Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)

Переименовать в Двигатель Бассарда Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда (англ. Bussard ramjet) — концепция ракетного двигателя для межзвёздных полётов, предложенная в 1960 году физиком Робертом Бассардом (Robert W. Bussard).

Устройство двигателя

Основой концепции является захват вещества межзвёздной среды (водорода и пыли) идущим на высокой скорости космическим кораблём и использование этого вещества в качестве рабочего тела (либо непосредственно топлива) в термоядерном ракетном двигателе корабля. Захват вещества межзвёздной среды осуществляется мощным электромагнитным полем, в приближении имеющим конфигурацию широкой воронки, направленной вперёд по вектору скорости корабля. Предположительно, диаметр собирающего поля должен составлять тысячи или десятки тысяч километров. Существенной особенностью такой схемы будет являться практически полная топливная автономность корабля: будучи разогнанным имеющимся на борту запасом топлива до некоторой скорости, обеспечивающей достаточный приток межзвёздного водорода во входной коллектор, то есть до входа в «прямоточный режим», корабль сможет двигаться далее с постоянным ускорением, не выключая привода и не переходя на инерционный полёт.

Предложены два основных варианта использования захваченного межзвёздного водорода:

1. В качестве рабочего тела для ТЯРД, при собственном запасе термоядерного топлива на борту (RAIR).
2. Непосредственно в качестве термоядерного топлива.

Теория и проблематика концепции

Межзвёздная среда содержит вещество в количестве порядка 10⁻²¹ кг/м³, в основной массе — ионизированный и неионизированный водород, небольшое количество гелия и практически никаких других газов в заметном количестве. Соответственно, через коллектор корабля должен пропускаться объём пространства порядка 10¹⁸ м³ для сбора одного грамма водорода. Подобный объём требует огромного диаметра электромагнитного (электростатического ионного) собирающего коллектора и чрезвычайно большой напряжённости поля.

Пример расчета сбора межзвездного газа для случая радиуса поля захвата 50 км. Тогда R=50 000 м Площадь захвата=7 853 981 633,97 м2 Скорость (берем максимальную из раздела Ограничение на скорость) = 35 700 000 м/с Время = 1 сек Просеянный объем = 280 387 144 332 889 000 м3 Плотность среды = 1E-21 кг/м3 Полученная масса = 0,000 280 387 144 332 890 кг Т.е. идеально работающее поле радиусом 50 км при максимальной скорости будет захватывать в среднем 2,8 грамма межзведного газа за секунду (релятивистским замедлением времени пренебрегаем).

Исходя из состава межзвёздной среды (в основном водород), именно термоядерный синтез на водородной реакции был предложен Бассардом в первоначальной концепции двигателя. К сожалению, протон-протонный цикл непригоден для использования в силу исключительной трудности его осуществления в термоядерном реакторе. Соответственно, более пригодны термоядерные реакции других типов, в частности ²H + ²H → ³He + ¹n + 18 МэВ, или ²H + ³H → ⁴He + ¹n + 20 МэВ, но требуемые для них изотопы чрезвычайно редки в составе межзвёздной среды.

Выход, в принципе, был предложен в использовании термоядерных реакций CNO-цикла, где углерод является катализатором термоядерного горения водорода. Тем не менее в любом т. н. каталитическом цикле ядерного синтеза реакции протекают крайне медленно, и плотность мощности ничтожна (для сравнения: в центре Солнца энерговыделение составляет всего лишь порядка 1 ватта на кубический сантиметр). За время пролёта вещества даже при самых оптимистичных предположениях может прогореть лишь ничтожная его доля.

В 1974 году Алан Бонд предложил концепцию RAIR (ram-augmented interstellar rocket), разрешающую проблему трудноосуществимого термоядерного синтеза на протон-протонном цикле. В этой схеме входящий в коллектор протонный поток тормозится до энергии порядка 1 МэВ и бомбардирует мишень из изотопов литий-6 или бор-11. Реакция литий-протон или бор-протон осуществляется проще протон-протонной и даёт значительный выход энергии, которая увеличивает скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя. Такая термоядерная реакция может проходить и с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора.

