2.0 Проект коробля из водородного льда
Джейм Б. Стефенс (James B. Stephens) в JPL первым (в 1984 и 1985 соответственно ссылкам автора) предложил накапливать водородное топливо на низкой орбите Земли без использования для этого топливных баков, основываясь на своем опыте 20-и летнего изучения ядер комет. Он указал массу преимуществ (перечислен ниже) включая и возможность использование "самородного" (переохлажденного) водородного льда на орбите для сверхпроводящих электронных систем в низко-шумных высокочувствительных длино-волновых датчиках. Джеймс Стефенс представил эту свою идею в 80-х годах как в NASA, так и в Департамент Обороны, но она не вызвала большого интереса. Тогда автор предложил концепцию межпланетной и межзвездной ледяной ракеты, которая будет использовать один и тот же материал как топливо и как структурный элемент, радиационную защиту и хладоген. [2,3,4,5,6,7] Идеальный космический корабль может быть легким и недорогим, использовать эффективное топливо в виде шаров из водородного льда, которые к тому же будут служить и структурным элементом, каркасом ракеты.
Водород в качестве конструкционного материала выглядит очень "экзотично", так как имеет механический предел прочности как у масла, но он составляет более чем 75% всего вещества во вселенной и стоит 10$ за фунт. Этот материал можно сделать прочным, армируя его, то есть, пронизывая лед тонкими волокнами углерода или бора, а так же смешивая его с другими частицами-наполнителями.
Шары из упрочненного водородного льда будут служить как несущий элемент конструкции, затем они отделяются и плавятся или превращаются в талый снег (шугу) которая направляются в термоядерный реактор как топливо. Таким образом, почти все вспомогательные части корабля используются в процессе разгона как топливо. Как полагал автор, подобная технология подобна сцене в фильме братьев Маркс "На Запад!", где Грушо, Харпо и Чико сжигают в топке локомотива сначала дрова, потом мебель, а потом и сам вагон. Подобная сцена имеется и в "Вокруг света за 80 дней", где Вилли Фог сжигает части отделки парохода "Генриетта" чтобы завершить в срок последнюю часть своего путешествия. [8]
Такой тип корабля называют "автофаг" (самопожиратель) и в нем достигается крайне низкое значения доли мертвой массы, величина которой очень критична при оптимизации межзвездного судна [9].
Несколько раньше, но более консервативно, Астон (Aston [10]) предложил использовать отработанное ядерное топливо как реактивную массу. (В ядерной ракете урановое топливо-энергоноститель не выбрасывается за борт, а остается мертвым грузом в реакторе, питающем например ионный двигатель. Астон предложил выкидывать через такой двигатель и отработанное ядерное топлива из реактора. Прим. переводчика)
Нордлей (Nordley[11]) развивает идею Астона и говорит следующее:
"В качестве потока реактивных ионов могут использоваться не только тяжелые атомы, но и все что только возможно, дабы максимизировать отношение отброшенной массы к массе корабля и таким образом минимизировать размер конструкции и массу. Это особенно важно при межзвездном полете, где нужна очень высокая скорость истечения реактивной массы и может потребоваться уменьшения массы энергетического модуль. Но если использовать более легкое горючее, это снизило бы необходимое напряжение поля в разгонных ступенях [ионного двигателя] для достижения заданной скорости истечения. Таким образом, эта идея [Астона] могла бы быть расширена также и на уже ненужные части космического корабля. Заряженные атомы алюминия или кремния достигли бы [в ионном двигателе] примерно в 4.7 раза большей скорости по сравнению с заряженными атомами Ксенона и приблизительно в 8.7 раза большую скорость по сравнению с ионами урана в одном и том же электрическом поле."
Автофаг из водородного льда доводит концепцию Астона и Нордлея к логическому концу и является в этом смысле самым экстремальным решением.
Чтобы уменьшить летучесть водородного льда Джеймс Стефенс детально разработал специальную схему самоохлаждения, которую количественно проанализировал Джеймс Сэльвэйл (James Salvail) в Гавайском университете (University of Hawaii). Она показана на рис. 1 и описана ниже.
Рис1. Схема самоохлаждающейся ледяной сферы.
(восстановлена по описанию. Оригинальный рисунок в исходном тексте отсутствовал. прим. перев.)
1 - внешний экран-оболочка с порами.
2 - силовые стержни из теплоизолятора, скрепляющие оболочки.
3 - кристаллический водородный лед при 50К
4 - внутренние тепловые концентрические экраны-отражатели с порами для утечки сублимированных молекул водорода.
Концентрические сферы из очень тонкого металла (например, лития) или металлизированного майлара (тип пластмассы) покрывают более толстые сферические оболочки водородного льда, которые связаны, по крайней мере, двумя стержнями сделанными из материала с крайне низкой теплопроводностью. Они необходимо чтобы сферы внешнего уровня не двигались по поверхности льда нижнего. Внешняя оболочка зеркальная и имеет достаточную толщину, чтобы обеспечить необходимую защиту и прочность. Внутренние оболочки из того же материала, но гораздо тоньше (намного меньше 0.1 см) поскольку их функция - просто выполнять роль тепловых экранов-отражателей.
