|
Есть неплохой поверхностный обзор двигателей здесь.
Можно убить массу времени на то, чтобы выяснить, как обстоят дела с двигательными системами космических аппаратов на самом деле. Но у меня хорошие новости для вас - здесь вы найдёте вполне достаточно. Большинство информации взято из справочного материала готовящейся к выходу настольной игры Филиппа Эклунда HIGH TRADER, монументальной Настольной книги космических кораблей, и незаменимой "Анализ и дизайн космических двигательных систем". Остальное найдено в сети. Нет, я не записывал, где именно. Пользуйтесь на свой риск.
Переход к таблице двигателей.
Если вам не по душе цифры в таблице - проведите своё исследование. Возможно, сумеете отыскать цифры получше. Учтите, что решения в списке вероятно оптимизированы для высокой скорости истечения за счёт тяги. Не исключено, что кое-что можно переделать для высокой тяги, ценой потери высокой скорости истечения. Ну или можно сдаться и попросить мистера Тико Басса о небольшом количестве атомного три-тетраметилбензакарбонэтилена. Четырёх капель должно хватить.
Некоторым двигателям требуется электричество для работы. Эти мегаватты указаны в графе "Потребная энергия". У этих двигателей указанная масса двигателя учитывает предполагаемую массу силовой установки (если нет отдельно указанного "+pp", что значит, что указанная масса НЕ ВКЛЮЧАЕТ массу силовой установки). Масса силовой установки может игнорироваться, если космический аппарат использует внешнюю силовую установку. Кроме того, я не смог найти корректной информации о массе удалённой силовой установки. Для ядерной электростанции оценочными цифрами будут 0.5-10 тонн за мегаватт. Согласен, не очень много проку от подобных цифр. Эффективность - процент энергии, которая действительно превращается в тягу. Остальное становится избыточным теплом и должно уходить через радиаторы.
T/W >1.0 = соотношение тяги к массе. Главное здесь - может ли космический аппарат взлететь с поверхности Терры? Если ответ "нет" - двигатель годится лишь для космических перелётов и орбитальных манёвров. Как правило, у практичных космических аппаратов это соотношение для взлёта с Земли находится где-то в районе 50-75.
Большинство двигательных систем делятся на две большие категории. Экономичные и мощные. Тут всё как с автомобилями - да, мощный двигатель способен вытянуть из любых ям, но жрёт галлон топлива на милю. В мире космических ракет экономичный двигатель означает высокое значение удельного импульса, (Isp) и высокую скорость истечения. Мощность же связана с высокой тягой.
Единственная сколько-то возможная двигательная система с высокой скоростью истечения и высокой тягой - ядерная ракета на солёной воде, и довольно большое количество учёных сомневаются в её реализуемости. Ну, чтобы не кривить душой, стоит помянуть и Проект Орион, только у него есть другие проблемы. (см. ниже). В научной фантастике зачастую поминается легендарный "термоядерный двигатель" или "факельный корабль", сочетающий высокую скорость истечения с высокой тягой, существование которого современная наука также ставит под сомнение.
Насколько мне позволяют мои ограниченные познания, всё упирается в защиту самого двигателя от испарения.
Fp = (F * Ve ) / 2
гдеПроблема в том, что достатчно высокие значения скорости истечения и тяги слишком высоко задирают количество ватт двигателя. В данном случае это "слишком" надлежит понимать следующим образом: даже малая доля этих ватт при её превращении в лишнее тепло достаточна, чтобы космический аппарат исчез в бело-голубой вспышке. Размер опасного тепловыделения определяется технологиями отвода тепла. Есть предел тому, сколько тепла может отвести какая-то технология, если не произойдёт неожиданного технологического прорыва.
Джерри Пурнелл сказал (в классическом сборнике A STEP FARTHER OUT) что скорость истечения в 28,800,000 см/с эквивалентна температуре в 5 миллионов градусов Кельвина.
Приблизительная оценка:
Ae = (0.5 * Am * Av2) / B
где
 Магнитное сопло
|
Чуть менее грубая оценка: Qe = (Ve / (Z * 129))2 * Pw гдеQe = температура в реакционной камере двигателя (градусов Кельвина) Ve = скорость истечения (м/с) Z = Фактор тепла-давления, отличается в зависимости от дизайна двигателя, обычно в пределах от 1.4 до 2.4 или около того. Pw = молекулярный вес реактивной массы, 1 атомного водорода, 2 для молекулярного Внутри звезды 5 миллионов Кельвина встречается, но вот чтобы где-то ещё? Как вы удержите температуры такой величины? Если же средство удержания можно смонтировать на корабле меньше "Куин Мэри", у него появляется иное назначение - как насчёт эффективной меры противодействия водородным бомбам? И это лишь начало. |
Ларри Нивен ввёл что-то похожее в своём цикле "Известный космос" - трубы кристаллического цинка вырабатывали вымышленное силовое поле, которое отражало энергию. Нивен особо не исследовал последствия этой технологии в той книге, но всерьёз поработал с ними в совместной с Джерри Пурнеллом "Мошка в зенице господней". Поле Лангсона применялось в двигателе корабля и в защитных силовых экранах. Оно поглощало и переизлучало энергию. Как защитное средство, поле могло поглощать энергию лазерных выстрелов и близких ядерных взрывов. Как привод, оно поглощало энергию термоядерной реакции и переизлучало её подобно фотонному приводу.
(И пожалуйста, не забывайте разницу "температуры" и "тепла". Искра в костре может обладать куда большей температурой, чем котелок с кипятком на том же костре, но при её контакте с телом вы можете даже боли не почувствовать, а от кипятка останутся ожоги второй степени. В контексте двигательной установки о большем "тепле котелка" следует думать как о силе тяги в ваттах)
Если у вас нет вымышленных силовых полей, вы не сможете запихнуть в свой двигатель больше тепла, чем 5 МВ/м2. Это теоретический предел, на самом деле цифра будет куда меньше. Грубый подсчёт даст следующее:
Rc = 0.12 * sqrt[H]
гдеПример: Скажем, ваша двигательная система обладает скоростью истечения 5.4e6 м/с и тягой 2.5e6 Ньютонов. поскольку Fp=(F*Ve)/2 мощность тяги составит 6.7e12 ватт. Итак, 6.7e12 ватт делим на 1.0e6 ватт на мегаватт, что даст нам 6.7e6 мегаватт. В конечном итоге уравнение сведётся к 0.12 * sqrt[6.7e6 МВ] = радиус камеры двигателя в 310 метров или треть мили диаметром. Ох ты ж блин.
В первом приближении, для большинства двигательных систем мощность тяги может приближаться к H. Вымышленные технологии могут как-то уменьшать процент лишнего тепла, доходящего до стен камеры сгорания, уменьшая H на какой-то процент
Пользуйтесь этим уравнением если H превышает 4,000 МВ или около того, и если двигатель относится к термальному типу (т.е., ядерный, термоядерный, или на антиматерии).
Альтернатива данному решению - магнитное сопло. Металлический каркас позволяет лишнему теплу уходить вместо испарения камеры двигателя. Магнитное поле не может испариться, поскольку не состоит из материи.
