2.1 Тепловой анализ: и тут появляется солнце…

Компьютерное моделирование диф. уравнений теплового анализа выполненное Джеймсом Сэлвэйлом (James Salvail) [2,3,4] показало, что на расстоянии 1 a.e. (Астрономической единицы) с 50-ю вложенными сферическими экранами и радиусом 1 м остается почти изотермической при начальной температуре 5⁰K, незначительным температурным градиентом и почти постоянной утечкой массы 17.8 нанограмм/см² за секунду. После моделирования 10-и летнего периода изначальная сфера из водородного льда сжалась до ледышки в 21 дюйма радиусом и полный срок ее жизни составил 12 лет. Уменьшение количества тепловых экранов с50 до 10 не оказало никакого влияния. Окраска внешнего экрана в черный цвет (для невидимости) дала утроение утечки массы до 53.8 нанограмм/см² за секунду и подняла температуру поверхности до 5.2⁰К. В этом случае время жизни сократилось до 4.2 года. Очевидно, что для нашего космического корабля зеркальность и длинный срок жизни предпочтительнее (ходя DOD предпочел бы невидимость).

Даже на расстоянии 0.1 а.е. глубоко внутри орбиты Меркурия сфера радиусом 1 м с 50-ю экранами на солнечной стороне нагревалась до 5.81⁰ K, имела утечку 1.06 микрограмм/см² за секунду и прожила 75 дней. 

На расстоянии 0.1 а.е. метровая сфера с 10-ю экранами на повернутой к Солнцу стороне имела температуру 6.39⁰K, имела утечку 10.5 микрограмм/см² за секунду и просуществовала 35дней. Эффект радиационных экранов важен при больших тепловых нагрузках, что понадобится учитывать если, скажем, миссия ледяной ракеты нуждается в гравитационном маневре вблизи Солнца.

Эффект влияния близкого ядерного или термоядерного взрыва, который мог бы произойти в случае сбоя работы двигателя или в результате аварии одного из путешествующих рядом космического корабля дублера моделировалось как временное, на 20 секунд, изменение гелиоцентрической дистанции от 0.1 до 0.01 а.е. где температура теплового равновесия для абсолютно черного тела 2808⁰ K. Если металлическая оболочка не расплавится при максимуме температуры (2361⁰ K), то водородный лед прилегающий к внешней оболочке достигнет максимума - 8.73⁰ K. cо скоростью испарения 4.7 миллиграмм/см² за секунду. Через 10 минут температура оболочки упадет до 5.58⁰ K (50-и слойная сфера) или до 5.79⁰ K (10-и слойная сфера), и за это время лед испарится на 2.5 см. 

При прочих равных условиях, срок жизни само-охлаждающейся водородной ледяной сферы, согласно оценкам модели, пропорционален к всем начальным параметрам для единичного радиуса в этих расчетах. Таким образом сфера радиусом 2 м имеет 24-х летний период жизни на расстоянии от Солнца 1 а.е. и два года на расстоянии 0.1 а.е. Для миссий в глубокий космос, и для сферы уже в несколько метров радиусом утечка становится чрезвычайно маленькой. [24]

Подобное моделирование было выполнено так же для плит и льдин цилиндрической конфигурации. [24]

Водородный лед сам по себе несовершенен как конструкционный материал. Исследовались различные методы армирования его волокнами из углерода и бора, а так же подмешивания частичек связывающей субстанции (montmorillonite clay). 

Анализ криогенных льдов и шуг (талый снег) был представлен в более ранней работе автора [4]. Для данной работы достаточно обратить внимание, что водородный лед имеет плотность 70.6 г/л при -262⁰ C, тает при 20⁰ К в жидкое состояние с плотностью 70.8 г/л при -253⁰ C. Шуга имеет промежуточную плотность, но выделяется рядом преимущества, и перед жидким, и перед твердым состояниями.

Предложенный ранее ракетный привод на антиматерии [29,30] предполагает, что запас водорода по сравнению с антиводородом будет больше, что позволит оптимизировать энергетику системы. В таком случае космический корабль следует создавать из водородного льда, но с дополнительным блоком в котором очень осторожно подвешен и изолирован запас антиводорода для которого концепция само-охлождения явно неприемлема.

Тяга на антиматерии требует ряда крупных научных достижений. Ядерной ракетной тяге крупные прорывы не требуется, а требуется обычный водород как отбрасываемая масса, предварительно разогретая реакцией деления, как это имеет место происходить в любом реакторе/двигателе. Но реакция деления не анализируется в этой работе. Двигатель на энергии термоядерного синтеза тоже пока требует крупных достижений [31]. Но если предположить что уже существует подходящий термоядерный реактор, который можно использовать в космосе, мы можем перевести наше внимание с водородного льда на более необычное топливо.