когда спутник может выбрасывать вокруг себя длинные металлические нити с разными электрическими зарядами.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством другого пионера космонавтики, американского ученого Роберта Годдарда.

6 сентября 1906 года Годдард писал в своем дневнике, что сможет использовать энергию ионов для работы двигателей. Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916 году. В итоге ученый заявил, что сможет использовать их в полноценном формате только в условиях, приближенных к вакууму, тогда как в рамках тестирования их показывали при атмосферном давлении Земли.

Читайте также:  Чем отмыть краску с автомобиля - советы и рекомендации

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Горальдом Кауфманом только в 1959 году. В качестве топлива, в отличие от современных аналогичных двигателей, которые перерабатывают ионы газа ксенона, он использовал ртуть. Суборбитальные испытания двигателя прошли в 1964 году, когда в космос на ракете-разведчике был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использующее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 70-х годах США провели ряд повторных испытаний этой технологии.

Принцип работы ионного двигателя

Ионные двигатели используют пучки ионов — электрически заряженных атомов или молекул — для создания тяги. Основным рабочим телом ионизации является газ, иногда ртуть. В ионизатор подается это топливо, после чего туда же запускают высокоэнергетические электроны. В этой камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. После этого в камеру вводят специальный фильтр, который притягивает к себе отрицательные электроны, тогда как положительные ионы притягиваются к ряду сеток с большой разницей электростатических потенциалов (+1090 В на внутренней против -225 В на внешней). В результате такой мощной разницы ионы начинают разгоняться по кругу, пока не выбрасываются из устройства, ускоряя движение корабля. За ними выбрасываются и электроны, которые должны обезвредить ионы и не позволить им притягиваться обратно к двигателю.

Обычно источниками питания для ионных двигателей являются электрические солнечные панели. Однако в местах, куда солнечный свет не попадает, например, когда Земля закрывает Солнце, спутники могут использовать ядерную энергию. «Хайтек» подробно рассказывал о такой советской программе, спутники которой — с крошечными ядерными реакторами — до сих пор находятся на орбите захоронения Земли.

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в космосе, например, для изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Существует также несколько проектов, предполагающих использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий — автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера.

Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR. Они установлены в нижней части аппарата: один вдоль оси, еще два — на передней и задней панелях. Принцип работы этих двигателей состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива. Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в десять раз выше, чем могут это сделать современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту Dawn солнечных батарей и уровня подачи топлива.

Для полета Dawn было необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста — Церера — 110 кг.

Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости. 5 июня 2016 года — спустя девять лет после запуска — станция Dawn разогналась до 39 900 км/час (11,1 км/с).

1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо. Последние несколько лет инженеры НАСА занимаются разработкой новых двигателей, рассчитанных на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса станции за счет топлива негативно сказывается как на скорости передвижения аппарата, так и на дальности полета.

Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд, на котором установлены четыре ионных двигателя IES, может менять направление полета за счет этих двигателей. Они могут поворачиваться в разные стороны, но за счет электромеханической системы, питающейся от солнечных батарей. При этом ксенон массой в 73 кг хранится в 51-литровом топливном баке: такую конфигурацию удалось получить за счет того, что этот газ в полтора раза плотнее воды, и, соответственно, занимает меньше места.

Пока космические агентства исследуют возможное применение ионных двигателей в будущем. НАСА запланировало даже установить ионный двигатель нового поколения ISS Vasimr на МКС. Однако в 2015 году отменило этот проект, заявив, что пока «МКС не является идеальной демонстрационной площадкой для работы двигателей такого типа». Дело в том, что Vasimr должен был стать первым полноценным электротермическим ракетным двигателем, который позволил бы создавать тягу, аналогичную химическим двигателям. Это позволило бы в будущем использовать его даже для запусков ракет-носителей с Земли.

НАСА пришло к решению отменить тестирование Vasimr, поскольку ученые до конца не смогли найти источник энергии, на котором бы работал этот двигатель. Самым перспективным источником энергии могла стать термоядерная установка, однако ее использование на МКС могло быть небезопасной.

Из-за этого сейчас ионные двигатели продолжают рассматриваться в основном в качестве дополнительных двигателей на различных спутниках, с помощью которых зонды смогут совершать маневры в космосе. Другим перспективным направлением для использования двигателей такого типа может стать космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионными двигателями могут стать идеальным решением этой проблемы.

Ссылка на основную публикацию
Формат координат в яндекс картах
Координаты на карте Яндекс – как определить 2020 Навигацией и картами поисковой системы Яндекс пользуется множество жителей СНГ. Сервис позволяет...
Фестиваль эротики и порно-Оскар
Не совсем обычные эротические календари) jeka jj — ЖЖ По какому только поводу не выпускают эротические календари! Для некоторых компаний...
Фиат Панда Кросс — характеристики, фото и видео
Fiat Panda 4x4 Cross - фото, цена, характеристики Фиат Панда 4х4 Кросс (2016-2017) На автосалоне в Женеве 2014 состоялась презентация...
Форматный станок для распиловки ЛДСП, ДСП
Пошаговый раскрой ЛДСП без сколов фото-инструкция В данном материале мы затронем такой злободневный для мастеров-гаражников, занимающихся мебелью из ЛДСП, вопрос...
Adblock detector