एमएसएनडब्ल्यू फ्यूजन रॉकेट

हैप्पी कॉस्मोनॉटिक्स डे! “नासा के तत्वावधान में एक फ्यूजन स्पेस इंजन का निर्माण” पोस्ट को पढ़ने के बाद, मैंने इस परियोजना के बारे में अधिक जानकारी प्राप्त करने का निर्णय लिया। अगला, मैं इस बारे में बात करना चाहता हूं कि यह इंजन क्या है और यह कैसे काम करता है।




शुरू करने के लिए, थर्मोन्यूक्लियर ईंधन क्या है और इसका उपयोग कैसे किया जा सकता है, इसका एक छोटा सा परिचय।

थर्मोन्यूक्लियर ईंधन

बड़े अस्थिर परमाणुओं को छोटे टुकड़ों में तोड़कर, या दो या अधिक छोटे परमाणुओं को एक बड़े में विलय करके ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है। सभी मामलों में, यदि आप प्रारंभिक परमाणुओं का वजन करते हैं और परिणाम के वजन के साथ उनकी तुलना करते हैं, तो आप पाएंगे कि परिणामी द्रव्यमान कम होगा। इस घटना को एक जन दोष के रूप में जाना जाता है और ऊर्जा में परिवर्तित पदार्थ की मात्रा का प्रतिनिधित्व करता है। हर कोई जानता है कि e = mc^2 , लेकिन हर कोई नहीं जानता कि c ( वैक्यूम में प्रकाश की गति ) कितनी बड़ी संख्या है, और चुकता यह बहुत बड़ी हो जाती है। तदनुसार, पदार्थ की एक सूक्ष्म मात्रा भी एक प्रभावशाली मात्रा में ऊर्जा का उत्पादन करने में सक्षम हो जाती है।

कन्वेंशन के अनुसार, 1 एमू ( द्रव्यमान की परमाणु इकाई ) = 931.494028 MeV ।

एक उदाहरण है।
डीटी संश्लेषण, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के एक परमाणु से शुरू होता है और एक हीलियम -4 परमाणु और एक न्यूट्रॉन के साथ समाप्त होता है। प्रारंभिक द्रव्यमान 2.013553 + 3.015500 = 5.029053। अंतिम मास 4.001506 + 1.008665 = 5.010171। दूसरे को पहले से घटाते हुए, हम पाते हैं कि द्रव्यमान दोष 0.018882 है। 931.494028 से गुणा करने पर हमें प्राप्त ऊर्जा 17.58847 MeV के बराबर मिलती है।

ध्यान दें, थर्मोन्यूक्लियर संलयन ऊर्जा का उत्पादन अधिक से अधिक परमाणु के विलय के रूप में करता है, जब तक कि वे इस हद तक नहीं बढ़ जाते कि वे लोहे के परमाणु बन जाते हैं। इसके बाद, भारी परमाणुओं के संलयन से ऊर्जा का अधिक उत्पादन होने लगता है।

कणों

प्रतीक	नाम	भार
पी	प्रोटॉन आयनित हाइड्रोजन	1.007276
n	न्यूट्रॉन	1.008665
1 एच	हाइड्रोजन -1, साधारण हाइड्रोजन	1.007940
डी	ड्यूटेरियम, हाइड्रोजन -2	2.013553
टी	ट्रिटियम, हाइड्रोजन -3	3.015500
3 वह	प्रसिद्ध हीलियम -3	3.014932
4 वह	हीलियम -4, साधारण हीलियम	4.001506
6 ली	लिथियम 6
7 ली	लिथियम 7, नियमित लिथियम
११ ब	बोर -11, साधारण बोरान	११.००,९३१

यह तालिका विभिन्न कणों के लिए प्रतीक देती है जिनका उपयोग थर्मोन्यूक्लियर ईंधन के रूप में किया जा सकता है। यदि आप नीचे की प्रतिक्रियाओं के लिए द्रव्यमान दोष की गणना करना चाहते हैं और प्राप्त ऊर्जा की मात्रा पर आश्चर्यचकित हैं तो कण द्रव्यमान दिया जाता है।

ट्रिटियम का आधा जीवन केवल 12.32 साल है, जो अंतरिक्ष में इसका उपयोग थोड़ा मुश्किल करता है, क्योंकि बारह साल बाद यह आधा हीलियम -3 में विघटित हो जाएगा। यही कारण है कि ट्रिटियम के कोई प्राकृतिक जमा नहीं हैं। अधिकांश ट्रिटियम-आधारित रिएक्टर डिज़ाइन ट्रिटियम जनरेटर पर निर्भर करते हैं। वे आमतौर पर रिएक्टर के आसपास तरल लिथियम टैंक होते हैं। लिथियम न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है और ताजा ट्रिटियम और हीलियम -4 में पहुंचाता है।

