Isang bagong panahon ng paggalugad sa kalawakan sa likod ng mga fusion rocket engine

2024 May -akda: Seth Attwood | [email protected]. Huling binago: 2023-12-16 16:18

Pangarap ng NASA at Elon Musk tungkol sa Mars, at malapit nang maging realidad ang mga manned deep space mission. Marahil ay magugulat ka, ngunit ang mga modernong rocket ay lumilipad nang kaunti kaysa sa mga rocket ng nakaraan.

Ang mga mabilis na spaceship ay mas maginhawa para sa iba't ibang mga kadahilanan, at ang pinakamahusay na paraan upang mapabilis ay sa pamamagitan ng nuclear powered rockets. Marami silang mga pakinabang kaysa sa mga conventional fueled rocket o modernong solar-powered electric rockets, ngunit sa nakalipas na 40 taon, ang Estados Unidos ay naglunsad lamang ng walong nuclear-powered rockets.

Gayunpaman, noong nakaraang taon, nagbago ang mga batas tungkol sa paglalakbay sa espasyo ng nukleyar, at nagsimula na ang paggawa sa susunod na henerasyon ng mga rocket.

Bakit kailangan ang bilis?

Sa unang yugto ng anumang paglipad sa kalawakan, kailangan ang isang sasakyang panglunsad - dinadala nito ang barko sa orbit. Ang mga malalaking makina na ito ay tumatakbo sa mga nasusunog na gatong - at kadalasan pagdating sa paglulunsad ng mga rocket, ang mga ito ay sinadya. Hindi sila pupunta kahit saan anumang oras sa lalong madaling panahon - tulad ng puwersa ng grabidad.

Ngunit kapag ang barko ay pumasok sa kalawakan, ang mga bagay ay nagiging mas kawili-wili. Upang malampasan ang gravity ng Earth at pumunta sa malalim na espasyo, ang barko ay nangangailangan ng karagdagang acceleration. Dito pumapasok ang mga nuclear system. Kung nais ng mga astronaut na tuklasin ang isang bagay sa kabila ng Buwan o higit pa sa Mars, kailangan nilang magmadali. Ang kosmos ay napakalaki, at ang mga distansya ay medyo malaki.

Mayroong dalawang dahilan kung bakit mas angkop ang mga mabilis na rocket para sa malayuang paglalakbay sa kalawakan: kaligtasan at oras.

Sa pagpunta sa Mars, ang mga astronaut ay nahaharap sa napakataas na antas ng radiation, na puno ng malubhang problema sa kalusugan, kabilang ang kanser at kawalan ng katabaan. Maaaring makatulong ang radiation shielding, ngunit ito ay napakabigat at habang mas matagal ang misyon, mas malakas na shielding ang kakailanganin. Samakatuwid, ang pinakamahusay na paraan upang bawasan ang dosis ng radiation ay ang makarating lamang sa iyong patutunguhan nang mas mabilis.

Ngunit ang kaligtasan ng crew ay hindi lamang ang benepisyo. Kung mas malalayong flight ang pinaplano namin, mas maaga kaming nangangailangan ng data mula sa mga unmanned mission. Inabot ng Voyager 2 12 taon upang maabot ang Neptune - at habang lumipad ito, nakakuha ito ng ilang hindi kapani-paniwalang mga larawan. Kung ang Voyager ay may mas malakas na makina, ang mga litrato at data na ito ay lumitaw sa mga astronomo nang mas maaga.

Kaya ang bilis ay isang kalamangan. Ngunit bakit mas mabilis ang mga nuclear system?

Mga sistema ngayon

Ang pagkakaroon ng pagtagumpayan ang puwersa ng grabidad, ang barko ay dapat isaalang-alang ang tatlong mahahalagang aspeto.

Tulak- kung anong acceleration ang matatanggap ng barko.

Episyente sa timbang- kung magkano ang thrust na kayang gawin ng system para sa isang partikular na halaga ng gasolina.

Tukoy na pagkonsumo ng enerhiya- kung gaano karaming enerhiya ang ibinibigay ng ibinigay na halaga ng gasolina.

Sa ngayon, ang pinakakaraniwang mga makinang kemikal ay ang mga conventional fuel-fueled rocket at solar-powered electric rockets.

Ang mga sistema ng chemical propulsion ay nagbibigay ng maraming thrust, ngunit hindi partikular na mahusay, at ang rocket fuel ay hindi masyadong masinsinang enerhiya. Ang Saturn 5 rocket na nagdala ng mga astronaut sa buwan ay naghatid ng 35 milyong newtons ng puwersa sa pag-alis at nagdala ng 950,000 gallons (4,318,787 litro) ng gasolina. Karamihan sa mga ito ay napunta sa pagkuha ng rocket sa orbit, kaya ang mga limitasyon ay halata: saan ka man pumunta, kailangan mo ng maraming mabigat na gasolina.

Ang mga electric propulsion system ay bumubuo ng thrust gamit ang kuryente mula sa mga solar panel. Ang pinakakaraniwang paraan upang makamit ito ay ang paggamit ng isang electric field upang mapabilis ang mga ion, halimbawa, tulad ng sa isang Hall induction thruster. Ang mga device na ito ay ginagamit sa pagpapagana ng mga satellite, at ang kahusayan ng mga ito sa timbang ay limang beses kaysa sa mga sistema ng kemikal. Ngunit sa parehong oras ay nagbibigay sila ng mas kaunting thrust - mga 3 newtons. Ito ay sapat lamang upang mapabilis ang kotse mula 0 hanggang 100 kilometro bawat oras sa loob ng dalawa't kalahating oras. Ang araw ay mahalagang pinagmumulan ng enerhiya, ngunit habang lumalayo ang barko mula rito, hindi gaanong kapaki-pakinabang ito.

Isa sa mga dahilan kung bakit ang mga nuclear missiles ay partikular na nangangako ay ang kanilang hindi kapani-paniwalang lakas ng enerhiya. Ang uranium fuel na ginagamit sa mga nuclear reactor ay may nilalamang enerhiya na 4 milyong beses kaysa sa hydrazine, isang pangkaraniwang kemikal na rocket fuel. At mas madaling maglagay ng ilang uranium sa kalawakan kaysa sa daan-daang libong galon ng gasolina.

Paano ang traksyon at kahusayan sa timbang?

Dalawang opsyong nuklear

Para sa paglalakbay sa kalawakan, ang mga inhinyero ay nakabuo ng dalawang pangunahing uri ng mga sistemang nuklear.

Ang una ay isang thermonuclear engine. Ang mga sistemang ito ay napakalakas at napakahusay. Gumagamit sila ng maliit na nuclear fission reactor - tulad ng sa mga nuclear submarine - upang magpainit ng gas (tulad ng hydrogen). Ang gas na ito ay pinabilis sa pamamagitan ng rocket nozzle upang magbigay ng thrust. Kinakalkula ng mga inhinyero ng NASA na ang isang paglalakbay sa Mars gamit ang isang thermonuclear engine ay magiging 20-25% na mas mabilis kaysa sa isang rocket na may isang kemikal na makina.

Ang mga fusion engine ay higit sa dalawang beses na mas mahusay kaysa sa mga kemikal. Nangangahulugan ito na naghahatid sila ng dalawang beses sa thrust para sa parehong dami ng gasolina - hanggang sa 100,000 Newtons ng thrust. Ito ay sapat na upang mapabilis ang kotse sa bilis na 100 kilometro bawat oras sa halos isang-kapat ng isang segundo.

Ang pangalawang sistema ay isang nuclear electric rocket engine (NEPE). Wala pa sa mga ito ang nalikha pa, ngunit ang ideya ay gumamit ng isang malakas na fission reactor upang makabuo ng kuryente, na magpapagana sa isang electric propulsion system tulad ng isang Hall motor. Iyon ay magiging napaka-epektibo - mga tatlong beses na mas mahusay kaysa sa isang fusion engine. Dahil ang kapangyarihan ng isang nuclear reactor ay napakalaki, maraming magkakahiwalay na de-koryenteng motor ang maaaring gumana nang sabay, at ang thrust ay magiging solid.

Ang mga nuclear rocket motor ay marahil ang pinakamahusay na pagpipilian para sa napakahabang mga misyon: hindi sila nangangailangan ng solar energy, napakahusay at nagbibigay ng medyo mataas na thrust. Ngunit para sa lahat ng kanilang promising kalikasan, ang nuclear power propulsion system ay mayroon pa ring maraming mga teknikal na problema na kailangang lutasin bago isagawa.

Bakit wala pa ring nuclear-powered missiles?

Ang mga makinang Thermonuclear ay pinag-aralan mula noong 1960s, ngunit hindi pa sila lumilipad sa kalawakan.

Sa ilalim ng charter ng 1970s, ang bawat nuclear space project ay isinasaalang-alang nang hiwalay at hindi maaaring magpatuloy nang walang pag-apruba ng isang bilang ng mga ahensya ng gobyerno at ang pangulo mismo. Kasabay ng kakulangan ng pondo para sa pananaliksik sa mga nuclear missile system, ito ay humadlang sa karagdagang pag-unlad ng mga nuclear reactor para magamit sa kalawakan.

Ngunit nagbago ang lahat noong Agosto 2019 nang maglabas ang administrasyong Trump ng isang presidential memorandum. Habang iginigiit ang pinakamataas na kaligtasan ng mga paglulunsad ng nuklear, pinapayagan pa rin ng bagong direktiba ang mga misyon ng nuklear na may mababang dami ng radioactive na materyal nang walang kumplikadong pag-apruba sa interagency. Sapat na ang kumpirmasyon ng isang ahensyang nag-isponsor tulad ng NASA na ang misyon ay sumusunod sa mga rekomendasyon sa kaligtasan. Ang malalaking misyon ng nuklear ay dumaan sa parehong mga pamamaraan tulad ng dati.

Kasama ng rebisyong ito ng mga patakaran, nakatanggap ang NASA ng $ 100 milyon mula sa 2019 na badyet para sa pagbuo ng mga thermonuclear engine. Ang Defense Advanced Research Projects Agency ay gumagawa din ng isang thermonuclear space engine para sa pambansang seguridad na mga operasyon sa kabila ng orbit ng Earth.

Pagkatapos ng 60 taon ng pagwawalang-kilos, posible na ang isang nuclear rocket ay mapupunta sa kalawakan sa loob ng isang dekada. Ang hindi kapani-paniwalang tagumpay na ito ay maghahatid sa isang bagong panahon ng paggalugad sa kalawakan. Ang tao ay pupunta sa Mars, at ang mga siyentipikong eksperimento ay hahantong sa mga bagong pagtuklas sa buong solar system at higit pa.