Оригинал взят у ![]()
fonzeppelinв Проект межзвездного зонда "Призрак"
fonzeppelinв Проект межзвездного зонда "Призрак"Как должно быть уже известно читателям этого блога, я (его автор) весьма интересуюсь вопросами космонавтики, в частности - проблемами межзвездных перелетов. На данный момент, наиболее комплексно и детально вопросами концептов межзвездных зондов занимается международная некоммерческая организация "Икарус Интернейшенел", созданная в 2000-ых годах по инициативе ряда членов Британского Межпланетного Общества (British Interlplanetary Society - BIS).
В 2013 году, под эгидой "Икарус Интернейшенел" был объявлен конкурс на лучший концептуальный проект межзвездного зонда, способного за период не более 100 лет доставить научную нагрузку к одной из ближайших звезд. О победителе этого конкурса - проекте зонда "корабль-призрак" (представленного как раз под Хэллоуин 2013 группой молодых энтузиастов из Мюнхена) я и хотел бы рассказать:
![]()
Напомню условия конкурса:
* Зонд должен использовать только существующие в настоящее время технологии, и не требовать дополнительных фундаментальных прорывов в каких-либо направлениях.
* Зонд должен быть способен доставить полезную нагрузку в пределах 100-150 тонн к ближайшей звездной системе (в качестве таковой была выбрана Альфа Центавра).
* Зонд должен быть способен выполнить торможение у цели, и изучать систему с орбиты вокруг звезды, а не с пролетной траектории на околосветовых скоростях.
* Зонд должен выполнить всю свою миссию не более чем за 100 земных лет.
Проект "Корабль-Призрак" решал эти три задачи весьма оригинальным и рациональным (пускай и не всегда наиболее эффективным из возможных) способом.
Основа концепции
При разработке проекта, его авторы (также как и многие другие) основывались на использовании импульсного термоядерного двигателя на основе инерционного синтеза. Главной причиной была безусловная техническая реализуемость подобного привода. Двигатель такого типа работает на последовательном "поджиге" термоядерной реакции в топливной капсуле, заряженной смесью изотопов (например, дейтерия и трития): капсула сжимается наносекундным импульсом "обжимных" лазеров/излучателей частиц, расположенных кольцом вокруг нее, и в ней создается температура и давление, достаточные для начала термоядерной реакции. Продукты реакции, со скоростями истечения в тысячи и десятки тысяч километров в секунду выбрасываются из сопла, создавая двигательный импульс.
При этом проект "Корабль-Призрак" отличался от других использованием в качестве топлива реакции D-D (дейтерий-дейтерий). Большинство других проектов отбрасывало эту реакцию как невыгодную: скорость истечения ее продуктов почти вдвое меньше чем, например, у D-T (дейтерий-тритий) или D-He3реакций. Кроме того, почти 40% всей энергии при реакции дейтерий-дейтерий выделяется в виде нейтронного излучения, бесполезного в плане придачи кораблю двигательного импульса и создающего радиационную опасность для оборудования.
Однако, авторы "Призрака", признавая недостатки D-D реакции, обратили внимание на ее преимущества:
* Дейтерий является стабильным изотопом водорода - в отличие, например, от трития, имеющего период полураспада около 12,3 лет. Использование реакции D-T потребовало бы тащить с собой "нерационально большие" запасы трития, чтобы двигатель оставался работоспособным на протяжении не только фазы разгона, но и фазы торможения (т.е. через несколько десятилетий после старта).
* Дейтерий легкодоступен - в отличие от того же гелия-3, для массовой добычи которого пришлось бы создавать не вполне ясную на данный момент инфраструктуру.
Разумеется, нейтронная проблема при этом никуда не девалась - но создатели "корабля-призрака" предложили оригинальный способ обратить это неизбежное зло во вполне рациональное добро.
Общей проблемой инерционных термоядерных двигателей является огромный расход энергии на, собственно, запуск термоядерной реакции. Чтобы сжать капсулу до необходимых для начала термоядерной реакции условий, мощность излучателей должна быть запредельной. Значительно снизить затраты энергии помогает т.н. схема "быстрого воспламенения": при ней, кольцо "обжимных" лазеров только "обжимает" капсулу, не доводя до температур/давлений, при которых начинается термоядерная реакция. Поджиг же термоядерной реакции в "обжатой" капсуле осуществляется мощным импульсом осевого лазера-"зажигалки" (задача кольца "обжимных" лазеров в этой схеме по сути дела сводится к тому, чтобы не дать капсуле расширится, пока "зажигалка" доводит температуру/давление до необходимого предела).
![]()
Проблема в том, что даже в этой схеме затраты энергии для работы лазеров огромны. И вопрос "откуда взять энергию для лазеров?" является постоянной головной болью для проектировщиков межзвездных зондов.