प्रसिद्ध हीलियम -3, जिसे अक्सर अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए आर्थिक मकसद कहा जाता है, दुर्भाग्य से, यह उतना अच्छा नहीं है जितना कोई मान सकता है। सबसे पहले, यह पृथ्वी पर अनुपस्थित है, जो मेरे लिए मुश्किल बनाता है। कुछ उत्साही चंद्रमा पर इसे निर्दिष्ट करना चाहते हैं, निर्दिष्ट किए बिना, इसकी एकाग्रता बहुत छोटी है। बस हीलियम -3 का उत्पादन करने के लिए, 100 मिलियन टन चंद्र रेजोलिथ को संसाधित किया जाना चाहिए। वैकल्पिक रूप से, इसे कारखानों में उत्पादित किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए बड़ी संख्या में न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है। सामान्य शब्दों में, आपको ट्रिटियम प्राप्त करने और इसे क्षय होने की प्रतीक्षा करने की आवश्यकता है। हीलियम -3 की भारी मात्रा में शनि और यूरेनस के वातावरण में उपलब्ध हैं, लेकिन इसके निष्कर्षण के लिए आवश्यक बुनियादी ढांचा वहां से है। उनके वायुमंडल में हीलियम -3 की सांद्रता प्रति मिलियन दस भागों तक पहुँच सकती है, जो चंद्रमा की तुलना में बहुत बेहतर है। बृहस्पति के वायुमंडल में हीलियम -3 भी है, लेकिन, विशाल गुरुत्वाकर्षण के कारण, इसका निष्कर्षण बहुत मुश्किल हो सकता है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएँ

प्रतिक्रिया			MeV / प्रतिक्रिया	टीजे / किग्रा	1 जलते हुए दो	कश्मीर एल	न्यूट्रॉन के बिना	निकास
डी + टी	⇒	4 वह + एन	17.6 MeV	339.72 टीजे / किग्रा	0.002944 ग्राम / से	1		8.7% सी
डी + डी	⇒	टी + 1 एच	4.03 मे	97.23 टीजे / किग्रा	0.01028 जी / एस	30		4.3% सी
		3 वह + एन	3.27 मेव	78.90 टीजे / किग्रा	0.01267 जी / एस			4.2% c
पी + 11 बी	⇒	3 × 4 वह	8.7 मेव	69.97 टीजे / किग्रा	0.01429 जी / एस	500	हां	4.5% सी
D + 3 उसने	⇒	4 वह + पी	18.3 मेव	353.23 टीजे / किग्रा	0.002831 जी / एस	16		8.9% सी
3 वह + 3 वह	⇒	4 वह + 2 × पी	12.9 MeV	207.50 टीजे / कि.ग्रा	0.004819 जी / एस	?	हां	6.8% c
n + 6 ली	⇒	टी + 4 उन्होंने
n + 7 ली	⇒	टी + 4 वह + एन
p + p + p + p	⇒	4 वह	26.73 मेव	644.93 टीजे / किग्रा	0.001551 जी / एस	बहुत कुछ		11.7% c

रिएक्शन कॉलम प्रारंभिक और अंतिम प्रतिक्रिया उत्पादों को सूचीबद्ध करता है। MeV / प्रतिक्रिया स्तंभ दिखाता है कि MeV में एक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप कितनी ऊर्जा जारी होती है। कॉलम टीजे / किग्रा दर्शाता है कि एक किलोग्राम ईंधन जलने के परिणामस्वरूप कितने टेरोजॉल्स (10 ¹² ) ऊर्जा जारी होगी। तुलना के लिए, 1 किलोटन टीएनटी, 4.1840 टीजे। 1 दहन का दो संकेत है कि थर्मल ऊर्जा के 1 TW प्राप्त करने के लिए आपको प्रत्येक सेकंड में कितने ग्राम ईंधन की आवश्यकता होती है। कॉलम केएल इस प्रतिक्रिया के लिए लॉसन मानदंड को इंगित करता है। न्यूट्रॉन के बिना, यह इंगित करता है कि प्रतिक्रिया न्यूट्रॉन का उत्पादन करती है या नहीं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि भले ही न्यूट्रॉन प्रतिक्रिया में दिखाई नहीं देते हैं, फिर भी वे पक्ष प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप बन सकते हैं। और निकास स्तंभ प्रकाश की गति के प्रतिशत के रूप में दहन उत्पादों की समाप्ति के सैद्धांतिक अधिकतम वेग का एक विचार देता है। यह माना जाता है कि प्रतिक्रिया के दौरान प्राप्त सभी ऊर्जा प्रतिक्रिया उत्पादों की गति की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।

काफी थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं हैं, लेकिन उनमें से केवल एक छोटी संख्या रॉकेट इंजनों के लिए ऊर्जा स्रोतों के रूप में उपयोग के लिए उपयुक्त है। आप यहां प्रतिबंधों के बारे में पढ़ सकते हैं। सभी उम्मीदवारों में से, लॉसन मानदंड के साथ प्रतिक्रियाएं, जो प्रतिक्रिया शुरू करने और बनाए रखने की कठिनाई का न्याय करने के लिए इस्तेमाल की जा सकती हैं, उपयोग करने के लिए सबसे सरल हैं। यदि प्रतिक्रिया केवल चार्ज किए गए कणों का उत्पादन करती है, तो यह एक बड़ा प्लस माना जा सकता है, क्योंकि गर्मी के रूप में मध्यस्थ के बिना, उन्हें सीधे बिजली में बदलना संभव हो जाता है।

