Per aspera ad astra

" Факельный привод " — описывает класс реактивных двигателей характеризующихся высокой тягой и высоким удельным импульсом, и, следовательно, очень высокими мощностями. Этот термин несколько неточно определен, особенно в связи с тем, что определение "высокой тяги" и "высокой мощности" резко варьируется в зависимости от относительного технологического уровня, но ранние определения требовали, чтобы факельный корабль мог управлять устойчивой тягой по крайней мере одного сантиметра ( 0,098 м/с^2 ) с дельта-V по крайней мере 400 км/с. Все факельные двигатели используют высокоэнергетические ядерные реакции ( устойчивые или импульсные с высокой скоростью ), внешние по отношению к космическому аппарату, а магнитные поля используются для отклонения образующейся плазмы для создания тяги. Создавая реакцию вне основной структуры космического аппарата, нейтральные побочные продукты импульса излучения ( нейтроны, нейтральные пионы, рентгеновские лучи, гамма-лучи и тепловое излучение ) в основном испускаются в космос, не создавая условий для перегрева на борту космического корабля. Это позволяет двигателям очень высокой энергии, которые могут одновременно сочетать в себе как высокую тягу, так и высокую дельта-V. Наиболее распространенными видами факельных приводов, вероятно должны быть двигатели использующие инерционно-термоядерный синтез или конверсионного пучка. Другие системы, такие как Z-pinch Fusion и ядерное деление соленой воды также можно использовать, однако подобное приносит меньшую тягу и эффективность. Общие принципы: Факельный привод требует, чтобы один или несколько токоведущих контуров, окружающих область реакции, создавали магнитное поле, которое отклоняет плазму и исходящее от неё заряженное излучение от реакции привода. Как правило, эти петли сделаны из сверхпроводников, так как любой нормальный проводник быстро расплавился бы или испарился под действием больших токов, необходимых для создания настолько мощного магнитного поля. Так возбуждающие катушки опираются на опору с высокой прочностью на растяжение, чтобы противостоять обратной реакции магнитного тока от разрыва сверхпроводника. Эти катушки должны быть защищены от интенсивного нейтрального излучения, которое производит реакция привода. Это происходит потому, что с увеличением температуры при длительном использование, сверхпроводник попросту перестает быть таковым, теряя свои свойства. Так обычное экранирование от излишнего тепла представляет собой лист вольфрама с " V " -образным поперечным сечением под очень узким углом раскрытия, напоминающим лезвие ножа ( коим он и будет называться в дальнейшем для краткости ). Точка V обращена к источнику излучения, катушка поля проходит вдоль открытой вершины V. При очень малых углах падения вольфрам делает хороший отражатель рентгеновских лучей, так что большинство рентгеновских лучей просто отражаются под низкими углами от катушек поля. Кроме того, необходимо рассмотреть технологии привода, которые производят нейтроны. Поскольку атомы вольфрама намного тяжелее нейтронов, столкновение между ядром вольфрама и нейтроном приводит к тому, что нейтрон отскакивает с большей частью своей первоначальной энергии, доставляя в среднем только 1% своей энергии вольфрамовому экрану. Это как раз и рассеивает нейтроны от катушек поля. Узкий угол раскрытия означает, что кромка вольфрамового ножа по существу представляет собой лист, перпендикулярный входящему излучению, что позволяет получить большую площадь излучателя по сравнению с поперечным сечением, подвергающимся воздействию излучения. Скорость сублимации вольфрама становится проблематичной при температурах выше 3000 К, поэтому экран должен быть помещён достаточно далеко от реакции привода, чтобы поддерживать нужную температуру. Стоит упомянуть что в течение всего времени работы двигателя, экран не должен нагреваться выше 3695 к (температуры плавления вольфрама ), ведь при таких температурах вольфрамовые листы с лезвиями ножей излучают сверкающий желто-белый цвет с интенсивностью звезды М-класса или нити накаливания обычной лампы, какой вы могли бы увидеть у себя дома. При этом в действии Факельный привод появляется как яркая вспышка главным образом от теплового излучения вольфрамовых экранов - сама реакция привода испускает относительно мало видимого света по сравнению с