* Простейшим, разумеется, представляется "независимое" решение - то есть лазеры питаются от отдельного источника (например, бортового ядерного реактора). Проблема в том, что этот самый реактор кораблю приходится тащить с собой - что означает сотни тонн дополнительной массы, которую нужно разгонять и тормозить (тратя тысячи тонн термоядерного топлива...)
* Более изящным является использование части энергии, собственно, термоядерной реакции для питания лазеров. Обычно это представляется в форме преобразования энергии продуктов реакции в электрическую, и запасения ее в неких конденсаторах. Это, безусловно, более эффективное решение, но оно по-прежнему требует сложных преобразователей и массивных конденсаторов.
Создатели "Корабля-Призрака" нашли более изящное решение. Они предложили использовать для розжига реакции лазеры с ядерной накачкой, накачиваемые, собственно, от нейтронного выхлопа предыдущей реакции.
Согласно их предложению, камера "воспламенения" окружена трубой, наполненной активной средой лазера - смесью из диоксида урана (в форме аэрозоля) и флюоресцентного газа. Когда в камере воспламенения происходит термоядерный микровзрыв 2-граммовой дейтериевой капсулы, выделяющиеся нейтроны пронизывают трубу, индуцируя распад атомов U-235. Выделяющиеся нейтроны накачивают флюоресцентный газ, вызывая вынужденное излучение - которое передается по светопроводам, концентрируется, и формирует лазерный луч для воспламенения следующей капсулы термоядерного топлива. Цикл повторяется снова и снова с частотой до 150 Герц.
Расчетная эффективность системы достигает примерно 8% - что, разумеется, смехотворно мало с точки зрения энергетического выхода, но потрясающе эффективно с точки зрения лазеров (которые, как правило, ОЧЕНЬ энергетически неэффективны). Потенциальная проблема - необходимость использовать расходуемые компоненты, поскольку диоксид урана и флюоресцентный газ расходуются при каждой вспышке. Однако, предварительные расчеты показывают, что даже с учетом "расходников", масса двигательной установки не превысит тысячи тонн - что примерно на порядок ниже, чем у "электрических" проектов, предполагающих использование бортового реактора или конденсаторов.
Авторы проекта весьма скромно предполагают, что скорость истечения их двигателя составит примерно 0,018 скорости света. Что представляется достаточно реалистичной оценкой (теоретический максимум для реакции D-D составляет 0,04 скорости света).
Дизайн корабля
![]()
В полностью смонтированном и заправленном виде, "Призрак" представляет собой ферменную цилиндрическую конструкцию диаметром около ста метров и длиной около полутора километров. Такие габариты необходимы, чтобы удалить двигатель, с его мощным нейтронным потоком, возможно дальше от чувствительного к радиации оборудования. Каркас корабля изготовлен из углеродных нанотрубок, что позволяет значимо экономить массу конструкции. Значительный диаметр связан с необходимостью каркаса выдерживать, не сминаясь, значительные нагрузки - в конце концов, тяга двигателя составляет почти 150 тонн!
При выбранной схеме двигателя, неизбежно выделение значительных количеств тепла. Поэтому солидную часть массы корабля составляет жидкостно-капельный радиаторна жидком алюминии. Капли алюминиевого расплава из теплообменника выбрасываются в пустоту с носа корабля, где они (благодаря крайне эффективному отношению площади поверхности к массе) быстро остывают за счет излучения тепла с поверхности, и подбираются приемным устройством на корме. После чего вновь поступают в теплообменник. Оценочная площадь радиатора - 7,6 квадратных километров, при эффективности выведения в 500 киловатт тепла на килограмм массы.
Профиль миссии:
Полностью снаряженный корабль будет иметь массу 153800 тонн - значительную, но по меркам проектов межзвездных зондов далеко не самую "неподъемную". Большую часть этой массы (сто пятьдесят тысяч тонн) составляют запасы дейтерия. "Сухая" масса конструкции корабля и его полезной нагрузки составляет всего 3800 тонн - иными словами, соотношение масс достигает 40,5.
После старта, "Призрак" ускоряется непрерывно с начальным ускорением около 0,01 м/с (0,001g) на протяжении первых полутора десятилетий полета. Фаза ускорения продолжается 15,6 земных лет - по ее завершении, корабль движется со скоростью 6% от скорости света.
Следующая фаза - крейсирование со скоростью 6% от скорости света. Оно занимает 54 земных года. После сброса пустых топливных баков, масса корабля уменьшается до 5156 тонн, из которых только 1356 тонн - оставшееся топливо.
На подходе к Альфе Центавре, корабль начинает торможение. Для этого он задействует свой магнитный парус (вернее, магнитный парашют), и за счет сопротивления межзвездной среды, сбрасывает скорость до 0,5% скорости света. Затем вновь включается термоядерный двигатель, и, сжигая остатки дейтерия, выполняет окончательное торможение, выводя корабль на орбиту звезды Альфа Центавра. После этого, "Призрак" выпускает исследовательские зонды, осуществляет с их помощью сбор научной информации и ее передачу на Землю.
В 2013 году, под эгидой "Икарус Интернейшенел" был объявлен конкурс на лучший концептуальный проект межзвездного зонда, способного за период не более 100 лет доставить научную нагрузку к одной из ближайших звезд. О победителе этого конкурса - проекте зонда "корабль-призрак" (представленного как раз под Хэллоуин 2013 группой молодых энтузиастов из Мюнхена) я и хотел бы рассказать:
Напомню условия конкурса:
* Зонд должен использовать только существующие в настоящее время технологии, и не требовать дополнительных фундаментальных прорывов в каких-либо направлениях.
* Зонд должен быть способен доставить полезную нагрузку в пределах 100-150 тонн к ближайшей звездной системе (в качестве таковой была выбрана Альфа Центавра).
* Зонд должен быть способен выполнить торможение у цели, и изучать систему с орбиты вокруг звезды, а не с пролетной траектории на околосветовых скоростях.
* Зонд должен выполнить всю свою миссию не более чем за 100 земных лет.
Проект "Корабль-Призрак" решал эти три задачи весьма оригинальным и рациональным (пускай и не всегда наиболее эффективным из возможных) способом.
Основа концепции
При разработке проекта, его авторы (также как и многие другие) основывались на использовании импульсного термоядерного двигателя на основе инерционного синтеза. Главной причиной была безусловная техническая реализуемость подобного привода. Двигатель такого типа работает на последовательном "поджиге" термоядерной реакции в топливной капсуле, заряженной смесью изотопов (например, дейтерия и трития): капсула сжимается наносекундным импульсом "обжимных" лазеров/излучателей частиц, расположенных кольцом вокруг нее, и в ней создается температура и давление, достаточные для начала термоядерной реакции. Продукты реакции, со скоростями истечения в тысячи и десятки тысяч километров в секунду выбрасываются из сопла, создавая двигательный импульс.
При этом проект "Корабль-Призрак" отличался от других использованием в качестве топлива реакции D-D (дейтерий-дейтерий). Большинство других проектов отбрасывало эту реакцию как невыгодную: скорость истечения ее продуктов почти вдвое меньше чем, например, у D-T (дейтерий-тритий) или D-He3реакций. Кроме того, почти 40% всей энергии при реакции дейтерий-дейтерий выделяется в виде нейтронного излучения, бесполезного в плане придачи кораблю двигательного импульса и создающего радиационную опасность для оборудования.
Однако, авторы "Призрака", признавая недостатки D-D реакции, обратили внимание на ее преимущества:
* Дейтерий является стабильным изотопом водорода - в отличие, например, от трития, имеющего период полураспада около 12,3 лет. Использование реакции D-T потребовало бы тащить с собой "нерационально большие" запасы трития, чтобы двигатель оставался работоспособным на протяжении не только фазы разгона, но и фазы торможения (т.е. через несколько десятилетий после старта).
* Дейтерий легкодоступен - в отличие от того же гелия-3, для массовой добычи которого пришлось бы создавать не вполне ясную на данный момент инфраструктуру.
Разумеется, нейтронная проблема при этом никуда не девалась - но создатели "корабля-призрака" предложили оригинальный способ обратить это неизбежное зло во вполне рациональное добро.
Общей проблемой инерционных термоядерных двигателей является огромный расход энергии на, собственно, запуск термоядерной реакции. Чтобы сжать капсулу до необходимых для начала термоядерной реакции условий, мощность излучателей должна быть запредельной. Значительно снизить затраты энергии помогает т.н. схема "быстрого воспламенения": при ней, кольцо "обжимных" лазеров только "обжимает" капсулу, не доводя до температур/давлений, при которых начинается термоядерная реакция. Поджиг же термоядерной реакции в "обжатой" капсуле осуществляется мощным импульсом осевого лазера-"зажигалки" (задача кольца "обжимных" лазеров в этой схеме по сути дела сводится к тому, чтобы не дать капсуле расширится, пока "зажигалка" доводит температуру/давление до необходимого предела).
Проблема в том, что даже в этой схеме затраты энергии для работы лазеров огромны. И вопрос "откуда взять энергию для лазеров?" является постоянной головной болью для проектировщиков межзвездных зондов.
* Простейшим, разумеется, представляется "независимое" решение - то есть лазеры питаются от отдельного источника (например, бортового ядерного реактора). Проблема в том, что этот самый реактор кораблю приходится тащить с собой - что означает сотни тонн дополнительной массы, которую нужно разгонять и тормозить (тратя тысячи тонн термоядерного топлива...)
