Massechauffør - Mass driver

Kunstnerens opfattelse af en massechauffør på månen .

En masse driver eller elektromagnetisk katapult er en foreslået fremgangsmåde til ikke-raket spacelaunch som ville anvende en lineær motor at accelerere og katapult nyttelast op til høje hastigheder. Eksisterende og påtænkte massedrivere bruger trådspoler, der drives af elektricitet til at lave elektromagneter , selvom der også er blevet foreslået en roterende massedriver. Sekventiel affyring af en række elektromagneter fremskynder nyttelasten langs en sti. Efter at have forladt stien fortsætter nyttelasten med at bevæge sig på grund af momentum .

Selvom enhver anordning, der bruges til at drive en ballistisk nyttelast, teknisk set er en massechauffør , er en massechauffør i denne sammenhæng i det væsentlige et spiralgevær, der magnetisk accelererer en pakke bestående af en magnetiserbar holder, der indeholder en nyttelast. Når nyttelasten er blevet accelereret, adskilles de to, og holderen sænkes og genbruges til en anden nyttelast.

Massedrivere kan bruges til at drive rumfartøjer på tre forskellige måder: En stor, jordbaseret massechauffør kan bruges til at opsende rumfartøjer væk fra Jorden, Månen eller et andet legeme. En lille massechauffør kunne være ombord på et rumfartøj og kaste stykker materiale ud i rummet for at drive sig selv. En anden variation ville have en massiv facilitet på en måne eller asteroide sende projektiler for at hjælpe et fjernt fartøj.

Miniaturiserede massedrivere kan også bruges som våben på samme måde som klassiske skydevåben eller kanoner ved hjælp af kemisk forbrænding. Hybrider mellem coilguns og railguns såsom spiralformede railguns er også mulige.

Faste massedrivere

Se også: Rumpistol

Masschauffører behøver ingen fysisk kontakt mellem bevægelige dele, fordi de styrer deres projektiler ved dynamisk magnetisk svævning, hvilket muliggør ekstrem genanvendelse i tilfælde af solid -state -strømskift og et funktionelt liv på - teoretisk - op til millioner af lanceringer. Selvom marginale omkostninger har en tendens til at være tilsvarende lave, er de oprindelige udviklings- og anlægsomkostninger meget afhængige af ydeevnen, især den påtænkte masse, acceleration og hastighed af projektiler. For eksempel, mens Gerard O'Neill byggede sin første massechauffør i 1976-1977 med et budget på $ 2000, en kort testmodel, der affyrede et projektil med 40 m/s og 33 g , havde hans næste model en størrelsesorden større acceleration efter en tilsvarende stigning i finansieringen, og et par år senere vurderede forskere ved University of Texas, at en massechauffør, der affyrede et 10 kilogram projektil med 6000 m/s, ville koste $ 47 millioner.

For en given mængde energi går tungere genstande proportionalt langsommere. Lette genstande kan projiceres med 20 km/s eller mere. Grænserne er generelt udgifterne til energilagring, der kan udlades hurtigt nok og omkostningerne ved strømskift, som kan være af halvledere eller af gasfaseafbrydere (som stadig ofte har en niche i applikationer med ekstrem pulse). Imidlertid kan energi lagres induktivt i superledende spoler. En 1 km lang massechauffør fremstillet af superledende spoler kan accelerere et køretøj på 20 kg til 10,5 km/s ved en konverteringseffektivitet på 80%og en gennemsnitlig acceleration på 5.600 g.

Jordbaserede massedrivere til at drive køretøjer til kredsløb, såsom StarTram- konceptet, ville kræve betydelige investeringer. Jordens relativt stærke tyngdekraft og relativt tykke atmosfære gør implementeringen af ​​en praktisk løsning vanskelig. De fleste, hvis ikke alle sandsynlige opsendelsessteder, ville også drive rumfartøjer gennem stærkt krydsede luftruter. På grund af den massive turbulens sådanne lanceringer ville forårsage, ville der være behov for betydelige lufttrafikstyringsforanstaltninger for at sikre sikkerheden for andre fly, der opererer i området.

Med udbredelsen af ​​genanvendelige raketter til opsendelse fra Jorden (især første faser) bliver ethvert potentiale, der engang kunne have eksisteret for enhver økonomisk fordel ved at bruge massedrivere som et alternativ til kemiske raketter til opsendelse fra Jorden, stadig mere tvivlsomt. Af disse grunde indeholder mange forslag installation af massedrivere på Månen, hvor den lavere tyngdekraft og mangel på atmosfære i høj grad reducerer den krævede hastighed for at nå månens kredsløb, og månens udsendelser fra en fast position er også meget mindre tilbøjelige til at generere problemer med spørgsmål som f.eks. som trafikkontrol.

De fleste seriøse massechaufførdesigner bruger superledende spoler til at opnå en rimelig energisk effektivitet (ofte 50% til 90+%, afhængigt af design). Udstyr kan omfatte en superledende spand eller aluminiumspole som nyttelast. Spolerne i en massedriver kan fremkalde hvirvelstrømme i en nyttelasts aluminiumspole og derefter virke på det resulterende magnetfelt . Der er to sektioner af en massechauffør. Den maksimale accelerationsdel placerer spolerne på konstante afstande og synkroniserer spolestrømmene med spanden. I dette afsnit øges accelerationen, når hastigheden stiger, op til det maksimum, spanden kan tage. Derefter begynder den konstante accelerationsregion. Dette område placerer spolerne på stigende afstande for at give en fast mængde hastighedsforøgelse pr. Tidsenhed.