этим. При соотношении сторон 200:1 для длины лезвия ножа к его ширине тепловой экран, поглощающий 1% падающего излучения и рассеивающий остальное, может выдерживать интенсивность падения 90 ГВт/м^2. Размер возбуждающих катушек устанавливается так, чтобы вольфрамовый экран оставался достаточно холодным, чтобы не сублимировался слишком сильно, и чтобы приводные импульсные огненные шары не соприкасались с вольфрамовым экраном. Поскольку вольфрамовый экран простирается на значительное расстояние к точке детонации ( расстояние от катушки поля до кончика экрана обычно в двести или более раз превышает ширину катушки ), катушка должна быть установлена достаточно далеко назад, чтобы кончик вольфрамового экрана не испарялся. Если существует несколько катушек создающих магнитное поле, то тепловой экран с лезвием одной катушки будет рассеивать нейтроны и излучать тепло на экраны других катушек, тем самым нарушая их способность выделять тепло. Следовательно, многие конструкции должны будут использовать только одну катушку, несмотря на снижение эффективности. При температуре в 3000 К вольфрамовый экран, защищающий катушки, будет излучать приблизительно 4,6 МВт / м^2 в виде теплового излучения из-за чего он будет светиться очень ярко, оправдывая своё название. В качестве примера рассмотрим факельный привод с катушками возбуждения шириной 2 см, четырёх метровыми тепловыми экранами в форме уже упомянутого лезвия ножа, которые подвергаются воздействию 90 ГВт/м^2, и 10 МВт нейтрального излучения, создаваемого импульсами привода. При такой интенсивности наконечник теплозащитного экрана может находиться на расстоянии до 9 метров от точки детонации, что создаёт излучающий диск с внешним радиусом 13 метров и внутренним радиусом 9 метров, который, таким образом, будет излучать 2,6 ГВт тепла и 76 ГЛМ световой мощности. Видимая яркость будет зависеть от угла наклона диска по отношению к наблюдателю, но если диск не расположен ребром, невооруженный человек прекрасно сможет увидеть диск коробля на расстоянии около одного миллиона километров ( гигаметр ). Факельный двигатель — это разновидность ракеты, при работе которого реактивная плазма образует ракетный выхлоп, а магнитное поле действует как ракетное сопло для передачи реактивной силы на катушку поля. Таким образом, должен существовать некий механизм передачи тяги от катушки возбуждения к основному корпусу космического аппарата. Для этого существуют два основных метода. Ракета может быть построена так, чтобы толкать космический корабль впереди себя, требуя сжатия лонжеронов для передачи силы; или она может быть построена, чтобы тянуть космический корабль позади себя, требуя растяжения кабелей для передачи силы. Тросы или лонжероны также должны быть защищены от нейтрального излучения, создаваемого импульсами привода вблизи места детонации. Космический аппарат с компонентами, грузом или экипажем, чувствительными к ионизирующему воздействию излучения, может также нуждаться в радиационной защите от нейтрального излучения и, в вытянутой конфигурации, от любого высокоэнергетического заряженного излучения, которое может присутствовать в выхлопе. Магнитное экранирование обычно используется для отклонения заряженного излучения. Нейтральное излучение поглощается теневым экраном, расположенным между двигателем и космическим аппаратом. Теневой экран обычно изготавливается из металла с очень высоким атомным весом, чтобы остановить фотоны ( обычно свинец или висмут, хотя вольфрам может быть использован, если теневой экран должен выдерживать высокие температуры ), прослоенный толстым слоем борированного полиэтилена, чтобы блокировать нейтроны, если это необходимо. Может потребоваться несколько слоев, так как фотоны с очень высокой энергией могут производить нейтроны из самого теневого экрана посредством фотоядерных реакций, а нейтроны испускают гамма-фотоны, когда захвачены ядром.  