И не забудьте Урок Кзинов
Гордон Вудкок:
Определить возможности космического аппарата может оказаться непросто. Но, если корабль достаточно мощный, получится игнорировать гравитацию. Тогда всё несколько проще. Корабль ускоряется до максимальной скорости, затем поворачивается и тормозит до прибытия в нужную точку. Корабли с термоядерным и аннигиляционным двигателем смогут действовать именно таким образом. Они будут постоянно использовать двигатель, чтобы разгоняться, или чтобы тормозить.
(примечание редактора: так называемая "брахистохронная" траектория)В самом простом случае все значительные параметры отображаются в наглядной графической форме на одном рисунке. Этот нарисован для 90% реактивной массы как исходной массы корабля.
(примечание редактора: соотношение масс 10) Скорость истечения и начальное ускорение - шкалы графика. Дистанции до нескольких тел показаны на рисунке. Расстояние до Марса варьируется, я выбрал 150 миллионов километров. Время полёта и удельная энергия тоже показаны на рисунке. Удельная энергия показывает, сколько энергии получает корабль на килограм массы, то есть, общую энергию корабля поделенную на его массу. Реактивная масса не входит в данное значение массы.Пример: Допустим, ваш корабль способен выдать 100 кВ/кг двигателя. Вам хочется добраться к Юпитеру. На пересечении линиии 100 kW/kg и Юпитерка, видно значение 300,000 м/с (Удельный импульс Isp = 30,000) и начальное ускорение в 0.01g. Путешествие займёт около двух месяцев.
Верхняя часть графика показывает значения полёта к ближним звёздам. Даже кораблям поколений в дополнение к высокой скорости истечения потребуется что-то порядка 100 кВ/кг. Космический челнок "спейс шаттл" обладает 100 кВ/кг для своих трёх двигателей. Высокая энергетика межзвёздных перелётов требует использования электрических двигательных систем.
Есть буквально десятки так называемых "плазменных двигателей" на чертёжных досках разных инженеров современности. Доктор Джон Шиллинг свёл их в следующую таблицу с понижающейся вероятностью реализации:
Доктор Шиллинг сказал, что термин "плазменный ускоритель" можно с чистой совестью не относить к в основном электромагнитным схемам - вроде MPD, HET, VASIMR, PPT, PIT, и, возможно, M2P2.
Все двигатели, чьё название заканчивается на "MAX" требуют некоторых технологических прорывов для того, чтобы двигатель не испарился, а его камера не достигала абсурдно большого размера.
Если некоторые цифры слишком для вас малы, ради научной фантастики можно слегка их поменять и настаивать на том, что это сделал возможным какой-то прорыв технологий. Можно изменять всё, что не заканчивается на "MAX". Можно играть с Тягой, Массой двигателя, и/или эффективностью, но только не другими значениями. Если для вашего двигателя указано "MAX" - это значение - окончательный предел эффективности. (т.е., NTR-SOLID-DUMBO ни при каких условиях не получит значение тяги выше 7,000,000, как это указано в графе NTR-SOLID MAX ).
Двигатели отсортированы по мощности тяги, покольку она зависит и от скорости истечения и от тяги. Двигатели с высокими параметрами найдутся ближе к хвосту таблицы. Эти варианты полезны для тех, кому требуются корабли с возможностью эффективного взлёта и посадки наравне с эффективными перелётами среди планет.
Если кому-то нужен эффективный аппарат класса орбита-орбита, сортируйте лист по скорости истечения. Для аппаратов класса поверхность-орбита - по тяге.
Я создал граф этой информации. Файл pdf с этим графом лежит здесь.
| Двигатель | Мощность тяги (гигаватт) |
Скорость истечения (м/с) |
Тяга (ньютонов) |
Масса двигателя (тонн) |
T/W (отношение тяги к весу) >1.0 |
Требуемая энергия (мегаватт) |
Эффективность |
| Aluminum-Oxygen | 2,800 | ||||||
| Methane-Oxygen | 3,700 | ||||||
| Hydrogen-Oxygen | 4,500 | ||||||
| VASIMR (high gear) | 0.006 | 294,000 | 40 | 10+pp | no | 10 | 60% |
| VASIMR (med gear) | 0.006 | 147,000 | 80 | 10+pp | no | 10 | 60% |
| VASIMR (low gear) | 0.006 | 29,000 | 400 | 10+pp | no | 10 | 60% |
| ArcJet | 0.011 | 22,000 | 1000 | 15 | no | 30 | 48% |
| Monatomic-H MITEE | 0.015 | 12,750 | 2,350 | 0.2 | yes | ||
| Hybrid Electro-Thermal MITEE |
0.015 | 17,660 | 1,700 | 1-10 | no | ||
| AIM | 0.016 | 598,000 | 55 | ? | no | ||
| Solar Moth | 0.018 | 9,000 | 4,000 | 0.1 | no | Солнечный свет | 63% |
| Basic MITEE | 0.075 | 9,810 | 14,000 | 0.2 | yes | ||
| Colloid Electrostatic | 0.17 | 43,000 | 8000 | 20 | no | 200 | 85% |
| J x B Electric | 0.19 | 74,000 | 5,000 | 110 | no | 211 | 80% |
| NTR-SOLID (H2) | 8,093 | ||||||
| NTR-SOLID (CH4) | 6,318 | ||||||
| NTR-SOLID (NH3) | 5,101 | ||||||
| NTR-SOLID (H2O) | 4,042 | ||||||
| NTR-SOLID (CO2) | 3,306 | ||||||
| NTR-SOLID (CO or N2) | 2,649 | ||||||
| NTR-SOLID/NERVA | 0.198- 0.065 |
см. выше | 49,000 | 10 | no | ||
| Laser Thermal | 0.065 | 40,000 | 13,000 | 20 | no | 920 лазер | 30% |
| NTR-LIQUID/LARS | 0.2 | 19,620 | 20,000 | 1.0 | yes | ||
| Mass Driver | 0.3 | 30,000 | 20,000 | 150 | no | 350 | 90% |
| LANTR (Nerva mode) | 0.309 | 9,221 | 67,000 | ? | yes | ||
| LANTR (LOX mode) | 0.584 | 6,347 | 184,000 | ? | yes | ||
| Ion | 1.05 | 210,000 | 10,000 | 400 | no | 800 | 96% |
| D-T Fusion | 1.2 | 22,000 | 108,000 | 10 | yes | ||
| NTR-SOLID/NERVA Deriv (H2) | 1.35 | 8085 | 334,061 | 10.1 | yes | (1570) | |
| Metahelium He* | 1.4 | 43,000 | 64,000 | 10 | no | ||
| NTR-SOLID/PBed (H2) | 1.59 | 9,530 | 333,617 | 1.7 | yes | (1945) | |
| NTR-SOLID/CERMET (H2) | 2.03 | 9,120 | 445,267 | 9.0 | yes | (2000) | |
| AM-SOLID max | 2.4 | 10,791 | 440,000 | ? | yes | ||
| MPD | 3.1 | 314,000 | 20,000 | 1540 | no | 4000 | 79% |
| Chemical MAX | 3.8 | 4,500 | 1,669,000 | 2 | yes | ||