यह भी वांछनीय है कि प्रतिक्रिया न्यूट्रॉन का उत्पादन नहीं करती है, क्योंकि वे न केवल खतरनाक विकिरण हैं, बल्कि रेडियोधर्मी तत्वों के लिए निर्माण और प्रसारण इंजन भागों की सामग्री को कमजोर करते हैं । जब तक, ज़ाहिर है, ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए न्यूट्रॉन का उपयोग करने की आवश्यकता है।

डी + ³ वह प्रतिक्रिया रॉकेट इंजन में उपयोग के लिए विशेष रूप से दिलचस्प है, क्योंकि इसके उत्पाद केवल चार्ज किए गए कण हैं, जो चुंबकीय नोजल का उपयोग करके सीधे उन्हें नियंत्रित करना संभव बनाता है।

तालिका से यह देखा जा सकता है कि विभिन्न प्रतिक्रियाएं हैं जो अंतरिक्ष और पृथ्वी पर उपयोग के लिए आशाजनक दिखती हैं। ध्यान दें कि डी + डी प्रतिक्रिया के दो संभावित परिणाम हैं और तदनुसार, तालिका में दो पंक्तियाँ। प्रत्येक परिणाम में 50% की संभावना है। लिथियम के साथ दो प्रतिक्रियाएं ऊर्जा का उत्पादन नहीं करती हैं और ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया जाता है, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है।

कम लॉसन परीक्षण द्वारा संकेत के रूप में डीटी प्रतिक्रिया आरंभ करना अपेक्षाकृत आसान है, लेकिन यह कम आधे जीवन के साथ ट्रिटियम का उपभोग करता है। हाइड्रोजन-बोरान प्रतिक्रिया (एक प्रोटॉन एक आयनित हाइड्रोजन परमाणु है) का लाभ है कि यह न्यूट्रॉन का उत्पादन नहीं करता है, लेकिन इसे प्रज्वलित करना बहुत मुश्किल है। हीलियम -3 + हीलियम -3 भी न्यूट्रॉन मुक्त है, लेकिन हीलियम -3 मेरे लिए मुश्किल है। इस वजह से, इस प्रतिक्रिया के लिए लॉसन की कसौटी पर जानकारी नहीं मिल सकी।

प्रोटॉन-प्रोटॉन प्रतिक्रिया सूर्य पर होती है। समस्या पूरी तालिका से सबसे बड़ा लॉसन मानदंड है। चार प्रोटॉन मर्ज करना लगभग असंभव है, ऊर्जा प्राप्त करने के लिए किसी मौजूदा स्टार का उपयोग करना आसान है।

लिथियम के साथ दो प्रतिक्रियाएं किसी भी ऊर्जा का उत्पादन नहीं करती हैं और आमतौर पर ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए उपयोग की जाती हैं।

फ्यूजन रॉकेट इंजन

फ्यूजन ड्रिवेन रॉकेट के लिए मिशन डिज़ाइन आर्किटेक्चर के प्रकाशन पर आधारित है । पंचोटी, ए।, स्लो, जे कीर्ली, डी। एट अल। AIAA संयुक्त प्रणोदन सम्मेलन (2012) ।

परिचय

यह लेख, पहली नज़र में, थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा का उपयोग करने का एक और तरीका है, जो तेजी से मानव-निर्मित अंतरिक्ष उड़ानों को अंजाम देता है। इस पथ पर पिछले प्रयास विफल रहे हैं, अधिकांश भाग के लिए निम्नलिखित दो कारणों से। सबसे पहले, वे फ्यूजन रिएक्टरों के डिजाइन पर आधारित थे। रिएक्टरों में उपयोग किए जाने वाले दृष्टिकोण का सीधा-सीधा अनुप्रयोग कॉलोसल द्रव्यमान वाले सिस्टम और ऊर्जा को हटाने की समस्याओं की ओर जाता है। सबसे कॉम्पैक्ट TOKMAK अवधारणा के लिए एक विस्तृत विश्लेषण के साथ, एक गोलाकार टोरस, जहाज का द्रव्यमान लगभग 4,000 टन से बाहर निकल गया। रासायनिक रॉकेट का उपयोग करते हुए कम संदर्भ कक्षा में लॉन्च करने के लिए अधिकतम द्रव्यमान 200 टन से अधिक नहीं होना चाहिए।