В концепции двигателя Бассарда, в то же время, существуют значительные теоретические проблемы из-за фактора сопротивления межзвёздной среды — передача импульса от встречного потока вещества на коллектор и далее корабль, что требует превышения тяги двигателя над показателем сопротивления.

В настоящее время работа над концепцией производится в рамках теоретических изысканий.

Ключевая проблема «прямоточника» также в том, что «магнитная воронка» отнюдь не будет выполнять функцию массозаборника так, как предполагалось автором концепции. Скорее, она будет вести себя как «тормоз» (см. «Магнитная пробка», «Пробкотрон», «Адиабатический инвариант»).

Ограничение на скорость

Ещё одним недостатком термоядерного прямоточного двигателя (даже на наиболее эффективном протон-протонном цикле) является ограниченность скорости, которой может достичь оснащённый им корабль (не более 0,119c = 35,7 тыс. км/с). Это связано с тем, что при улавливании каждого атома водорода (который можно в первом приближении считать неподвижным относительно звёзд) корабль теряет определённый импульс, который удастся компенсировать тягой двигателя только если скорость не превышает некоторого предела. Для преодоления этого ограничения необходимо как можно более полное использование кинетической энергии улавливаемых атомов, что представляется достаточно трудной задачей.

Вывод  

{{{1}}}

.</math>

Теоретически достижимый импульс, с которым корабль может запустить атом гелия, можно получить из известного релятивистского соотношения между массой, энергией и импульсом:

<math>E_\text{He}^2/c^2 - P_{2}^2 = m_\text{He}^2 c^2.</math>

Энергия атома гелия (включая энергию покоя) не может превышать сумму масс четырёх атомов водорода, умноженную на квадрат скорости света:

<math>\max E_\text{He} = 4m_\text{H} c^2.</math>

Отсюда квадрат максимально достижимого импульса атома гелия:

<math>P_2^2 = (4m_\text{H})^2 c^2 - m_\text{He}^2 c^2.</math>

Если корабль в результате улавливания и использования четырёх атомов водорода не ускорился и не замедлился, значит, импульс, потерянный при их улавливании, равен импульсу, приобретённому в результате выброса атома гелия из сопла:

<math>P_1 = P_2,</math>

<math>P_1^2 = P_2^2,</math>

<math>\frac{(4m_\text{H})^2 v^2}{1 - v^2/c^2} = (4m_\text{H})^2 c^2 - m_\text{He}^2 c^2,</math>

<math>\frac{v^2/c^2}{1 - v^2/c^2} = 1 - \left( \frac{m_\text{He}}{4m_\text{H}} \right)^2,</math>

<math>\frac{v}{c} = \sqrt{\frac{1 - \left( \frac{m_\text{He}}{4m_\text{H}} \right)^2}{2 - \left( \frac{m_\text{He}}{4m_\text{H}} \right)^2}} \approx 0{,}119.</math>

}}

Концепции, связанные с двигателем Бассарда

Проблема торможения бассардовского корабля встречным потоком вещества привела к появлению концепции магнитного паруса (или парашюта). В этом случае электромагнитное поле коллектора поглощает энергию встречного звёздного ветра (либо межзвёздной среды) и передаёт тормозящий импульс на корабль. Таким образом, уменьшаются требования к расходу топлива на торможение в системе звезды — цели межзвёздного полёта. Концепция предложена Робертом Зубриным (Robert Zubrin) в конце 1980-х годов.

Соответственно, магнитный парус может быть использован и для разгона корабля в направлении от звезды, на потоке звёздного корпускулярного ветра.

Развитие этой идеи — ускорение (торможение) корабля с магнитным парусом с помощью мощного потока частиц, разогнанных стационарным планетарным (орбитальным) ускорителем. В данной схеме уменьшаются требования к запасу бортового топлива, используемого для разгона корабля.

Также предложена концепция «подготовленной трассы», в которой на траекторию будущего полёта прямоточного корабля заблаговременно (посредством стационарных установок) выводится поток мелкодисперсного термоядерного горючего.

Двигатель Бассарда в научной фантастике

Эта концепция нашла широкое распространение в фантастической литературе, в частности, на ней построен сюжет романа Пола Андерсона «Тау Ноль».