| Metahelium He IV-A | ? | 21,600 | ? | 10 | ? | ||
| AM-Gas max | ? | 24,500 | ? | ? | ? | ||
| NTR-GAS/Closed (H2) | 4.5 | 20,405 | 445,000 | 56.8 | no | ||
| ORION Fission | 5.7 | 43,000 | 263,000 | 200 | no | ||
| THS HI Fusion Pulse | 6 | 300,000 | 40,000 | 4 | yes | ||
| THS HT Fusion Pulse | 6 | 150,000 | 80,000 | 4 | yes | ||
| ACMF | 6.6 | 132,300 | 100,000 | ? | no | ||
| ORION Fusion | 10.7 | 73,000 | 292,000 | 200 | no | ||
| NTR-SOLID/DUMBO | 14.0- 4.6 |
см. выше | 3,500,000 | 5 | yes | ||
| Space Shuttle x3 SSME |
15.2 | 4,400 | 6,834,000 | yes | |||
| Single Saturn-V F-1 | 23 | 2,982 | 7,740,500 | yes | |||
| H-B Fusion | 30 | 980,000 | 61,000 | 300 | no | ||
| AM-Plasma/Water | 30 | 980,000 | 61,000 | 500 | no | ||
| Space Shuttle x2 SRB |
32 | 2,600 | 26,000,000 | yes | |||
| NTR-SOLID MAX | 42 | 12,000 | 7,000,000 | 15 | yes | ||
| NTR-LIQUID max | 56 | 16,000 | 7,000,000 | 70 | yes | ||
| NTR-GAS/Open (H2) | 61 | 35,000 | 3,500,000 | 30-200 | yes | ||
| Mini-Mag Orion | 66 | 210,000 | 625,000 | ? | yes? | ||
| NTR-GAS/Open 2nd Gen | 100 | 50,000 | 5,000,000 | 30-200 | yes | ||
| AV:T Fusion 3rd Gen Cruise Mode |
102 | 832,928 | 245,250 | ? | no | ||
| Saturn-V first stage x5 F-1 |
115 | 3,000 | 38,702,500 | yes | |||
| NTR-GAS MAX | 150 | 98,000 | 3,000,000 | 15 | yes | ||
| NTR-GAS/Coaxial (H2) | 157 | 17,658 | 17,800,000 | 127 | yes | ||
| He3-D Fusion | 192 | 7,840,000 | 49,000 | 1200 | no | ||
| AM-Plasma/Hydrogen | 192 | 7,840,000 | 49,000 | 500 | no | ||
| MC-Fusion MAX | 200 | 8,000,000 | 50,000 | 0.6 | yes | ||
| NSWR 20% enriched UTB | 427 | 66,000 | 12,900,000 | 33 | yes | ||
| IBS Agamemnon | 1,095 | 219,000 | 10,000,000 | ? | no | ||
| 1959 ORION 1st Gen | 1,600 | 39,000 | 80,000,000 | 1,700 | yes | ||
| AV:T Fusion 3rd Gen Combat Mode |
2,540 | 104,116 | 48,828,125 | ? | yes | ||
| 1959 ORION 2nd Gen | 24,000 | 120,000 | 400,000,000 | 3,250 | yes | ||
| NSWR 90% enriched UTB MAX | 31,000 | 4,700,000 | 13,000,000 | ? | yes | ||
| ORION MAX | 39,000 | 9,800,000 | 8,000,000 | 8 | yes | ||
| IC-Fusion MAX | 500,000 | 10,000,000 | 100,000,000 | 1000 | yes | ||
| H->He Fusion MAX | ? | 30,000,000 | ? | ? | yes | ||
| H->Fe Fusion MAX | ? | 50,000,000 | ? | ? | yes | ||
| AM-Beam MAX | 500,000 | 100,000,000 | 10,000,000 | 10 | ? | ||
| Photon | ? | 299,792,458 | ? | ? | ? |
Алюминий-кислородная химическая ракета: Алюминий с кислородом при горении дают удельный импульс около 285 секунд. Ничего примечательного, но только не для будущих лунных колоний. Алюминий с кислородом имеются в луном реголите. Ракета на этом топливе вполне может осуществить взлёт с Луны, посадку на Луну, или отбыть с гипотетической колонии в точке Л5 к Земле, посредством орбитального разгона вокруг Луны. Низкий удельный импульс более чем окупается тем, что не требуется импортировать горючее с Терры.
Метан-кислородная химическая ракета: Метан и кислород при горении дают удельный импульс в 377 секунд. Это самый лучший результат, который вообще доступен химической ракете, при условии, что её топливо должно иметь неограниченный срок хранения в космосе. Ракеты с лучшими по энергетике вариантами применяют куда менее стойкое топливо. Наиболее вероятный для них водород просто убегает и любой ёмкости. Жидкий метан и жидкий кислород останутся там, куда их поместили.
Водород-кислородная химическая ракета: Водород и кислород при горении приближаются к теоретическому пределу удельного импульса в 450 секунд. К сожалению, водород покидает любые ёмкости. Атомы водорода буквально просачиваются между составляющими молекулами топливного бака.
ACMF: ANTIPROTON-CATALYZED MICROFISSION / INERTIAL CONFINEMENT FISSION
AIM: ANTIPROTON-INITIATED MICROFUSION / INERTIAL CONFINEMENT FUSION
AM-Beam: ANTIMATTER BEAM CORE. Лучевой двигатель на антиматерии. Микроскопические количества антиматерии реагируют с равными количествами материи. Заряженные пионы используются как реактивная масса, вместо разогрева чего-то ещё. Магнитное сопло направляет их в желаемом направлении. Без технологического прорыва эта схема обладает крайне малой тягой. Все ракеты на антиматерии производят опасное количество гамма-лучей. Гамма-излучение и пионы могут привести к трансмутации компонентов двигателя в радиоактивные изотопы. Чем выше масса трансмутированных элементов, тем дольше проживут изотопы.
AM-Gas: ANTIMATTER GAS CORE. Двигатель на антиматерии с газовым ядром. Микроскопические дозы антиматерии реагируют с большим количеством воды или водорода. Интенсивная реакция превращает реакционную массу в плазму, которая покидает двигатель через сопла. Магнитное поле удерживает заряженные пионы, чтобы они нагревали реакционную массу. Незаряженные пионы в этом процессе не участвуют и покидают двигатель. Схема проигрывает AM-Solid по эффективности, но способна выдать больший удельный импульс. По достаточно сложному комплексу причин, космический аппарат с двигателем на антиматерии должен обладать соотношением масс ниже 4.9. Нижним значением вполне может стать 2. Не важно, сколь высоко потребное значение delta V, космическому аппарату потребно 3.9 тонн реакционной массы на тонну сухой массы, а количество антиматерии умещается в значение от микрограммов до граммов.
Ну, это не совсем так, если мы говорим о delta V для приближения к скорости света, но для повседневных межпланетных значений это верно.
AM-Plasma: ANTIMATTER PLASMA CORE. Двигатель на антиматерии с плазменным ядром. Аналог AM-Gas, но используется больше антиматерии, температура горючего поднимается до того градуса, когда материя трансформируется в плазму. Для её безопасного использования требуется магнитная ловушка.