Разновидности: « Ядерная соленая вода » Используя высокообогащенный раствор тетрабромида урана, можно организовать непрерывную реакцию деления путём распыления достаточного количества топлива в реакционную камеру для развития критической массы. Топливо становится несколько опасным в случае утечки или засоров, но реакция может быть чрезвычайно энергичной, потенциально развивая скорость выхлопа порядка 1,6% от скорости света ( или 4725 км/с ). z-пинч Вместо того чтобы использовать приводные лучи для сжатия и нагрева топлива, через цилиндр плазмы пропускается ток в несколько мегаампер, генерирующий мощное азимутальное магнитное поле, которое сжимает и нагревает плазму. Высокоэффективные конструкции z-pinch с использованием топлива D-D или D-T могут развивать скорость выхлопа до 4% от скорости света, или 13 000 км/с. Во время же обычных межпанельных путешествий могут использоваться внешний слой литиевой плазмы в качестве части электрической цепи, части термоядерного топлива и части нейтронного экрана, но в конечном счете в качестве реакционной массы, что приводит к скорости выхлопа до 200 км / с. « Термоядерный синтез с инерционным удержанием. » Здесь лучи высокой интенсивности ударяют по топливной таблетке со всех сторон, нагревая ее поверхность до состояния плазмы. Когда плазма взрывается, она отталкивает оставшуюся часть гранулы, сжимая ее на один или несколько порядков. Термоядерная детонация обеспечивает импульс привода. Энергия, требуемая для приводных пучков, обычно составляет от 1% до 0,1% энергии на импульс, в зависимости от сложности нагревательного механизма. Обращение с отходящим теплом, создаваемым генератором луча, может быть серьёзной инженерной проблемой и потребует больших радиаторов, работающих при значительно более низких температурах, чем уже упоминаемые тепловые экраны с лезвиями ножей. Общие лучи драйвера — это лазеры, работающие на видимых, ближних ультрафиолетовых длинах волн, или пучках тяжёлых ионов. « D-T Инерционное удержание во время термоядерного синтеза » Согласно этой модели, топливо является покрытыми пластиком гранулами с начинкой из дейтериевого / тритиевого льда. Способ воспламенения довольно примитивен - либо ударный нагрев первичных приводных пучков воспламеняет топливо ( прямой привод ), либо второй, ультракороткий лазерный импульс воздействует на топливную таблетку при максимальном сжатии ( быстрое воспламенение ). Реакция D-T является самой простой реакцией синтеза для воспламенения, позволяя этим грубым методам воспламенения работать. Однако 80% энергии термоядерного синтеза теряется в виде нейтронного излучения. Кроме того, тритий радиоактивен, с периодом полураспада 388 мегасекунд - следовательно, топливо D-T не может храниться в течение длительного периода времени. Прямой привод этого типа довольно неэффективен, приводные лучи могут производить только импульсы, примерно в 10 раз превышающие энергию их луча. Из-за потерь энергии нейтронов и высокой энергии пучка импульсные приводы этой конструкции обычно нуждаются в дополнительном источнике питания для приводных Пучков ( хотя некоторые конструкции может быть окружена одеялом из расплавленного лития, чтобы восстановить энергию нейтронов и породить дополнительный тритий )( излишне говорить, что эти конструкции с литиевым покрытием могли работать только при относительно низкой мощности ). Быстрое зажигание D-T может подавать приводные импульсы примерно в 100 раз большей энергии луча, что позволяет получать некоторую энергию непосредственно из импульсной плазмы привода для питания пучков драйвера и воспламенителя, одновременно обеспечивая более высокую тягу. При 10% выгорании и 85% КПД сопла чистое топливо D-T обеспечивает скорость выхлопа в 0,9% от скорости света или 2700 км/с. Однако из-за пластической оболочки, необходимой для приведения в действие имплозии, типичные скорости выхлопа составляют около 0,5% c или 1500 км/с. « D-D Инерционное удержание термоядерного синтеза » D-D fusion имеет то преимущество, что топливо стабильно и легко доступно почти во всей вселенной; ценная особенность, когда речь идёт о более длительных путешествиях и ограниченных вариантах дозаправки. К сожалению, подавляющее большинство энергии, подаваемой каждым импульсом, теряется в виде рентгеновских лучей и быстрых нейтронов; очень нежелательное свойство для движения космических аппаратов. Реакция менее энергична, чем D-T, что также приводит к снижению скорости выхлопа. Реакция также труднее воспламеняется, чем D-3He, требуя очень мощных приводных пучковых решеток и, следовательно, больших излучателей. Производительность D-D fusion имеет тенденцию быть очень похожей на производительность D-T fusion. Использование литиевых оболочек или углеродных абляционных сопел для создания полезной тяги от высокого потока нейтронов