दूसरा कारण यह है कि, वास्तव में, सभी पिछले प्रणोदन प्रणालियों को जटिल प्रतिक्रियाओं की आवश्यकता होती है जो कि अधिकांश भाग, आवेशित कणों के लिए उत्पन्न होती हैं। न्यूट्रॉन के माध्यम से ऊर्जा के नुकसान को कम करने के लिए यह आवश्यक था। सबसे आशाजनक थे डी- ³ वह और पी- ¹¹ बी। लेकिन इन प्रतिक्रियाओं के लिए बहुत अधिक प्लाज्मा तापमान की आवश्यकता होती है और डीटी संश्लेषण से प्राप्त करने के लिए अधिक कठिनता के आदेश थे, जो बहुत अधिक सुलभ है और पृथ्वी पर उपयोग के लिए एकमात्र उम्मीदवार माना जाता है। कम लाभदायक होने के नाते, हालांकि, उन्हें दहन बनाए रखने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे वे वैकल्पिक विखंडन प्रतिक्रियाओं से बहुत बेहतर नहीं होते हैं।

अंतरिक्ष प्रणोदन प्रणाली में थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा का उपयोग कैसे करें, इसके बारे में पिछले विचारों पर पुनर्विचार करना आवश्यक है। आइए देखें कि रासायनिक रॉकेट इंजन क्या लाभ देता है। मुख्य कारण यह है कि दहन की रासायनिक प्रतिक्रिया से प्राप्त ऊर्जा या तो बड़ी या छोटी हो सकती है, यदि वांछित है। भारी एटलस लॉन्च वाहन के लिए 13 GW से, कार के लिए 130 kW तक। यह ध्यान देने योग्य है कि कम ऊर्जा के साथ, दहन अधिक कुशल है, क्योंकि लंबे समय तक निरंतर संचालन के दौरान गहन गर्मी लंपटता और थर्मल क्षति की आवश्यकता के बारे में चिंता किए बिना तापमान में वृद्धि करना संभव है।

जैसा कि परमाणु और हाइड्रोजन बम के परीक्षणों से पता चला है कि परमाणु ईंधन के जलने से एक ही एटलस से अधिक परिमाण के कई ऑर्डर ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। समस्या यह है कि अंतरिक्ष मिशन के लिए आवश्यक विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए परमाणु ऊर्जा की रिहाई को कैसे नियंत्रित किया जाए: उच्च विशिष्ट आवेग Isp (> 20,000 m / s) के साथ कई मेगावाट, कम विशिष्ट गुरुत्व α (~ 1 किग्रा / किलोवाट) की एक मशाल। यह पता चला है कि, कम से कम परमाणु विखंडन के लिए, आवश्यक ऊर्जा पैमाने पर स्केलिंग की कोई संभावना नहीं है, क्योंकि एक आत्मनिर्भर प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए एक निश्चित महत्वपूर्ण द्रव्यमान (महत्वपूर्ण कॉन्फ़िगरेशन) की आवश्यकता होती है। नतीजतन, परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने वाली परियोजनाएं, जैसे कि ओरियन, आमतौर पर लाखों टन का जोर पैदा करती हैं, जो केवल 10 ⁷ किलो या उससे अधिक के द्रव्यमान के साथ अंतरिक्ष यान के लिए उपयुक्त है।

सौभाग्य से, थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं का पैमाना बहुत छोटा हो सकता है और मैग्नेटो इनर्टिअल फ्यूजन (मैंगो-इनर्टियल थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन, MIF) जैसी विधियां परमाणु सामग्री से बड़ी मात्रा में ऊर्जा का उत्पादन कर सकती हैं जो आकार में अंतरिक्ष प्रणोदन प्रणाली के लिए उपयुक्त हो सकती हैं। वजन, शक्ति और लागत।

भौतिकी इंजन

इंजन चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हुए एक FRC प्लास्मॉइड ( फ़ील्ड-उलट कॉन्फ़िगरेशन ) के चारों ओर एक धातु पन्नी के तीन-आयामी प्रत्यारोपण (एक ब्लास्ट वेव द्वारा संपीड़न) के सिद्धांत पर आधारित है। यह संश्लेषण शुरू करने के लिए आवश्यक शर्तों को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है, जैसे कि उच्च तापमान और दबाव। प्रतिक्रिया शुरू करने का यह तरीका एक प्रकार का जड़त्वीय संश्लेषण है। मोटे तौर पर यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, आप जड़त्वीय नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (Inertial Confinement Fusion - ICF) पर एक नज़र डाल सकते हैं। मिलीमीटर के आकार के क्रायोजेनिक ईंधन के साथ एक गोलाकार कैप्सूल के तीन आयामी प्रत्यारोपण का उपयोग करके आईसीएफ संश्लेषण प्राप्त किया जाता है। कैप्सूल के शरीर के विस्फोटक वाष्पीकरण के कारण इम्प्लांटेशन होता है, इसके गर्म होने के बाद लेजर बीम, इलेक्ट्रॉनों या आयनों की मदद से। कैप्सूल की गर्म बाहरी परत बाहरी दिशा में फट जाती है, जो एक प्रतिकारक बल पैदा करती है जो कैप्सूल सामग्री के बाकी हिस्से को आवक को तेज करती है, इसे संकुचित करती है। इसके अलावा, सदमे की लहरें दिखाई देती हैं, लक्ष्य के अंदर चलती हैं। सदमे तरंगों का पर्याप्त रूप से शक्तिशाली सेट केंद्र में ईंधन को संपीड़ित और गर्म कर सकता है ताकि थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया शुरू हो। यह विधि मानती है कि एक छोटे से कैप्सूल की जड़ता प्लाज्मा को लंबे समय तक धारण करने के लिए पर्याप्त है ताकि सभी ईंधन प्रतिक्रिया के लिए जी ~ 200 या उससे अधिक की उपयोगी उपज पैदा कर सकें (जी = संश्लेषण ऊर्जा / प्लाज्मा ऊर्जा)। ICF का दृष्टिकोण राष्ट्रीय परमाणु सुरक्षा प्रशासन (NNSA) द्वारा दशकों से चला आ रहा है, क्योंकि यह एक प्रकार का लघु संलयन बम है। छोटे आकार और वजन के कारण, संश्लेषण तापमान पर कैप्सूल को गर्म करना नैनोसेकंड के भीतर किया जाना चाहिए। यह पता चला कि इस समस्या का सबसे आशाजनक समाधान डीटी ईंधन के साथ एक कैप्सूल पर केंद्रित उच्च-शक्ति स्पंदित लेजर की एक सरणी है।

लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी में नेशनल इग्निशन फैसिलिटी (NIF) थर्मोन्यूक्लियर फ्यूल कैप्सूल के लेजर इम्प्लांटेशन पर प्रयोग करता है, लेकिन अभी तक प्रयास बहुत सफल नहीं हैं।

हालांकि, अंतरिक्ष में उपयोग के लिए, अन्य तरीकों की आवश्यकता होती है। इसका मतलब है कि विशाल लेजर सिस्टम का उपयोग छोड़ना होगा। भारी आयन और crimped धातु के गोले दो सबसे आशाजनक प्रौद्योगिकी हैं। विधि के बावजूद, संपीड़न को एक समान, मजबूत और बड़ी सटीकता के साथ किया जाना चाहिए, जिससे बड़ी, उच्च वोल्टेज और बहुत महंगी प्रणाली हो सकती है। नब्बे के दशक के मध्य में, यह पाया गया कि एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति लक्ष्य में गर्मी हस्तांतरण को महत्वपूर्ण रूप से दबा देती है, जो लक्ष्य को संपीड़ित करने और उसमें संश्लेषण शुरू करने के लिए आवश्यक प्रत्यारोपण शक्ति को कम कर देता है। लंबे समय से पहले प्लाज्मा की ऊष्मीय ऊर्जा विसर्जित होने के बाद, धातु के गोले का उपयोग प्रत्यक्ष संपीड़न के लिए किया जा सकता है। तो हम थर्मोन्यूक्लियर बर्निंग के समय को बढ़ा सकते हैं, बाउंडिंग मेटल शेल के लिए धन्यवाद। शेल को चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करने के साथ ही विस्फोटक का उपयोग करके संकुचित किया जा सकता है। यह दिखाया गया था कि यदि चुंबकित लक्ष्य के चारों ओर खोल का प्रत्यारोपण पूरी तरह से तीन आयामी था, तो 1 एमजे तक के खोल की गतिज ऊर्जा के साथ ऊर्जा का प्रवर्धन छोटे पैमाने पर प्राप्त किया जा सकता है।

उस समय व्यवहार में यह सब हासिल करने का कोई ज्ञात तरीका नहीं था। लेकिन 2000 में यह दिखाया गया कि पर्याप्त रूप से चुम्बकीय लक्ष्य प्लाज्मा के लिए, थर्मोन्यूक्लियर जलन तब भी शुरू हो सकती है जब सीमा ρ⋅R > 0.1 / 2 (आर लक्ष्य का त्रिज्या है, ρ लक्ष्य का घनत्व है) पूरा नहीं हुआ है। B⋅R > 60 ⋅ ( B⋅R > 60 ⋅ (B - चुंबकीय प्रेरण) के रूप में लंबे समय तक दहन संभव हो गया। इसलिए, दहन आईसीएफ की तुलना में बहुत कम दबाव में प्राप्त किया जा सकता है। अंतरिक्ष में प्रभावी उपयोग के लिए आवश्यक अंतिम तत्व उच्च विशिष्ट आवेग को बनाए रखते हुए जारी ऊर्जा को जोर में परिवर्तित करने की विधि बनी हुई है।