AM-Solid: ANTIMATTER SOLID CORE. Двигатель на антиматерии с твёрдым ядром. Фактически, это схема NERVA, в которой вольфамовая мишень замещает реактор. Тринадцать микрограмм антипротонов каждую секунду аннигилируют. Пионы и гамма-излучение захватываются вольфрамовой мишенью и разогревают её. Вольфрамовая мишень разогревает водород. Конструкция обладает высокой тягой, но удельный импульс ограничен пределом конструкционной прочности (перевод с научного на человеческий: в какой-то момент наращивания мощности проклятый вольфрам попросту расплавится).
ArcJet: Водородное топливо разогревается электрическим разрядом.
AV:T Fusion: Вымышленный ттермоядерный двигатель с магнитной ловушкой из настольной игры the Attack Vector: Tactical. Использует пока неизвестные решения для направления тепла из термоядерного реактора через сопла вместо испарения реакционной камеры. Совсем как VASIMR, эта схема обладает "передачами", боевым режимом и крейсерским. В последнем случае удельный импульс (скорость истечения) увеличен за счёт тяги.
На иллюстрации, шипы - твёрдые графитовые теплорадиаторы. Клетка, из которой торчат шипы - магнитная ловушка. Сфера - отсек экипажа, а жёлтые прямоугольники - складные теплорадиаторы бортового реактора. Корабль в нижнем левом углу сигнализирует о сдаче раскрытием теплорадиаторов.
BEER: В рассказе Пола Андерсона "The Makeshift Rocket", один старикашка использовал грубую ракету из пивных бочонков, чтобы добраться к соседнему астероиду.
Химический: Водород-кислородный. Этот вариант используется на космиеских челноках "Space Shuttle". Список других видов химического топлива есть здесь
Colloid Electrostatic: Коллоид-электростатический двигатель. Похож на Ионный, только с маленькими каплями вместо ионов.
D-T Fusion: DEUTERIUM-TRITIUM FUSION. Дейтерий-тритиевый термоядерный двигатель. Топливо: дейтерий и тритий. Реактивная масса - литий. 1 атом дейтерия и 1 атом трития при реакции выделяют 17.6 МэВ энергии. Один гигаватт энергии получается из реакции жалких 0.00297 грамм Д-Т в секунду.
Учтите, что полураспад трития - жалкие 12.32 года. Трать сразу, или он испортится. Большинство дизайнов с тритием включают литий для производства нового трития.
H-B Fusion: HYDROGEN-BORON FUSION: Термоядерная реакция водорода и бора-11. Реактивная масса - водород. Бомбардировка бора-11 ионизированным водородом (атомы с протонами) даст 16 Мэв энергии, три альфа-частицы и никакой смертельной нейтронной радиации
Ну, вроде того. Текущие исследования показывают, что могут попасться отдельные нейтроны . Пол Дитц сказал, что придётся справляться с парой неприятных побочных реакций. Одна создаёт углерод-12 и гамма-лучи, другая - азот-14 и нейтрон. Первая чуть менее вероятна, чем желаемая реакция, но гамма-лучи опасны и обладают большой проникающей способностью. Вторая побочная реакция случается благодаря вторичным альфа-частицам.
Реакция водорода-бора порой называется "термоядерным синтезом" в противовес "термоядерному распаду".
Проблема в низкой тяге. Вымышленные двигатели из цикла книг Ларри Нивена "Известный космос" обладали сходным дизайном при куда большей тяге в миллионы ньютонов.
Слишком хорошо, для правды, так что я спросил "Где подвох?" Доктор Джон Шиллинг ответил:
Подвох в том, что протоны должны столкнуться с 300 кэВ энергии, и даже там область реакции крайне мала. Протонный луч на 300 кэВ в облаке плазменного бора по большей части пройдёт насквозь. При выстреле в твёрдую мишень - по большей части остановится без реакции. В любом случае, вам не хватит энергии, чтобы те, что прореагируют, оплатили разгон тех, что не вступили в реакцию.
Облако густой плазмы протон-бор при 300 кэВ - другое дело. Когда всё скачет и сталкивается, рано или поздно всё прореагирует. Но удержать плотную горячую плазму сколько-то продолжительное время не по силам нынешней технике. Мы всё ещё не можем осилить 25 кэВ дейтерий-тритиевой реакции.
Если вам по силам заставить работать это решение с приемлемой эффективностью, вы получите около десяти гигаватт-часов полезной энергии на килограмм топлива.
Профессор Н. Ростокер думает, что у них есть решение - сталкивающиеся лучи. Студент Алекс Чонг ищет методы превращения этой концепции в двигатель.
He3-D Fusion: HELIUM 3-DEUTERIUM FUSION. Термоядерный двигатель на гелии-3 и дейтерии Топливо - гелий3 и дейтерий. Реакционная масса - водород. Атом дейтерия и атом гелия-3 дают 18.35 МэВ энергии. Один гигаватт энергии доступен из реакции 0.00285 грамм топлива в секунду.
IBS Agamemnon: Межпланетный разгонный корабль Агамемнон из рассказа Джерри Пурнелла "жестянщик". Этот вымышленный корабль использовал разновидность ионного двигателя на кадмии с питанием от дейтериевой термоядерной реакции. Я подозреваю, что ни один реальный ионный двигатель не способен выдать подобную тягу. Быстрая прикидка на клочке бумаги в результате говорит о буквально тысячах подобных двигателей сколько-то реалистичного дизайна. При этом все они должны работать с максимальной эффективностью для обеспечения заявленной тяги.
IC Fusion: INERTIAL CONFINEMENT FUSION. Инерционный термоядерный двигатель. Частичка горючего бомбардируется со всех сторон импульсами лазеров или ускорителей частиц. Инерция топлива удерживает его на месте достаточное время, чтобы его большая часть вступила в термоядерную реакцию.
Ионный двигатель: калийный аргон ионизируется. Ионы ускоряются электростатически, электродами. Можно использовать и другие виды реактивной массы - например цезий или дробинки. При высокой скорости истечения, есть предел тяги - довольно низкий. Кроме того, есть проблема, общая для всех электрических двигателей низкой тяги. Как выразился некий инженер НАСА - "не получается найти хороший удлиннитель". Размер силовой установки заметно ограничивает возможности двигателя.
Если вас интересуют технические детали, прочтите следующие два параграфа за авторством доктора Джона Шиллинга.
И тут аналогичная проблема - если вы ускоряете ионы, у вас на руках небольшая камера с огромным количеством заряженных частиц. Заряд этого пространства отталкивает новые частицы, пока те, что уже в нём, не покинут это пространство. Ход реактивной массы через камеру замедляется.
Верхний предел тяги пропорционален сечению области ускорения частиц и квадрату градиента вольт в этой области и окружающем пространстве. Даже те стадии, когда начнутся пробои дуговых разрядов между поверхностями в вакууме, всё ещё не позволяют добиться высокой тяги.
Эрик Макс Фрэнсис добавил:
Есть предел изменения энергии у частицы. Иначе у вас в какой-то момент начнутся дуговые разряды в вакууме из-за разницы потенциалов. Таким образом, есть предел количеству вольт в энергии.