может привести к скорости выхлопа до 100 км / с, что делает эту технологию сложной для строительства факельных кораблей. « Термоядерный синтез инерционного удержания D-3He » Передовые системы быстрого воспламенения могут быть использованы для детонации гранул с начинкой из дейтерий/гелия-3 льда. Хотя это требует относительно высокого отношения энергии пучка к энергии импульса ( таким образом, уменьшая общую мощность привода ), это позволяет использовать только легкодоступное топливо, которое может быть извлечено из любого газового гиганта или звезды без радиоактивных изотопов. Примерно 1/20 энергии импульса теряется в виде нейтронов в результате побочных реакций D-D синтеза, а 1/5 энергии импульса улетучивается в виде тормозных рентгеновских лучей. Остальные 3/4 энергии импульса доступны для движения вперёд. Поскольку сплав D-3He труднее воспламенить, даже при быстром зажигании, энергия импульса всего в 10 раз превышает энергию луча. Как правило, эта энергия извлекается из плазмы, в результате чего только около половины общей энергии импульса остаётся для движения вперёд. При 10% выгорании и 85% КПД сопла чистый D-3He обеспечивает скорость выхлопа 2,5% c или 7,800 км/с, хотя оболочка снижает ее примерно до 4300 км/с. Все другие конструкции, перечисленные ниже, использующие сплав D-3He, достигают аналогичных скоростей выхлопа. « Инициированная антиматерией микрофузия (AIM) » Топливо для приводов горелок AIM представляет собой гранулу покрытого пластиком дейтерия/гелия-3 льда с внутренним ядром из какого нибудь тяжёлого элемента, обычно урана или свинца. Приводные лучи ударяются о гранулу, и в момент максимального сжатия пучок нейтрального антиводорода выстреливается в гранулу с низкой релятивистской скоростью. Антипротоны проникают сквозь оболочку с низким атомным весом и топливо и медленно останавливаются в плотном ядре. При столкновении с ядром они аннигилируют-процесс, который производит один или два пиона и разбивает ядро на фрагменты. Горячие ядерные осколки быстро сбрасывают свою энергию в топливную смесь, нагревая ее до точки воспламенения. Этот метод позволяет зажигать с энергией импульса привода порядка 100-10 000 раз больше энергии пучка, в зависимости от количества используемого антиматерии.  Следовательно, при заданной мощности луча тяговая мощность может быть намного выше, чем при нерасширенном МКФ D-3He, и для движения вперёд требуется больше энергии, так как для питания приводных лучей требуется меньше энергии. Как и весь синтез D-3He, 1/4 энергии импульса теряется в виде нейтронов и тормозных рентгеновских лучей. Хотя создание и хранение антивещества представляет свои собственные трудности, легкость, с которой ICF может быть зажжен с помощью антипротонов, делает конструкцию и эксплуатацию этих приводов намного более простыми, чем ICF только для пучка, и рабочие примеры AIM-ICF предшествуют решениям. AIM позволяет использовать стабильное и легкодоступное топливо бор-11 в реакциях МКФ. Очень высокая температура плазмы реакций p-B11 означает, что 64% энергии импульса теряется в виде рентгеновских лучей, но менее 0,1% теряется в виде нейтронов, что несколько упрощает требования к экранированию. Скорость выхлопа p-B11 обычно ограничена 1000 км/с. Антиматерия В тепловых приводах с антиматерией гранула тяжелого металла, такого как Уран или свинец, содержит некоторое количество антиматерии, взвешенной в вакууме. Это выстреливается в магнитное сопло и взрывается с лучами драйвера. Поскольку управляющие пучки не должны обеспечивать какого-либо значительного сжатия, а должны просто разрушать оболочку из антивещества, энергия импульса управляющего пучка по существу ничтожна. Мощность, доступная для факельных приводов этой конструкции, зависит только от конструкции катушек возбуждения. Из-за высокой стоимости антивещества это обычно не используется для длительных толчков (и действительно, ограниченный удельный импульс этой системы делает длительные толчки довольно неэффективными с точки зрения топлива). Вместо этого приводы наведения могут иметь запас антиматерии-тепловые гранулы для ограниченного времени горения при высокой тяге. Скорость выхлопа для этого вида топлива, вероятно, будет ниже 100 км/С, но, вероятно, не ниже 30 км/с. Более высокие скорости выхлопа контрпродуктивны, поскольку они уменьшают отношение мощности к тяге.