Принцип двигателя Бассарда используют инопланетяне в повести Тома Лигона «Эльдорадо». Их снаряд, «Всасывающий водород преследователь света», направляется точно на Солнце чтобы ударить в него и вызвать взрыв, аналогичный взрыву сверхновой. Обложка журнала «Если», где опубликована «Эльдорадо», демонстрирует один из вариантов дизайна двигателя Бассарда.

Практически все корабли Федерации из вселенной «Звездного пути» используют коллекторы Бассарда для сбора межзвездного газа с целью последующего использования в двигательно-энергетической системе корабля.

Двигатели космических кораблей во вселенной Рейнольдса «Космический Апокалипсис» (в романах они названы прямоточными Конджойнерскими двигателями) используют межзвездный водород в качестве топлива.

Космический корабль «Тезей» в романе Питера Уоттса «Ложная слепота» использует двигатель Бассарда.

Двигатель Бассарда многократно упоминается в серии «Известный космос» Ларри Нивена. В некоторых произведениях используется название «прямоточный двигатель» (ramjet).

Двигатель, «поглощающий межзвёздное вещество», используется у братьев Стругацких в рассказе «Частные предположения» на фотонном звездолёте «Муромец».

В романе «Фиаско» писателя Станислава Лема звездолет «Эвридика» использует двигатели, работающие на основе реакции термоядерного синтеза, топливом для которых служит водород космического пространства.

См. также

• Термоядерный ракетный двигатель
• Межзвёздные полёты

Ссылки

• [www.bisbos.com/rocketscience/spacecraft/bussardramjet/bussard.html Bussard Ramjet] (англ.)