Чтобы получить высокую тягу, нужно загонять большее количество частиц в объём. Чем больше вы так делаете, тем ниже энергия отдельных частиц
Это физический предел. Ионные двигатели не обладают высокой тягой.
J x B Electric: "Jay cross Bee". Ускоритель накладывающихся плазменных полей. Разновидность магнитоплазмадинамического двигателя.
LANTR: LOX-AUGMENTED NUCLEAR THERMAL ROCKET. Кислородно-усиленная ядерная термальная ракета. Эта концепция работает с "обычным" водородом (H2). Ядерная термальная ракета использует подачу кислорода (O2) в двигатель. Этот кислород O2 действует как "дожигатель" топлива, что позволяет усилить (и варьировать) тягу за счёт понижения Isp
(Иначе это просто небольшой ядерный термальный двигатель)
Laser Thermal: лазерный термальный двигатель. Похож на Солнечный Мотылёк, но использует стационарный лазер вместо энергии Солнца. Фактически, эта схема оставляет силовую установку дома и полагается на лазер как замену невероятно длинному шнуру электрического провода.
Mass Driver: Ускоритель массы. Вёдра с прессованной каменной пылью разгоняются электромагнитами. Ведро пролетает вдоль рельс и остаётся на борту, пыль вылетает. За реактивную массу прокатит всё, что поместится в это ведро. Популярное решение у астероидных шахтёров, которые зачем-то решили переместить свою шахту на другую орбиту. Учтите, что подобная схема вполне может привести к созданию Орбитального Патруля.
MC Fusion: MAGNETIC CONFINEMENT FUSION. Термоядерный двигатель с магнитной ловушкой. Магнитная бутылка удерживает термоядерную реакцию. Крайне сложная задача. По словам учёных, это всё равно, что удержать большой куб желатина в паутине из резиновых жгутов. Решить эту задачу для получения магнитного сопла двигателя - ещё сложнее.
Meta-helium He*: SPIN-POLARIZED TRIPLET HELIUM. Спин-поляризованный триатомный гелий. Три атома гелия находятся в метастабильном состоянии. Возврат в нормальное состояние высвобождает 0.48 гигаджоулей на килограмм. Проблема в том, что гелий возвращается к норме спонтанно, время жизни нестабильной формы - жалкие 2.3 часа.
Meta-helium He IV-A: DIATOMIC METASTABLE HELIUM. Диатомный метастабильный гелий. Один атом нормального гелия и один возбуждённый формируют стабильную пару.
Трюк в том, чтобы удержать эту нервную штуковину от преждевременного взрыва за компанию с вашим космическим аппаратом. Топливо хранится в резонирующем волновом контейнере. Это ещё одна малопригодная для боевых условий двигательная система.
Mini-MagOrion: Мини-Орион. Топливо и реактивная масса - субкритические дробинки кюрия-245. Они сжимаются электродинамически в Z-образном магнитном поле, пока не достигнут критического значения. Импульс передаётся кораблю магнитным полем на ударный демпфер, совсем как у первых Орионов. Частота взрывов - 1 герц.
MITEE: MInature ReacTor EnginE. Миниатюрный реакторный двигатель. MITEE на самом деле целое семейство двигателей. Это небольшие устройства, пригодные для запуска на современном оборудовании.
Basic MITEE: базовый дизайн - довольно простая ядерная термальная ракета. В отличие от прошлых дизайнов, топливные элементы находятся в отдельных трубах, что заметно облегчает двигатель, а также слегка повышает его температурные характеристики и скорость истечения
Monatomic H MITEE: Эта схема работает на моноатомном водороде. При низком давлении в камере, часть H2 распадается на моноатомный водород, хотя в камере температура лишь чуть выше обычного. Недостаток в том, что это понижает массу потока через реактор, и ограничивает мощность реактора.
Hybrid Electro-Thermal MITEE: Гибридная электро-термальная схема. Индивидуальные трубы в реакторе позволяют ток части реактивной массы на большей скорости, пока другая часть идёт на меньшей, таким образом на выходе получаем гибридную электро-термальную схему. Холодный водород нагревается в секции высокого давления, расширяется в турбине генератора, затем перенагревается в секции низкого давления перед тем, как покинуть реактор через сопла. Электричество с турбины помогает разбить водород на моноатомный, что повышает скорость истечения. Поскольку это газовая система открытого цикла, ей не требуются большие радиаторы, что в значительной мере снижает весовые ограничения.
Подробнее здесь.
MPD: MAGNETOPLASMADYNAMIC. Магнитоплазмодинамический двигатель. Путешествующий волновой плазменный ускоритель. Реактивная масса - калий-насыщенный гелий.
NSWR: NUCLEAR SALT-WATER ROCKET. Ядерная ракета на солёной воде. Концепция доктора Зубрина, которую многие учёные считают весьма далёкой от практической реализации. Топливо - раствор 20% обогащённого уранового тетрабромхромида в воде (двухпроцентный раствор, 2 атома 20%го урана на 100 молекул воды). Плутониевая соль тоже годится. Топливные баки - пачка труб, завёрнутых в слой карбида бора для ловли нейтронов. Он предотвращает цепную реакцию. Топливо вбрасывается в длинную цилиндрическую трубу большого диаметра, таким образом не требуется сопло. Без нейтронной заглушки, топливо начинает реагировать. Критическая масса урана испаряет воду и струя пара уносит всё ещё реагирующий уран прочь.
Фактически это непрерывная детонация в развитие идей Орионов, с использованием солёной воды как реактивной массы. Доктор Зубрин описал это следующим образом: "Пока раствор подаётся в камеру из покрытых бором труб, состояние постоянной детонации движущейся жидкости можно поддерживать непрерывно." Он также заметил, что это позволяет непрерывное ускорение в противоположность импульсам проекта Орион.
Вопрос в том, как ограничить такие ядерные взрывы. Зубрин придерживается мнения о то, что грамотная подача воды позволит вынести сам взрыв за пределы камеры. По его мнению конвекция нейтронов сместит основную часть реакции к внешней стороне камеры. Другие учёные так не считают.
Вообще, такой космический аппарат весьма уязвим к повреждениям топливных баков (например, от враждебного залпа). Поломка труб - и у вас цепная ядерная реакция на борту.
Преимущество NSWR в том, что это единственное известное решение с высокой скоростью истечения и высокой же тягой. Недостаток - совмещение худших проблем Орионов и газовых ядерных ракет. Для начала, сам факт взлёта оставит симпатичный кратер довольно большого размера, при этом и он сам, и всё по ветру, будет светится красивым голубым светом по ночам ближайшие несколько сотен миллионов лет.
Зубрин вычислил, что 20% обогащённый урановый тетрабромид обладает удельным импульсом в 7000 секунд (скорость истечения 69,000 м/с ), что сравнимо с ионным двигателем. Но двигатель Зубрина лишён пределов тяги. В теории ему доступны тысячи мегаватт, поскольку всё избыточное тепло улетает прочь с корабля через двигатель. К тому же, двигатель сравнительно лёгкий, без массивных силовых установок.
Зубрин высказал предположение, что слой числой воды в главной камере может защитить стенки камеры как подвижный нейтронный рефлектор и охлаждать саму камеру и сопло двигателя. Вопрос лишь в эффективности подобной защиты.