एक धातु सम्मिलित द्वारा एफआरसी प्लास्मोइड के आगमनात्मक प्रत्यारोपण की प्रक्रिया का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। (ए) पतली धातु की हुप्स इतनी गति से चलना शुरू करते हैं और ऐसी दिशा में कि वे नोजल के गले में प्लास्मोइड को संकुचित करते हैं। एक एफआरसी प्लास्मोइड एक लक्ष्य के रूप में कार्य करता है जिसे इंजन कक्ष में निकाल दिया जाता है। (बी) एफआरसी प्लास्माइड को एक अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र द्वारा कक्ष की दीवारों के संपर्क से पकड़ लिया जाता है क्योंकि यह नोजल गले की यात्रा करता है। (c) लाइनर सेगमेंट FRC प्लास्मोइड को संपीड़ित करता है, जिससे थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन शुरू करने के लिए स्थितियां बनती हैं। (d) थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन से उत्पन्न अल्फा कणों और न्यूट्रॉन के प्रभाव में, लाइनर वाष्पित हो जाता है और एक आयनित प्लाज्मा में बदल जाता है, जो एक डायवर्जिंग चुंबकीय क्षेत्र के साथ फैलता है। यह बिजली की प्रत्यक्ष पीढ़ी की ओर जाता है, वापस EMF के लिए धन्यवाद, और चुंबकीय नोजल से प्लाज्मा के बहिर्वाह से दिशात्मक कर्षण।

यह स्पष्ट था कि थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन शुरू करने की स्थितियाँ एक बड़े पैमाने पर धातु के सम्मिलित ऊर्जा की वजह से छोटे पैमाने पर हासिल की जा सकती हैं, जिसका उद्देश्य लक्ष्य को उच्च घनत्व और तापमान में प्लाज्मा को संपीड़ित करना है। लेकिन इसे वास्तविकता में अनुवाद करने के लिए, निम्नलिखित प्रश्नों का उत्तर देना आवश्यक था:

1. विशाल चुंबकीय कॉइल के बिना इसे कैसे करें?
2. इसे प्रभावी और दोहराने योग्य कैसे बनाया जाए?
3. लक्ष्य के रूप में उपयोग किए जाने वाले उपयुक्त प्लास्मोइड कैसे बनाएं?
4. संलयन ऊर्जा को दिशात्मक जोर में कैसे परिवर्तित करें?

इन सभी चार सवालों के जवाब की कुंजी हाल ही में एमएसएनडब्ल्यू में आयोजित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए एफआरसी लक्ष्य के आसपास धातु के छल्ले के चुंबकीय तीन आयामी संपीड़न के अध्ययन हो सकते हैं। इन अध्ययनों की एक तार्किक निरंतरता वह विधि है जो इन धातु के छल्ले का उपयोग न केवल दहन की शुरुआत के लिए आवश्यक परिस्थितियों को प्राप्त करने के लिए करती है, बल्कि सीधे प्रतिक्रियाशील जोर बनाने के लिए भी करती है। पहले दो प्रश्नों का उत्तर देने के लिए, उच्च स्थापना दक्षता प्राप्त करना और "स्टैंड-ऑफ" प्राप्त करना आवश्यक है - प्रतिक्रिया द्वारा जारी ऊर्जा से संरचना और ईंधन की रक्षा करने की क्षमता। धातु के छल्ले की अभिसरण गति को अधिष्ठापन का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, जिसके लिए उन्हें बेलनाकार या शंक्वाकार पच्चर के आकार के कॉइल्स की आंतरिक सतह के साथ रखा जाना चाहिए। यह दक्षता और स्टैंड-ऑफ दोनों के साथ समस्याओं को हल करता है। धातु सम्मिलित लक्ष्य से मीटर तक स्थित हो सकता है। इसके अलावा, कॉइल को शारीरिक और विद्युत दोनों रूप से अलग किया जा सकता है। ड्राइव दक्षता बेहद अधिक हो सकती है, क्योंकि इसमें कॉइल एक सरल दोलन सर्किट में एक प्रेरक तत्व होता है, जहां संचरित ऊर्जा की तुलना में प्रतिरोध नुकसान बेहद कम होता है। डायोड की एक सरणी के रूप में भी ऐसे सरल तत्वों का उपयोग करना, लाइनर को हस्तांतरित नहीं की जाने वाली किसी भी चुंबकीय ऊर्जा को चक्र के पहले आधे हिस्से के बाद नोजल के माध्यम से खोल के बाद वापस चार्जर में वापस किया जा सकता है।

यहां तक ​​कि यह देखते हुए कि धातु की अंगूठी के अंदर चुंबकीय क्षेत्र शुरू में अपेक्षाकृत छोटा है, रिंग की आवक के त्वरण के दौरान चुंबकीय प्रवाह का पर्याप्त रिसाव होता है, जिससे कि संपीड़न के चरम पर, अब पतले रिंग के अंदर बंद होने वाला अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र 600 Tc तक पहुंच सकता है। अब यह क्षेत्र एफआरसी को संपीड़ित करने और एक महत्वपूर्ण उपयोगी उपज के साथ थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक से अधिक है।