Отрывок, характеризующий Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

Для князя Андрея прошло семь дней с того времени, как он очнулся на перевязочном пункте Бородинского поля. Все это время он находился почти в постояниом беспамятстве. Горячечное состояние и воспаление кишок, которые были повреждены, по мнению доктора, ехавшего с раненым, должны были унести его. Но на седьмой день он с удовольствием съел ломоть хлеба с чаем, и доктор заметил, что общий жар уменьшился. Князь Андрей поутру пришел в сознание. Первую ночь после выезда из Москвы было довольно тепло, и князь Андрей был оставлен для ночлега в коляске; но в Мытищах раненый сам потребовал, чтобы его вынесли и чтобы ему дали чаю. Боль, причиненная ему переноской в избу, заставила князя Андрея громко стонать и потерять опять сознание. Когда его уложили на походной кровати, он долго лежал с закрытыми глазами без движения. Потом он открыл их и тихо прошептал: «Что же чаю?» Памятливость эта к мелким подробностям жизни поразила доктора. Он пощупал пульс и, к удивлению и неудовольствию своему, заметил, что пульс был лучше. К неудовольствию своему это заметил доктор потому, что он по опыту своему был убежден, что жить князь Андрей не может и что ежели он не умрет теперь, то он только с большими страданиями умрет несколько времени после. С князем Андреем везли присоединившегося к ним в Москве майора его полка Тимохина с красным носиком, раненного в ногу в том же Бородинском сражении. При них ехал доктор, камердинер князя, его кучер и два денщика.
Князю Андрею дали чаю. Он жадно пил, лихорадочными глазами глядя вперед себя на дверь, как бы стараясь что то понять и припомнить.
– Не хочу больше. Тимохин тут? – спросил он. Тимохин подполз к нему по лавке.
– Я здесь, ваше сиятельство.
– Как рана?
– Моя то с? Ничего. Вот вы то? – Князь Андрей опять задумался, как будто припоминая что то.
– Нельзя ли достать книгу? – сказал он.
– Какую книгу?
– Евангелие! У меня нет.
Доктор обещался достать и стал расспрашивать князя о том, что он чувствует. Князь Андрей неохотно, но разумно отвечал на все вопросы доктора и потом сказал, что ему надо бы подложить валик, а то неловко и очень больно. Доктор и камердинер подняли шинель, которою он был накрыт, и, морщась от тяжкого запаха гнилого мяса, распространявшегося от раны, стали рассматривать это страшное место. Доктор чем то очень остался недоволен, что то иначе переделал, перевернул раненого так, что тот опять застонал и от боли во время поворачивания опять потерял сознание и стал бредить. Он все говорил о том, чтобы ему достали поскорее эту книгу и подложили бы ее туда.
– И что это вам стоит! – говорил он. – У меня ее нет, – достаньте, пожалуйста, подложите на минуточку, – говорил он жалким голосом.
Доктор вышел в сени, чтобы умыть руки.
– Ах, бессовестные, право, – говорил доктор камердинеру, лившему ему воду на руки. – Только на минуту не досмотрел. Ведь вы его прямо на рану положили. Ведь это такая боль, что я удивляюсь, как он терпит.
– Мы, кажется, подложили, господи Иисусе Христе, – говорил камердинер.
В первый раз князь Андрей понял, где он был и что с ним было, и вспомнил то, что он был ранен и как в ту минуту, когда коляска остановилась в Мытищах, он попросился в избу. Спутавшись опять от боли, он опомнился другой раз в избе, когда пил чай, и тут опять, повторив в своем воспоминании все, что с ним было, он живее всего представил себе ту минуту на перевязочном пункте, когда, при виде страданий нелюбимого им человека, ему пришли эти новые, сулившие ему счастие мысли. И мысли эти, хотя и неясно и неопределенно, теперь опять овладели его душой. Он вспомнил, что у него было теперь новое счастье и что это счастье имело что то такое общее с Евангелием. Потому то он попросил Евангелие. Но дурное положение, которое дали его ране, новое переворачиванье опять смешали его мысли, и он в третий раз очнулся к жизни уже в совершенной тишине ночи. Все спали вокруг него. Сверчок кричал через сени, на улице кто то кричал и пел, тараканы шелестели по столу и образам, в осенняя толстая муха билась у него по изголовью и около сальной свечи, нагоревшей большим грибом и стоявшей подле него.
Душа его была не в нормальном состоянии. Здоровый человек обыкновенно мыслит, ощущает и вспоминает одновременно о бесчисленном количестве предметов, но имеет власть и силу, избрав один ряд мыслей или явлений, на этом ряде явлений остановить все свое внимание. Здоровый человек в минуту глубочайшего размышления отрывается, чтобы сказать учтивое слово вошедшему человеку, и опять возвращается к своим мыслям. Душа же князя Андрея была не в нормальном состоянии в этом отношении. Все силы его души были деятельнее, яснее, чем когда нибудь, но они действовали вне его воли. Самые разнообразные мысли и представления одновременно владели им. Иногда мысль его вдруг начинала работать, и с такой силой, ясностью и глубиною, с какою никогда она не была в силах действовать в здоровом состоянии; но вдруг, посредине своей работы, она обрывалась, заменялась каким нибудь неожиданным представлением, и не было сил возвратиться к ней.