Зубрин предложил образец конфигурации такого двигателя. В нём используется 2% (в численном соотношении) уранового бромида к воде. Уран обогащён до 20% U235. таким образом B2 = 0.6136 см-2 (материальная защита равна vΣf-Σa)/D) и D = 0.2433 см (коэффициент диффузии).
Радиус камеры 3.075 сантиметров. что даст A2 = 0.6117 см-2 и L2 = 0.0019. Поскольку нам желательна экпоненциальная детонация, k2 = 2L2 = 0.0038 см-2. Тогда k = U / 2D = 0.026 см-1 и U = 0.03.
Если скорость нейтрона 2200 м/с, скорость жидкости требуется поддерживать на 66 м/с. Это лишь 4.7% скорости звука в воде при комнатной температуре, так что проблем с впрыском топлива не предвидится.
Общее соотношение массы к потоку через камеру - 196 кг/с.
Полный распад U235 даст 3.4 x 1012 Дж/кг. Зубрин считает, что 0.1% (0.2% в центре топливного потока, с понижением до нуля на внешней стороне), не повредят материал стенок в ходе реакции. Это даст 3.4 x 109 Дж/кг.
Предположим, эффективность сопла 0.8, а итоговая скорость истечения 66,000 м/с или удельный импульс 6,7300 секунд. Общая мощность - 427 гигаватт. Тяга 12.9 меганьютонов. Соотношение тяги к массе около 40, так что масса двигателя - 33 метрических тонны.
Для экспоненциальной детонации kz на выходе из камеры должно иметь значение около 4. поскольку k = 0.062 см-1, длина камеры должна быть около 65 сантиметров, радиусом 3.075 см плюс длина сопла.
Далее Зубрин размышляет о продвинутой версии двигателя, пригодной для мезвёздного полёта. Скажем, наш 2% раствор уранового бромида использует обогащённый до 90% U235 вместо жалких 20%. Предположим, что мощность распада 90% вместо 0.1%. Также предположим, что эффективность сопла 0.9 вместо 0.8.
Это даст нам скорость истечения 4,725,000 м/с (около 1.575% c, удельный импульс 482,140 секунд). При соотношении масс 10, получим delta V в 3.63% c. Уже на что-то похоже...
NTR-GAS/Closed: CLOSED-CYCLE GASEOUS CORE FISSION / NUCLEAR THERMAL ROCKET AKA "Nuclear Lightbulb". Ядерная термальная газовая ракета закрытого цикла "атомная лампочка". Похожа на газовую термальную ракету, но урановая плазма содержится в кварцевых камерах. Хорошая новость - уран останется в двигателе. Плохая - скорость истечения вдвое меньше.
NTR-GAS/Coaxial: GASEOUS CORE COAXIAL FLOW FISSION / NUCLEAR THERMAL ROCKET
Ядерная термальная газовая ракета коаксиального потока.
NTR-GAS/Open: GASEOUS CORE FISSION / NUCLEAR THERMAL ROCKET Ядерная газовая термальная ракета с расходным ядерным двигателем. Лимит двигателя типа NTR-SOLID в скорости истечения ограничен точкой плавления реактора. Один из нетрадиционно мыслящих инженеров решил превратить недостаток в достоинство. Он спросил: "Что, если наш реактор уже расплавлен?"
Газообразный уран вводится в камеру, пока не начнётся цепная реакция. Затем водород бьёт в центр ядерного вихря со стен камеры, вынося тепло через сопла.
Проблема в том, что уран вылетает за компанию с водородом.
Реакция поддерживается в форме вихря, чтобы минимизировать потерю урана в сопла. Топливом служит гексафторид урана (U235F6), реактивная масса - водород. Альтернативный вариант - U235 добавляется длинным твёрдым бруском, постепенно вдвигаемым в огненный шар реакции. Потеря урана с выхлопом заметно снижает эффективность и ещё больше того бесит экологов.
В некоторых дизайнах камера реактора вращается как центрифуга. Тяжёлый уран при этом скорее останется внутри, чем покинет камеру. Последствия внезапной остановки центрифуги могут оказаться весьма... зрелищными.
Подробности отыщутся здесь.
При взлёте с поверхности эта ракета заметно снизит цену недвижимости вокруг космопорта... а также по всему региону. Выхлоп сравнительно безвреден в космосе, но имеет катастрофические последствия в атмосфере.
Занятно, что это почти лучшее возможное соответствие ракете из книжного сериала "Том Корбетт: космический кадет". Но книги довольно плохо описывают, является ли "Полярис" вариантом "атомной лампочки". По словам технического консультанта Уилли Лея, реактивной массой был водород, но в книгах говорится о жидком уране.
NTR-LIQUID: NUCLEAR THERMAL ROCKET / LIQUID CORE FISSION. Ядерная термальная ракета с жидким топливом. Похожа на газовую схему, но ядерное топливо лишь расплавлено, не газообразно.
NTR-LIQUID/LARS: NUCLEAR THERMAL ROCKET / Liquid Annular Reactor System. Подтип жидкостной ядерной ракеты. Подробно описана здесь
NTR-SOLID: NUCLEAR THERMAL ROCKET / SOLID CORE FISSION. Ядерная термальная ракета с твёрдым топливом. Крайне простая концепция. Поставьте ядерный реактор на сопло. Вместо того, чтобы подавать в реактор воду для паровой турбины - подавайте водород и направляйте выхлоп через сопло. Если водород при этом проходит через турбину, вы получаете 60 мегаватт энергии. Элементам реактора придётся быть прочными, иначе эрозия загрязнит выхлоп продуктами ядерного распада. Скорость истечения ограничена жаростойкими свойствами реактора.
Водород обладает лучшей скоростью истечения, но другие вещества могут служить топливом, если доступны в местных условиях. (Джерри Пурнелл называл это "заправкой на природе", а Роберт Зубрин - "утилизацией местных ресурсов", я же называю это "вон те добровольцы возьмут лопаты и закинут в бак что найдут"). Для термальных ракет в целом и данной конкретной в частности скорость истечения при данной температуре пропорциональна 1 / sqrt( молярная масса вещества)
Значение "водород" в таблице дано для молекулярного водорода т.е., H2. Моноатомный водород лучше, но к сожалению взрывается от малейшего чиха. (Хайнлайн звал его "моно-аш"). Другая причина избегать водорода - проклятая штука обладает слишком низкой плотностью. (Аммиак плотнее в добрых восемь раз!). Скорость истечения приведена для сравнительно реалистичной температуры в 3200 К для Водорода (H2), Метана (CH4), Аммиака (NH3), Воды (H2O), Углекислого Газа (CO2), Моноксида Углерода (CO), и Азота (N2).
Скорость истечения больше чем того можно ждать с учётом молекулярного веса топлива, поскольку при такой жаре они распадутся на составляющие атомы. Аммиак хорош тем, что распадается на газы (Водород и Азот). Метан плох своим распадом на водород и углерод, поскольку в двигателе остаётся сажа. Вода плоха тем, что не очень-то распадается на составляющие.