अगली समस्या लक्ष्य के रूप में उपयोग के लिए चुम्बकीय प्लाज्मा का निर्माण था। अंतरिक्ष में सिस्टम का उपयोग करने के लिए, एक छोटी स्थापना द्रव्यमान की आवश्यकता होती है। सबसे छोटी द्रव्यमान वाली प्रणाली जिसमें एक थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया प्राप्त की जा सकती है, और इस मामले में केवल एक ही लागू होता है, कॉम्पैक्ट टॉरॉयडल प्लास्मोइड्स का उपयोग करता है, जिसे आमतौर पर उलट-विन्यास फ़ील्ड (एफआरसी) कहा जाता है। बंद चुंबकीय क्षेत्र लाइनों के साथ एक प्लाज्मा का उपयोग करने का सबसे बड़ा लाभ इसकी बहुत अधिक हैβ(प्लाज्मा / चुंबकीय दबाव अनुपात) और प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए इसके प्रत्यक्ष आंदोलन और संपीड़न की संभावना। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के सभी संस्करणों में, केवल एफआरसी प्लास्मोइड में एक रेखीय ज्यामिति होती है और बंद क्षेत्र के कारण सीमित होती है। इसके अलावा, एफआरसी ने पहले ही लंबी दूरी की यात्रा करने की क्षमता और संश्लेषण शुरू करने के लिए आवश्यक आकार और घनत्व के लिए जीवित रहने की क्षमता दिखा दी है। एफआरसी पहले से ही एक आंतरिक क्षेत्र के साथ बनाया गया है जो संपीड़न के चरम पर दहन शुरू करने के लिए बी वीवीआरआर अनुपात को संतुष्ट करता है।

3 किमी / सेकंड के लाइनर नाममात्र अभिसरण दर के लिए, 0.2 मीटर की त्रिज्या के साथ एफआरसी, जो इस उपकरण के लिए विशिष्ट है, 67 μ में पूरी तरह से संपीड़ित होगा, जो कि इस तरह के एफआरसी (~ एमएस एमएस) के कुल जीवनकाल का केवल एक हिस्सा है।

चौथे प्रश्न का उत्तर देने के लिए, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन की ऊर्जा को थ्रस्ट में परिवर्तित करने के लिए काफी सरल दृष्टिकोण विकसित किया गया था। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, प्लाज्मा को संपीड़ित करने के लिए एक प्रेरक ड्राइव के साथ एक पतली धातु लाइनर का उपयोग किया जाता है। रेडियल और अनुदैर्ध्य संपीड़न के पूरा होने के बाद, यह आवेषण एक मोटी (r> 5 सेमी) शेल का रूप लेता है, जो एक सुरक्षात्मक दीवार के रूप में व्यवहार करता है और थर्मोन्यूक्लियर दहन के दौरान प्रतिक्रिया और प्लाज्मा दोनों की लगभग सभी ऊर्जा को अवशोषित करता है। उसके बाद, एक अति-उच्च तापमान पर गरम किया जाता है, आयनित धातु चुंबकीय नलिका के विचलन क्षेत्र के अंदर तेजी से विस्तार करना शुरू कर देता है, जो प्लाज्मा ऊर्जा को प्रतिक्रियाशील जोर में परिवर्तित करता है। धारा के संपीड़न के कारण शंक्वाकार कुंडल में प्रेरित ईएमएफ के कारण बिजली प्राप्त करना भी संभव है। ध्यान देने योग्यखर्च की गई ऊर्जा के संबंध में प्रतिक्रिया की ऊर्जा उपज काफी अधिक है, जो इसे बनाए रखने के लिए सौर कोशिकाओं की ऊर्जा का उपयोग करना संभव बनाती है।

मंगल की उड़ान

अगला, प्रस्तुति 1 और प्रस्तुति 2 का डेटा लिया जाता है ।

मैं यह नोट करना चाहता हूं कि जब अंतरिक्ष की उड़ानों की बात आती है, तो मुख्य संकेतक thev है - गति की वृद्धि (एम / एस या किमी / एस)। यह "प्रयास" की मात्रा का एक माप है जो एक कक्षीय छल का प्रदर्शन करते समय एक प्रक्षेपवक्र से दूसरे में जाने के लिए आवश्यक है। एक अंतरिक्ष यान के लिए, ईंधन आपूर्ति, अधिकतम दूरी या अधिकतम गति जैसी कोई अवधारणा नहीं है, केवल .v है। जहाज के अधिकतम incv को उस गति की वृद्धि के रूप में दर्शाया जा सकता है जो इसे प्राप्त करेगा, जिससे सभी ईंधन की खपत होगी। यह जानना महत्वपूर्ण है कि एक "मिशन" की विशेषता हो सकती है जिसके अनुसार इसे पूरा करने के लिए thatv की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, पृथ्वी से वृद्धि,मंगल के लिए Goman प्रक्षेपवक्र और उस पर उतरने के लिए 18 किमी / सेकंड के बजट की आवश्यकता होती है । यदि जहाज में thenv मिशन के बराबर या उससे अधिक का मार्जिन है, तो वह इस मिशन को पूरा कर सकता है।