Внешняя оболочка и внутренние экраны-отражатели должны иметь достаточно крупные отверстия или поры для того, чтобы сублимированные (высокоэнергитичные) водородные молекулы быстро могли просочиться наружу, в открытый космос. Изолированное экранами пространство между медленно убывающей ледяной поверхностью и внешней оболочкой, таким образом, имеет небольшую газовую утечку, потому что газ очень текуч. Утечка газа из-за тепловой конвекции так же имеется, но он крайне незначителен.
При таких условиях испарение сублимированного водорода наружу охлаждает и скрепляет остальные концентрические сферы льда, поддерживая температуру значительно ниже 200K - точки плавления водорода. Нормальная температура такой системы 50K.
Система в целом, как задумал Джеймс В. Стефенс, состоит из:
1) Встроенной в лед изоляции.
2) Охлаждаемой за счет испарения изоляции.
3) Изомерно-конверсионный катализатора, который внедрен в изоляцию.
4) Экрана-отражателя инфракрасного излучения с паропроводящими порами.
5) Газопроводящий кристаллический водородный лед, полученный магнитно-резанансным охлаждением из не-кристаллического льда.
6) Самоорганизующаяся волокнистая изоляция из внедренных в лед частичек, которые должны связываться в процессе очистки льда.
Достоинства системы включают:
1) Интегральнсть решения (синергизм) - переохлажденный водородный лед одновременно является топливом, экраном, абсорбентом (поглотителем), источник энергии, прозрачным экраном (иллюминатором) и системой длительной теплоизоляции в течении полета.
2) Криостатом для сверхпроводников (менее чем 50K для водорода).
3) Само-изолирующийимся твердым криостатом.
4) Возможен длительный срок службы системы на Земной орбите.
5) Основной материал имеет низкую стоимость (менее 10$ за фунт).
6) Дешевизна процесса (процесса заморозки и отливки).
7) Низкая стоимость запуска (вполне противостоит нагрузке при высоком ускорению).
8) Дешевизна операций с материалом (твердый материал который способствует сверпроводимости).
9) Акустическая бесшумность (колебания частиц минимально).
10) Термическая устойчивость (большая теплоемкость, хорошая изоляция).
11) Хорошая проницаемость льда для газового отвода и постоянная температура, что позволяет избежать механических напряжений в изоляционных экранах и конструкционных элементах, внедренных в лед.
Стефентс так же подчеркивал свойство водородного льда поглощать нейтроны, поглощать и отражать микроволновое излучение, защищать от мощного лазерного излучения, экранировать от жестких нейтральных и заряженных частиц, невидимость для радаров и широкие возможности для внедрения в лед всевозможной авионики. Последнее включает радары с фазированной решеткой, ионные двигатели на солнечных батареях, сверхпроводящие магнитные энергогенераторы, сверхпроводниковые системы управления и датчики.
Как развивал свою идею автор (см. рис. 2), отдельные водородные ледяные сферы могут управляться на орбите маленькими бустерами (ракетными двигателями) и позже быть собраны в один большой космический корабль. Твердый водород гораздо более безопасен, чем жидкий водород. Сферы могут иметь внедренную в них авионику, обеспечивая тем самым распределение функций управления и максимальную эффективность ее за счет сверхпроводящих температур. Однажды, будучи собранной, при низком ускорении свойственном ионным, ядерным и термоядерным приводам, сборка из сфер не будет подвергаться опасности разрушения в связи с низким пределом прочности водородного льда как конструкционного материала. Так, ускорение, приведенное в разделе 3.1. составляет всего 0.0485g. Кроме того водородный лед будучи размещенным между полезной нагрузкой (экипажем) и ядерной ракетной установкой, будет выполнять роль нейтронного щита, поглощая эти частицы без дополнительных затрат на экранирование.
Рис 2. Сборка ледяной ракеты на орбите.
(Опять же рисунок - вольность переводчика. В первоисточнике рисунки отсутствуют. Прим. перев.)
В ранних работах автор предложил следующие исследовательские космические миссии:
1) Зондирование Солнца.
2) Исследование внешних планет.
3) Полет к границам Солнечной системы на 1000 а.е. (TAU)
4) Подповерхностное зондирование планет.
5) Пилотируемая миссия на Марс.
6) Орбитальная станция-топливозаправщик для накопления и хранения горючего.
Тогда же автор предложил эксперимент по взрывному "волновому" двигателю использующему чередующиеся слои водородного и кислородного льда и сделал детальные оценки по применению переохлажденного льда на Меркурии, Луне и Марсе. [25,26,27].