Доктор Джон Шиллинг выяснил, что примерно день полного хода приведёт к выгоранию топлива, требующему заменить топливный элемент. (в нём будет довольно много пригодных к реакции элементов, но продукты распада уменьшат эффективность передачи энергии) Система переработки может восстановить 55-95% этого топлива. Каждый полностью использованный килограмм плутония или высоко обогащённого урана (HEU) принесёт ~1E10 ньютон-секунд импульса при удельном импульсе около ~1000 секунд.
Доктор Шиллинг также предупредил, что есть минимальное значение потребной массы топлива. Имеет смысл говорить о 50 килограммах HEU и более.
Проблема с твердотопливными ядерными двигателями - коррозийные свойства реактивной массы:
окисление или
восстановление,
при нагреве до трёх тысяч градусов они лишь усиливаются. Без должного защитного покрытия реактивная масса начнёт портить реактор. Особо весело станет, когда пойдут растворяться топливные элементы. Что хуже, защитное покрытие против окислителя бесполезно против восстановителя - и наоборот. Это заметно снизит шансы на безопасную заправку чем попало. Защититься от того и другого сразу - кошмар материаловедов.
Окисляющее топливо - кислород, вода, углекислый газ. Восстановители - водород, аммиак, метан. Монооксид углерода не относится ни к тому ни к другому, поскольку один атом углерода не отдаст один атом кислорода.
Помните, эффект окисления/восстановления имеет значение только для твердотопливных ядерных двигателей. Только в них твёрдые топливные элементы подвержены влиянию реактивной массы для её нагрева .
Полезный документ - двухрежимный ядерный термальный реактор.
Допустим, ваш корабль - честный образец подвида NERVA, ядерной термальной системы. Обычно ему приходится работать несколько минут, а затем пребывать в бездействии остаток полёта. Перед каждым использованием реактор следует прогреть, а после использования - охладить. Каждый подобный цикл подвергает реактор стрессу. Процесс охлаждения вовлекает расход реактивной массы, с её проходом через реактор только для охлаждения вместо полезной тяги.
При этом, на всём протяжении полёта вашему космическому аппарату необходимо электричество для жизнеобеспечения, связи, радара, компьютеров и прочего.
Почему бы реактору не работать на то и другое сразу? (вот где истинное значение слова "двухрежимный" встанет в полный рост). Смотрите на диаграмму выше. Базовый двигатель типа NERVA получает контур производства энергии. Сам двигатель - "криогенный бак реактивной массы H2", турбонасос и термальный двигатель. Секция электростанции - генератор, радиатор, теплообменник и компрессор.
Разогрейте реактор один раз, произведите разгон, остановите поток реактивной массы и пользуйтесь теплообменником и радиатором для частичного снижения температуры реактора, после чего держите его тёплым на протяжении всего полёта ради производства электричества для корабля.
Это позволит обойтись всего лишь одним полным циклом нагрева/охлаждения вместо многократного повторения циклов ради каждого манёвра. Реактивная масса не расходуется зря, поскольку реактор охлаждается не ей. При этом реактор производит электричество. Дополнительный бонус - реактор всегда находится в близком к рабочему уровню режиме. В случае чего полный разогрев займёт гораздо меньше времени, чем для полностью заглушенного реактора.
Довольно умно придумано, а?
А компания Pratt & Whitney пошла ещё дальше. Они взяли двухрежимный двигатель за основу и объединили с двигателем типа LANTR чтобы в итоге получить трёхрежимный атомный термальный двигатель. Так называемый Тритон, он может работать как LANTR когда важнее тяга, в ядерном термальном режиме, когда нужен высокий удельный импульс, и в режиме электростанции.
NTR-SOLID/DUMBO: Это конкурент дизайна NERVA. Он пошёл на полку из-за политического решения, которое,
(для снижения цен разработки) требовало, чтобы оба
проекта использовали готовый дизайн сопла NERVA. К сожалению, это сопло не могло работать в режимах DUMBO связаных с активным охлаждением...
Зато этот дизайн обладал большим потоком массы, а стало быть и куда большей тягой. Тем не менее, дизайн был отложен, поскольку
[a] система НЕРВА пользовалась готовыми компонентами "со склада" и [b] инженеры знали, что чёрта с два им кто даст построить ядерную ракету поверхность-орбита, так что кого волнует это соотношение тяги к весу меньше нуля?
Дополнительная информация о двигателе этого типа есть в этом документе.
NTR-SOLID/NERVA: NUCLEAR ENGINE for ROCKET VEHICLE APPLICATIONS. Ядерный двигатель для ракетной техники. Первый тип твердотопливного ядерного двигателя. Реакторные топливные стержни окружал нейтронный отражатель. При соотношении тяги к весу меньше единицы, эта ракета не могла взлетать с поверхности Земли. Неадекватное течение реактивной массы приводило к потребности прогонять слишкм большое количество водорода через крайне узкие каналы в реакторе.
NTR-SOLID/PBed: PARTICLE BED / NUCLEAR THERMAL ROCKET Ядерная термальная ракета с галечным реактором. В этом дизайне мелкие частички ядерного топлива находятся в рабочем слое, через который проходит рабочая жидкость. Сам реактор вращается (около 3000 оборотов в минуту) вокруг своей длинной оси, так что окатыши топлива прижимаются к поверхности бака, через которую подаётся водород. Преимущество такой схемы - возможность сбросить отработанное топливо в конце цикла, что заметно уменьшает проблемы с избыточным теплом, необходимой изоляцией, а также техническим обслуживанием и перезаправкой.
ORION: CONSUMABLE NUCLEAR THERMAL ROCKET Орион. Расходная ядерная ракета, также известная как "старина Бум-Бум" Непревзойдённый образец расходной ядерной ракеты, основанный на принципе "петарда в консервной банке". Космический аппарат смонтирован прямо на бронированной плите амортизатора. Серия небольших (от 5 до 15 килотонн) взрывов за кормой толкает эту плиту. Можно сомневаться в том, что космический аппарат способен пережить такие нагрузки, но в том, что при этом вырабатывается значительная тяга, сомневаться не стоит. Корабль (или его фрагменты) получат её сполна. Кроме того, опорная плита защитит корабль от близких разрывов и вражеского огня. С другой стороны, я уже слышу шаманские завывания "зелёных". Место взлёта превратится в руины, а экипажу отобьёт задницы, спины и позвонки. Без дополнительных амортизаторов и защиты лучше не пробовать. В недавней докладной записке предполагается сведение загрязнения к минимуму. Если опорная плита - большой кусок брони в графитовой смазке, отходов будет крайне мало.
Если вам требуются детали, раздобудьте копию Aerospace Projects Review issue Volume 2, Number 2. Там вы найдёте чертежи, таблицы, а также много ранее не известных деталей. Ещё можете ознакомиться с этим pdf-файлом - копией рапорта GA-5009 vol III "Nuclear Pulse Space Vehicle Study - Conceptual Vehicle Design" компании General Atomics (1964). Там вы найдёте много таблиц, графиков и диаграмм.