«Да, мне открылась новое счастье, неотъемлемое от человека, – думал он, лежа в полутемной тихой избе и глядя вперед лихорадочно раскрытыми, остановившимися глазами. Счастье, находящееся вне материальных сил, вне материальных внешних влияний на человека, счастье одной души, счастье любви! Понять его может всякий человек, но сознать и предписать его мот только один бог. Но как же бог предписал этот закон? Почему сын?.. И вдруг ход мыслей этих оборвался, и князь Андрей услыхал (не зная, в бреду или в действительности он слышит это), услыхал какой то тихий, шепчущий голос, неумолкаемо в такт твердивший: „И пити пити питии“ потом „и ти тии“ опять „и пити пити питии“ опять „и ти ти“. Вместе с этим, под звук этой шепчущей музыки, князь Андрей чувствовал, что над лицом его, над самой серединой воздвигалось какое то странное воздушное здание из тонких иголок или лучинок. Он чувствовал (хотя это и тяжело ему было), что ему надо было старательна держать равновесие, для того чтобы воздвигавшееся здание это не завалилось; но оно все таки заваливалось и опять медленно воздвигалось при звуках равномерно шепчущей музыки. „Тянется! тянется! растягивается и все тянется“, – говорил себе князь Андрей. Вместе с прислушаньем к шепоту и с ощущением этого тянущегося и воздвигающегося здания из иголок князь Андрей видел урывками и красный, окруженный кругом свет свечки и слышал шуршанъе тараканов и шуршанье мухи, бившейся на подушку и на лицо его. И всякий раз, как муха прикасалась к егв лицу, она производила жгучее ощущение; но вместе с тем его удивляло то, что, ударяясь в самую область воздвигавшегося на лице его здания, муха не разрушала его. Но, кроме этого, было еще одно важное. Это было белое у двери, это была статуя сфинкса, которая тоже давила его.
«Но, может быть, это моя рубашка на столе, – думал князь Андрей, – а это мои ноги, а это дверь; но отчего же все тянется и выдвигается и пити пити пити и ти ти – и пити пити пити… – Довольно, перестань, пожалуйста, оставь, – тяжело просил кого то князь Андрей. И вдруг опять выплывала мысль и чувство с необыкновенной ясностью и силой.
«Да, любовь, – думал он опять с совершенной ясностью), но не та любовь, которая любит за что нибудь, для чего нибудь или почему нибудь, но та любовь, которую я испытал в первый раз, когда, умирая, я увидал своего врага и все таки полюбил его. Я испытал то чувство любви, которая есть самая сущность души и для которой не нужно предмета. Я и теперь испытываю это блаженное чувство. Любить ближних, любить врагов своих. Все любить – любить бога во всех проявлениях. Любить человека дорогого можно человеческой любовью; но только врага можно любить любовью божеской. И от этого то я испытал такую радость, когда я почувствовал, что люблю того человека. Что с ним? Жив ли он… Любя человеческой любовью, можно от любви перейти к ненависти; но божеская любовь не может измениться. Ничто, ни смерть, ничто не может разрушить ее. Она есть сущность души. А сколь многих людей я ненавидел в своей жизни. И из всех людей никого больше не любил я и не ненавидел, как ее». И он живо представил себе Наташу не так, как он представлял себе ее прежде, с одною ее прелестью, радостной для себя; но в первый раз представил себе ее душу. И он понял ее чувство, ее страданья, стыд, раскаянье. Он теперь в первый раз поняд всю жестокость своего отказа, видел жестокость своего разрыва с нею. «Ежели бы мне было возможно только еще один раз увидать ее. Один раз, глядя в эти глаза, сказать…»
И пити пити пити и ти ти, и пити пити – бум, ударилась муха… И внимание его вдруг перенеслось в другой мир действительности и бреда, в котором что то происходило особенное. Все так же в этом мире все воздвигалось, не разрушаясь, здание, все так же тянулось что то, так же с красным кругом горела свечка, та же рубашка сфинкс лежала у двери; но, кроме всего этого, что то скрипнуло, пахнуло свежим ветром, и новый белый сфинкс, стоячий, явился пред дверью. И в голове этого сфинкса было бледное лицо и блестящие глаза той самой Наташи, о которой он сейчас думал.
«О, как тяжел этот неперестающий бред!» – подумал князь Андрей, стараясь изгнать это лицо из своего воображения. Но лицо это стояло пред ним с силою действительности, и лицо это приближалось. Князь Андрей хотел вернуться к прежнему миру чистой мысли, но он не мог, и бред втягивал его в свою область. Тихий шепчущий голос продолжал свой мерный лепет, что то давило, тянулось, и странное лицо стояло перед ним. Князь Андрей собрал все свои силы, чтобы опомниться; он пошевелился, и вдруг в ушах его зазвенело, в глазах помутилось, и он, как человек, окунувшийся в воду, потерял сознание. Когда он очнулся, Наташа, та самая живая Наташа, которую изо всех людей в мире ему более всего хотелось любить той новой, чистой божеской любовью, которая была теперь открыта ему, стояла перед ним на коленях. Он понял, что это была живая, настоящая Наташа, и не удивился, но тихо обрадовался. Наташа, стоя на коленях, испуганно, но прикованно (она не могла двинуться) глядела на него, удерживая рыдания. Лицо ее было бледно и неподвижно. Только в нижней части его трепетало что то.
Князь Андрей облегчительно вздохнул, улыбнулся и протянул руку.
– Вы? – сказал он. – Как счастливо!
Наташа быстрым, но осторожным движением подвинулась к нему на коленях и, взяв осторожно его руку, нагнулась над ней лицом и стала целовать ее, чуть дотрогиваясь губами.