* Более изящным является использование части энергии, собственно, термоядерной реакции для питания лазеров. Обычно это представляется в форме преобразования энергии продуктов реакции в электрическую, и запасения ее в неких конденсаторах. Это, безусловно, более эффективное решение, но оно по-прежнему требует сложных преобразователей и массивных конденсаторов.
Создатели "Корабля-Призрака" нашли более изящное решение. Они предложили использовать для розжига реакции лазеры с ядерной накачкой, накачиваемые, собственно, от нейтронного выхлопа предыдущей реакции.
Согласно их предложению, камера "воспламенения" окружена трубой, наполненной активной средой лазера - смесью из диоксида урана (в форме аэрозоля) и флюоресцентного газа. Когда в камере воспламенения происходит термоядерный микровзрыв 2-граммовой дейтериевой капсулы, выделяющиеся нейтроны пронизывают трубу, индуцируя распад атомов U-235. Выделяющиеся нейтроны накачивают флюоресцентный газ, вызывая вынужденное излучение - которое передается по светопроводам, концентрируется, и формирует лазерный луч для воспламенения следующей капсулы термоядерного топлива. Цикл повторяется снова и снова с частотой до 150 Герц.
Расчетная эффективность системы достигает примерно 8% - что, разумеется, смехотворно мало с точки зрения энергетического выхода, но потрясающе эффективно с точки зрения лазеров (которые, как правило, ОЧЕНЬ энергетически неэффективны). Потенциальная проблема - необходимость использовать расходуемые компоненты, поскольку диоксид урана и флюоресцентный газ расходуются при каждой вспышке. Однако, предварительные расчеты показывают, что даже с учетом "расходников", масса двигательной установки не превысит тысячи тонн - что примерно на порядок ниже, чем у "электрических" проектов, предполагающих использование бортового реактора или конденсаторов.
Авторы проекта весьма скромно предполагают, что скорость истечения их двигателя составит примерно 0,018 скорости света. Что представляется достаточно реалистичной оценкой (теоретический максимум для реакции D-D составляет 0,04 скорости света).
Дизайн корабля
В полностью смонтированном и заправленном виде, "Призрак" представляет собой ферменную цилиндрическую конструкцию диаметром около ста метров и длиной около полутора километров. Такие габариты необходимы, чтобы удалить двигатель, с его мощным нейтронным потоком, возможно дальше от чувствительного к радиации оборудования. Каркас корабля изготовлен из углеродных нанотрубок, что позволяет значимо экономить массу конструкции. Значительный диаметр связан с необходимостью каркаса выдерживать, не сминаясь, значительные нагрузки - в конце концов, тяга двигателя составляет почти 150 тонн!
При выбранной схеме двигателя, неизбежно выделение значительных количеств тепла. Поэтому солидную часть массы корабля составляет жидкостно-капельный радиаторна жидком алюминии. Капли алюминиевого расплава из теплообменника выбрасываются в пустоту с носа корабля, где они (благодаря крайне эффективному отношению площади поверхности к массе) быстро остывают за счет излучения тепла с поверхности, и подбираются приемным устройством на корме. После чего вновь поступают в теплообменник. Оценочная площадь радиатора - 7,6 квадратных километров, при эффективности выведения в 500 киловатт тепла на килограмм массы.
Профиль миссии:
Полностью снаряженный корабль будет иметь массу 153800 тонн - значительную, но по меркам проектов межзвездных зондов далеко не самую "неподъемную". Большую часть этой массы (сто пятьдесят тысяч тонн) составляют запасы дейтерия. "Сухая" масса конструкции корабля и его полезной нагрузки составляет всего 3800 тонн - иными словами, соотношение масс достигает 40,5.
После старта, "Призрак" ускоряется непрерывно с начальным ускорением около 0,01 м/с (0,001g) на протяжении первых полутора десятилетий полета. Фаза ускорения продолжается 15,6 земных лет - по ее завершении, корабль движется со скоростью 6% от скорости света.
Следующая фаза - крейсирование со скоростью 6% от скорости света. Оно занимает 54 земных года. После сброса пустых топливных баков, масса корабля уменьшается до 5156 тонн, из которых только 1356 тонн - оставшееся топливо.
На подходе к Альфе Центавре, корабль начинает торможение. Для этого он задействует свой магнитный парус (вернее, магнитный парашют), и за счет сопротивления межзвездной среды, сбрасывает скорость до 0,5% скорости света. Затем вновь включается термоядерный двигатель, и, сжигая остатки дейтерия, выполняет окончательное торможение, выводя корабль на орбиту звезды Альфа Центавра. После этого, "Призрак" выпускает исследовательские зонды, осуществляет с их помощью сбор научной информации и ее передачу на Землю.