Самый грустный секрет проекта "Орион" - его малая пригодность к чему-либо, кроме подъёма грузов на орбиту. Что как раз и является тем заданием, в попытках сорвать которое "зелёные" глотки сорвут. Кроме того, его запрещает договор об ограничении ядерных испытаний. У Орионов прекрасная тяга, что идеально годится для взлётов и посадок. Но крайне посредственные характеристики скорости истечения заметно урезают его орбитальный маневр.
С учётом сказанного, есть другая ситуация, в которой потребна высокая тяга. Военный корабль. Манёвр неравномерного движения затрудняет попадание. Кроме того, привод Орионов неплохо сочетается с лазерами с ядерной накачкой.
Каждый импульсный блок имеет отражатель для направления взрыва к опорной плите. Испарение значительного количества реактивной массы ударяет в плиту-аммортизатор. Фактически, это ядерный боеприпас направленного взрыва. Подрыв ускоряет корабль на 12 м/с. Аппарат массой 4000 тонн использует боеприпасы на 5 килотонн, массой 10 000 тонн - 15 килотонн. Для взлёта с поверхности используют меньшие заряды, на 0.15 и 0.35 килотонн соответственно. Плотная атмосфера на малой высоте значительно усилит эффект подрыва столь малых импульсных блоков. Реактивная масса - вольфрам, наполнитель канала - оксид берилла, радиационное покрытие - уран. Масса заряда на 5 килотонн - 850 килограмм.
Итак, гамма-лучи и прочая радиация от взрыва направляются ураном вверх, к фильтру из оксида берилла. Он поглощает радиацию и превращает её в тепло. Это тепло испаряет вольфрам, превращая его в струю плазмы. Удар плазмы в опорную плиту движет космический аппарат. Струя при этом имеет форму конуса 22.5 градусов. Около 85% взрыва направляется в желаемом направлении.
Импульсный блок обычного дизайна напрасно расходует большую часть энергии взрыва.
Атомный номер вольфрама (Z) 74. Испарение вольфрама создаёт конус плазмы сравнительно малой скорости и сравнительно широкий - (22.5 градуса). Если заменить вольфрам на материал с низким Z, плазма обретёт куда более стройную форму и куда большую скорость. Можно будет сэкономить на размерах плиты.
В итоге получится средней паршивости двигательная система, но прекрасное оружие. Вместо стены газа, толкающей опорную плиту, имеет смысл говорить о направленном энергетическом оружии. Проект Стратегической Оборонной Инициативы "гаубица-касаба" ("Casaba-Howitzer") рассматривал подобные варианты применения данной системы, но пока что всё ещё засекречен.
Таблица ниже взята из докладной записки 1959 года по проекту Ориона, и, вероятно, излишне оптимистична. Но её интересно читать. Для более точных вычислений ознакомьтесь со страницей 1 и страницей 2. Учтите, что вам потребуется глубокое знание математики.
| Модель | Межпланетный корабль |
Улучшенный Межпланетный Корабль |
| Общая масса | 4,000 тонн | 10,000 тонн |
| масса двигателя | 1,700 тонн | 3,250 тонн |
| Скорость истечения | 39,000 м/с | 120,000 м/с |
| Диаметр | 41 м | 56 м |
| Высота | 61 м | 85 м |
| Среднее ускорение | до 2g | до 4g |
| Тяга | 8e7 Н | 4e8 Н |
| Поток реактивной массы | 2000 кг/с | 3000 кг/с |
| Атмосферный заряд | 0.15 кт | 0.35 кт |
| Космический заряд | 5 кт | 15 кт |
| Число зарядов до 38,000 м | 200 | 200 |
| Общий эквивалент до 38,000 м | 100 кт | 250 кт |
| Число зарядов до орбиты 480 км | 800 | 800 |
| Общий эквивалент до орбиты 480 км | 3 мт | 9 мт |
| Δv 10 км/с соотношение масс (груз) | 1.2 (1,600 тонн) | 1.1 (6,100 тонн) |
| Δv 15.5 км/с соотношение масс (груз) | 1.4 (1,200 тонн) | 1.1 (5,700 тонн) |
| Δv 21 км/с соотношение масс (груз) | 1.6 (800 тонн) | 1.2 (5,300 тонн) |
| Δv 30 км/с соотношение масс (груз) | 2.1 (200 тонн) | 1.3 (4,500 тонн) |
| Δv 100 км/с соотношение масс (груз) | Невозможно | 2.2 (1,300 тонн) |
Другими словами, улучшенная модель Ориона способна доставить 1300 тонн (не килограммов ) полезной нагрузки к Энцеладу и обратно!
НАСА втихую продолжает исследования проекта Орион, теперь названного "внешний импульсный плазменный привод". Как заметил Джордж Дайсон, новая терминология лишена почти всех связей с "ядерным" и каких бы то ни было упоминаний слова "бомба"
Художник Рис Тэйлор недавно сделал эти трёхмерные иллюстрации и короткий фильм о гипотетическом полёте Ориона (Он пользуется удивительно мощной бесплатной программой Blender). Чтобы избежать разрушения места взлёта, космический аппарат набирает первые мили высоты на обычных ракетных бустерах с твёрдым химическим топливом.
Текущий проект мистера Тэйлора посвящён иллюстрациям к альтернативной истории, где американский (простите, я хотел сказать юсовский) и советский Орионы сражаются у Каллисто.
Photon: PHOTON DRIVE. Фотонный привод. На выходе не поток материи, а электромагнитное излучение огромного лазера. Преимущество конструкции в предельном возможном значении скорости истечения и высоком удельном импульсе. Недостаток - безумно высокие требования к энергетике.
Момент фотона описывается как p = E/c, где E - энергия фотона. Тяга фотонного потока составит ∂p/∂t = ∂E/∂t/c . Это упрощается как:
F = P/c
P = F * c
где :Другими словами, на жалкий Ньютон тяги нужно угробить долбаные триста сраных мегаватт!!
Solar Moth: SOLAR THERMAL ROCKET. Солнечная термальная ракета. Алюминиевый рефлектор 175 метров диаметром концентрирует солнечный свет на окне камеры нагревателя, после чего реактивная масса разогревается жидкостным регенеративным замкнутым нагревательным контуром. Половина зеркала - надувной баллон, другая половина прозрачна. Реактивная масса - водород с алкалоидными металлическими примесями. Главное преимущество этой схемы - у вас есть энергия, пока светит солнце. Недостаток - уже возле Марса эта схема не работает как того хотелось бы, а скорость истечения уменьшается до жалкого минимума. Зато это решение может стать неплохой аварийной заменой главному двигателю, поскольку оно в сравнении с чем угодно ещё крайне компактно для своей предполагаемой мощности.
THS Fusion Pulse: TRANSHUMAN SPACE FUSION PULSE. Вымышленный Инерционный термоядерный двигатель из ролевой игры GURPS: Transhuman Space. Как и VASIMR, он может разменивать удельный импульс (скорость истечения) на тягу.
VASIMR: VARIABLE SPECIFIC IMPULSE MAGNETOPLASMA ROCKET. Магнитоплазменная ракета переменного удельного импульса. Этот плазменный двигатель обладает занятной способностью "менять передачи". Это значит, что скорость истечения можно разменивать на тягу - и наоборот. В таблице указаны три значения. Больше информации вы найдёте здесь и здесь.
