Термоядерный ракетный двигатель. Принцип работы и виды.

Доброе утро подписчики и случайные читатели этого канала.

Не так давно у меня вышла статья про проект межзвёздного корабля - "Дедал". Для движения он должен был использовать ТИРД - Термоядерный Импульсный Ракетный Двигатель. Целью полёта была назначена звезда Барнарда.

Подробнее о возможном полёте и корабле здесь:

Но сегодня я решил узнать, какие ещё могут быть термоядерные двигатели и почему именно термоядерные двигатели на данный момент ближе всего к реализации в лице межзвёздного двигателя.

ЧТО ЗНАЧИТ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ, И В ЧЁМ ОТЛИЧИЕ ОТ ЯДЕРНОГО?

Двигатель называется термоядерным, так как в нём, в том или ином виде происходит термоядерный синтез, то есть процесс объединения атомов.

В этом и состоит принципиальное отличие от ядерного ракетного двигателя (ЯРД). У ЯРД имеется реактор, где происходит нагрев рабочего тела от тепла ядерной реакции, и выброс уже нагретого вещества с большой скоростью через сопло.

В термоядерном двигателе (ТРД) процесс отличается. В "камере сгорания" происходит управляемый термоядерный синтез дейтерия и гелия-3, а продукты реакции - гелий-4 и "лишний" протон выбрасывается также через сопло.

ЧТО ЗА РЕАКЦИЯ ДЕЙТЕРИЙ - ГЕЛИЙ-3?

Возможно у вас возник такой вопрос. Теперь я попробую его объяснить.

Во-первых разберёмся с "ректантами"*:

1. Дейтерий - изотоп водорода, но содержит в ядре и протон и нейтрон.
2. Гелий-3 - изотоп Гелия, однако в отличие от "собрата" у него "не хватает" одного нейтрона. То есть содержит 1 протон и 2 нейтрона.

Ректанты - вещества, вступаемые в реакацию. В данном случае внесены в кавычки, так как сами ректанты "родом" из химии, а термоядерная реакция, хоть и реакция, но не химическая, а физическая.

Во-вторых сама реакция:

В ходе столкновения атомов дейтерия и гелия-3, атом гелия "отбирает" нейтрон у дейтерия. В ходе реакции образуется Гелий-4 и остаётся один никому не нужный протон.

ВИДЫ ТЕРМОЯДЕРНОГО ДВИГАТЕЛЯ:

Термоядерные реакции и синтез довольно интересны сами по себе ( или кому как), но давайте скорее перейдём к самому важному: видам термоядерного двигателя.

1. ТРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы - основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны. «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной. Скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1—3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары. Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов. Генераторы магнитных полей создают в камере магнитные поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Следует отметить возможность многорежимности ТЯРД. Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя, что позволит кораблю с ТРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел.
2. ТРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор) - В реакторе такого двигателя управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме, при периодическом обжатии и разогреве микромишеней (топливных «таблеток»), содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Его основой и был реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся топливная таблетка с термоядерным топливом (например, дейтерий и тритий) — сложная конструкция сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные, порядка сотен тераватт, лазеры, наносекундный импульс излучения которых через прозрачные окна в стенах камеры попадает на топливную таблетку. При этом на поверхности топливной таблетки создается зона с температурой более 100 млн. градусов, при давлении в миллионы атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота и мощность таких взрывов варьируется в различных проектах, использующих такой двигатель.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТРД:

Без сомнений ТРД - очень сложен в создании, однако все сложности меркнут перед преимуществами. Основным плюсом ТРД является самый высокий удельный импульс (хар-ка эффективности двигателя) - от 10 тыс секунд до 4 млн секунд (современные химические двигатели имеют УИ порядка 280-400 секунд). Однако главным минусом является маленькая для такого УИ тяга - от нескольких килограмм, до десятков тонн, что конечно же не достаточно, что бы быстро осуществлять большие манёвры.

ТАК ПОЧЕМУ ЖЕ ИМЕННО ТРД ДЛЯ МЕЖЗВЁЗДНЫХ ПОЛЁТОВ?

Использование ТРД для межпланетных, а потом и для межзвёздных двигателей выливается из сравнения параметров различных двигателей: Фотонный - слишком сложно и не понятно на данный момент, ЯРД - большая масса рабочего тела, необходимого для долгого перелёта, а также защита от радиации, а ионные двигатели выдают слишком маленькую тягу. Исходя из этого всего можно сделать вывод, что именно ТРД станет первым межзвездным двигателем человечества.

Я не исключаю возможность использования и например двигателя Бассарда или например двигателя Алькубьерре*, но все эти концепции явно не будут реализованы ближайшие 200-300 лет. А вот первые ТРД возможны уже сейчас, так как человечество научилось делать термоядерные реакторы, которые и являются основой для них. Также не является большой проблемой и магнитное удержание плазмы.

Двигатель Алькубьерре - предполагаемый вид двигателя, создающий вокруг корабля "пузырь", за пределами которого пространство сжимается спереди, и расширяется сзади, тем самым достигается "кажущаяся скорость", превышающая скорость света.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Больше интересного здесь: