Корабль из водородного льда 

для полета межзвездного 

робота-зонда

Джонатан В. Пост

Jonathan Vos Post, F.B.I.S.

Британское общество межпланетных путешествий

["Компьюче Фьюче инкорпоретед". Активный член: 

Британского Межпланетного общества, Национального космического общества, 

Всемирной космической ассоциации, Института космических исследований, 

Планетологического сообщества.]*

Материал подготовлен для конференции "Автоматический межзвездный полет: готовы ли мы?", проходившей в Нью-Йоркском университете с 29 августа, по 1 сентября 1994 г. и опубликован в Журнале Британского межпланетного общества, JBIS, в апреле 1996 г.

*…и прочее, и прочее, и так далее, и тому подобное…:-)

Hydrogen Ice Spacecraft for Robotic Interstellar Flight by Jonathan Vos Post, F.B.I.S. (C.E.O., Computer Futures Inc.; Active Member: British Interplanetary Society, National Space Society, World Space Foundation, Space Studies Institute, Planetary Society)

Appears in: the Proceedings of Practical Robotic Interstellar Flight: Are We Ready?, New York University, New York City, 29 Aug-1 Sep 1994, and in Journal of the British Interplanetary Society, April 1996

РЕЗЮМЕ

Космический корабль, изготовленный из замороженного водородного льда (или дейтерия и трития) может использовать его как конструкционный материал, радиационную защиту, хладоген (радиатор) и топливо одновременно. Такой тип корабля, называется "автофагом" (autophage) самопожирателем (self-consuming) и позволяет достичь чрезвычайно низкой доли "мертвой" массы конструкции - показателя который является очень критическим при оптимизации межзвездной ракеты. 

Для снижения нестабильность водородного льда (таяние, испарение), в данной работе рассматривается специальная система его самоохлаждения. Сам по себе водородный лед является плохим материалом для силовых элементов конструкции, поэтому ниже обсуждаются различные варианты армирования его волокнами из углерода или бора.

Также проведена оценка различных вариантов термоядерного топлива, способного храниться в качестве льда, то есть в твердой форме, включая дейтерий, тритий, бор-11. Рассматривается идея упрочнения льда пропиткой лития ангидридом аммиака. В заключение сделана оценка релятивистской кинематики многоступенчатой ледяной ракеты (iceship). Показано, что если в качестве топлива применить замороженный дейтерий, то для пятиступенчатой ракеты с односторонней миссией (без торможения у цели) и долей мертвого веса на каждой ступени      10^-1 , а так же полной долей полезной нагрузки на каждой ступени 10^-5, зонд-исследователь на последней ступени приобретет скорость 0.64 с. Подобная миссия при постоянном ускорении ледяной ракеты в 0.0485 g достигла бы Альфа Центавра за 12.81 год, а при ускорении 1g, исследовательский зонд пронесется через соседнюю систему через 6.7 лет с момента запуска.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Титульный лист, резюме, оглавление.

1.0 Введение

2.0 Проект корабля из ледяного льда.

2.1 Тепловой анализ: и тут появляется солнце.

2.2 Литий или бор в водороде: ледяные изотопы.

3.0 Релятивистская кинематика.

3.1 Пять ступеней. Многоступенчатый подход / Результаты.

4.0 Перспективные исследования.

5.0 Выводы и Заключение

6.0 Ссылки

1.0 Введение

Будущие космические исследовательские миссии предъявляют необычно жесткие требования к конструкционным материалам космического корабля. Во многих случаях лучшим выходом будет использовать нетрадиционные материалы и решения. Космический корабль, созданный из замороженного твердого водородного льда (или дейтерия и трития) может использовать этот лед, как в качестве топлива, так и в качестве конструкционного материала, радиационного щита и даже охладителя (радиатора) [2,3,4,5,6,7].

Такой тип конструкции называется "автофаг" (сапопожиратель) и позволяет добиться крайне низкого значения доли мертвой массы ракеты (доля неполезной массы, оставшегося после сгорания всего топлива), которая является очень критическим параметром при оптимизации конструкции межзвездного корабля. [9] 

Хорошо известно, что водород из-за минимального молекулярного (атомарного) массы - идеальное вещество в качестве отбрасываемой реакетной материи. Но здесь куда важней соображения, связанные с минимизацией метровой массы судна, что существенно для многоступенчатой ракеты.

Для того чтобы подавить нестабильность (летучесть) водородного льда, нужно охладить его до5⁰ Кельвина (К) и мы должны поддерживать этот холод все время пока судно монтируется и заправляется возле Земли, сохранить этот холод в течении всего путешествия, несмотря на нагрев корабля от радиационного излучения, ударное воздействие межзвездной пыли и звездную ультрафиолетовую радиацию. Для этого ниже предложена специальная схема самоохлаждения льда. Водородный лед как конструкционный материал не способен выдерживать необходимые силовые нагрузки, поэтому специальные методы усиления его (армирование) углеродными или боровыми волокнами так же потребуют отдельного рассмотрения. Еще одно возможное решение по усилению механических свойств материала - пропитка льда дейтерида ангидридом амония.

Для ракеты на ядерном делении [12, 16] доля массы, превращенной в энергию приближенно составляет 7х10^-4, для термоядерного синтеза дейтерия грубо 4х10^-3. Предположим, что мы уже имеем двигатель на синтезе дейтерия с конверсионной долей (epsilon) = 4х10^-3, детали оставим инженерам. Предположим, что конструкционный материал, из которого построен корабль и есть топливо для него, а именно замороженный дейтерий. Предположим, что мы намерены совершить односторонний исследовательский полет без торможения у цели (с торможением массовое число увеличилось бы в квадрате). Примем, как принято в классическом случае [Subotowicz 19], что каждая ступень ракеты имеет одинаковое массовое отношение и скорость истечения реактивной массы. Тогда, как мы увидим в разделе по релятивистской кинематики, заметную скорость "по отсечке" (выключении) двигателя последней ступени можно добиться, если мы сможем сохранить долю мертвой массы ниже 10^-1 для каждой ступени. То есть только десятая часть от полезной массы будет бесполезно теряемой частью, после того как все топливо данной ступени израсходовано. Например, в случае ограничения только дейтериевым льдом в качестве топлива и пятиступенчатой схеме ракеты, в случае доли полезной нагрузки 10^-5, окончательная скорость пятой ступени будет составлять 0.64c. Если такое судно имеет постоянное ускорение 0.0485g, то оно достигнет Альфа Центавра через12.81 лет. Это же судно, ускоряемое с 1g, пронесется через эту же систему спустя, примерно,6.7 года.

Количественный анализ представлен в разделе о релятивистской кинематике многоступенчатой ледяной ракеты. Детали инструментария для пятиступенчатой системы так же показаны, период ее разгона и полета рассчитаны. Необходимые направления перспективных исследований отмечены. 43 ссылки перечислены.