जहाज के ofv का पता लगाने के लिए, कोई Tsiolkovsky सूत्र का उपयोग कर सकता है ।

जहां:
वी अंतिम (सभी ईंधन की पीढ़ी के बाद) विमान की गति (एम / एस) है;
मैं रॉकेट इंजन का विशिष्ट आवेग है (ईंधन के दूसरे द्रव्यमान प्रवाह के लिए इंजन के अनुपात का अनुपात, नोजल से कामकाजी तरल पदार्थ की समाप्ति का वेग, मी / से);
एम ₁ - विमान का प्रारंभिक द्रव्यमान (पेलोड + तंत्र डिजाइन + ईंधन, किलो);
एम ₂ - विमान का अंतिम द्रव्यमान (पेलोड + डिजाइन, किलो)।

एक बहुत महत्वपूर्ण निष्कर्ष इस प्रकार है, जो पहली नज़र में बहुत स्पष्ट नहीं हो सकता है। यदि मिशन का tov विशिष्ट आवेग से कम या बराबर है, तो जहाज का सापेक्ष द्रव्यमानबड़े और अधिक पेलोड को परिवहन करना संभव हो जाता है। हालांकि, यदि मिशन का ,v विशिष्ट आवेग से अधिक है, तो सापेक्ष द्रव्यमान तेजी से घटने लगता है, जिससे जहाज से छोटे पेलोड के साथ एक विशाल ईंधन टैंक बन जाता है। दरअसल, ठीक इसी वजह से, पारंपरिक रासायनिक इंजनों का उपयोग करने वाली इंटरप्लेनेटरी उड़ानें बहुत मुश्किल हैं।

मंगल और वापस जाने के लिए 210 दिन की उड़ान की योजना।

मंगल के लिए 90-दिवसीय मिशन (=V = 13.5 किमी / सेकंड)

लक्ष्य: कुल वजन अनुपात के लिए बेहतर पेलोड।
फायदे:

• अतिरिक्त परिवहन मिशन के लिए कोई ज़रूरत नहीं है
• सरलीकृत मिशन वास्तुकला
• एक मिशन में सभी शेयरों को लाने की क्षमता
• कम लागत वाला मिशन
• पृथ्वी से एक प्रक्षेपण के बाद एक मिशन शुरू करने की क्षमता

मंगल के लिए 30-दिवसीय मिशन (=V = 40.9 किमी / सेकंड)

लक्ष्य: सबसे तेज़ मिशन।
फायदे:

• ,

( 200)	90	30
()	2.6	33
()	27	350
()	5140	5140
(/)	4.3	0,38
()	90	153
	65%	36%

नासा वर्तमान में विकसित कर रहा है अंतरिक्ष की शुरूआत की एक प्रणाली superheavy वाहक रॉकेट, उत्पादन पेलोड के 70 से 130 टन से कम संदर्भ कक्षा करने में सक्षम - (स्पेस लॉन्च सिस्टम, SLS)। यह मंगल ग्रह पर 90 दिनों का एक मिशन शुरू करने के लिए संभव है, ऐसे प्रक्षेपण यान को लॉन्च करने के बाद।

दोनों मिशनों में तुरंत रद्द करने और पृथ्वी पर लौटने की क्षमता है।

मुख्य मिशन पैरामीटर

ईंधन का अनुमान
लाइनर की सामग्री को आयनीकृत करने की लागत	75 एमजे / किग्रा
लाइनर को ऊर्जा हस्तांतरण की क्षमता (शेष ऊर्जा वापस संधारित्रों को वापस कर दी जाती है)	50%
ट्रैक्शन रूपांतरण दक्षता। टी	90%
वजन डालें (50 से 500 की बढ़त के अनुसार)	0.28 से 0.41 किग्रा
इग्निशन फैक्टर	5
(G F =G F(calc.) /2)	2
,
( Design Reference Architecture 5.0)	61
•	31
•	16
•	14
( )	1 /
	200 /
(, , .)	10%
,
(, , , , )	6,6
	0,1
	0,2
	1,2
	1,8
	0,3
	1,8
(180 200 /)	1,5
	1,3
	0,2
	15
	61
	57
	133

अनुसंधान योजना को देखते हुए, नाड़ी पुनरावृत्ति दर 0.1 हर्ट्ज से अधिक होगी। यदि हम इस बात को ध्यान में रखते हैं कि विशिष्ट आवेग 51400 m / s है, और कार्यशील द्रव द्रव्यमान 0.37 किलोग्राम प्रति नाड़ी है, तो हम आवेग p = mv = 19018 kg · m / s की गणना कर सकते हैं। गति के संरक्षण के नियम के अनुसार, जहाज की गति p / M = 19018/133000 = 0.14 m / s बढ़ जाएगी। यदि हम 1 मीटर की नोजल त्रिज्या लेते हैं, तो गैसों का विस्तार उस पर t = r / v = 1/51400 = 0.00002 s के क्षेत्र में होगा। इसलिए, त्वरण क्षेत्र में होगा a = DV / dt = 0.14 / 0.00002 = 7000 m / s ² । जाहिर है, या तो सदमे अवशोषक का उपयोग किया जाएगा, जैसा कि डेडलस परियोजना में , या गति को सुचारू करने के लिए कुछ अन्य तकनीकी समाधान।