Baseret på denne metode involverede et stort forslag til brug af massedrivere transport af månens overflademateriale til rumhabitater til behandling ved hjælp af solenergi . Space Studies Institute viste, at denne applikation var rimelig praktisk.

I nogle designs ville nyttelasten blive holdt i en spand og derefter frigivet, så spanden kan bremses og genbruges. En engangsspand ville derimod benytte acceleration langs hele banen. Alternativt, hvis et spor blev konstrueret langs hele Månens omkreds (eller et andet himmellegeme uden en væsentlig atmosfære), ville en genanvendelig spandes acceleration ikke være begrænset af banens længde - dog skulle et sådant system være konstrueret til at modstå betydelige centrifugalkræfter, hvis det var beregnet til at accelerere passagerer og/eller last til meget høje hastigheder.

På jorden

I modsætning til ladningen kun kemisk rum-gun koncepter kunne en masse driver være enhver længde, prisbillig, og med relativt jævn acceleration i hele, der eventuelt selv langvarig nok til at nå målhastighed uden for store g kræfter for passagererne. Det kan konstrueres som et meget langt og hovedsageligt horisontalt justeret affyringsspor til rumlancering, målrettet opad for enden, dels ved at bøje sporet opad og dels ved Jordens krumning i den anden retning.

Naturlige forhøjninger, såsom bjerge, kan lette konstruktionen af ​​den fjerne, opadrettede del. Jo højere sporet ender, jo mindre modstand fra atmosfæren vil det affyrede objekt støde på.

De 40 megajoule pr. Kilogram eller mindre kinetisk energi af projektiler, der blev lanceret med en hastighed på op til 9000 m/s (hvis der er inkluderet ekstra for træk-tab) mod lav jordbane er et par kilowatt-timer pr. Kilogram, hvis effektiviteten er relativt høj, hvilket følgelig har været antages at være under $ 1 i omkostninger til elektrisk energi pr. kg sendt til LEO , selvom de samlede omkostninger ville være langt mere end elektricitet alene. Ved at være hovedsageligt placeret lidt over, på eller under jorden, kan en massechauffør være lettere at vedligeholde sammenlignet med mange andre strukturer af ikke-raket rumlancering . Uanset om det er under jorden eller ej, skal det anbringes i et rør, der vakuumpumpes for at forhindre indre lufttræk , f.eks. Med en mekanisk lukker, der holdes lukket det meste af tiden, men et plasmavindue, der bruges i fyringsøjeblikket for at forhindre tab af vakuum.

En massedriver på Jorden ville normalt være et kompromissystem. En massechauffør ville fremskynde en nyttelast op til en høj hastighed, som ikke ville være nok til kredsløb. Det ville derefter frigive nyttelasten, som ville fuldføre opsendelsen med raketter. Dette ville drastisk reducere mængden af ​​hastighed, som raketter skal levere for at nå kredsløb. Godt under en tiendedel af omdrejningshastigheden fra en lille raketpropeller er nok til at hæve perigee, hvis et design prioriterer at minimere sådanne, men hybridforslag reducerer eventuelt kravene til selve massechaufføren ved at have en større del af delta-v ved en raketforbrænding (eller orbital momentum exchange tether ). På Jorden kunne et massedriverdesign muligvis bruge velafprøvede maglevkomponenter .

For at lancere et rumkøretøj med mennesker om bord ville en massechaufførs bane skulle være næsten 1000 kilometer lang, hvis næsten hele hastigheden blev leveret til Low Earth Orbit , selvom en mindre længde kunne give større affyringsassistent. Påkrævet længde, hvis den hovedsageligt accelererer nær en konstant maksimal acceptabel g-kraft for passagerer, er proportional med hastigheden i kvadrat. For eksempel kunne halvdelen af ​​hastighedsmålet svare til en tunnel, der er et kvarter så lang, og som skal konstrueres for den samme acceleration. For robuste objekter kan meget højere accelerationer være tilstrækkelige, hvilket tillader et langt kortere spor, potentielt cirkulært eller spiralformet (spiralformet). Et andet koncept involverer et stort ringdesign, hvorved et rumkøretøj ville cirkulere rundt om ringen adskillige gange og gradvist få fart, før det blev frigivet i en affyringsgang, der førte mod himlen.

Massedrivere er blevet foreslået til bortskaffelse af atomaffald i rummet: et projektil, der blev lanceret med meget over Jordens flugthastighed, ville undslippe solsystemet, med atmosfærisk passage ved en sådan hastighed beregnet som overlevende gennem et langstrakt projektil og et meget betydeligt varmeskærm.

Rumfartøjsbaserede massedrivere

Et rumfartøj kunne bære en massechauffør som sin primære motor. Med en passende elektrisk strømkilde (sandsynligvis en atomreaktor ) kunne rumskibet derefter bruge massedriveren til at accelerere stofstykker af næsten enhver slags, hvilket øger sig selv i den modsatte retning. På den mindste skala af reaktionsmasse kaldes denne type drev et ion -drev .

Der kendes ingen absolut teoretisk grænse for lineære motorers størrelse, acceleration eller snudeenergi. Imidlertid gælder praktiske tekniske begrænsninger for f.eks. Forholdet mellem effekt og masse, spildvarmeafledning og energiindtag, der kan leveres og håndteres. Udstødningshastigheden er bedst hverken for lav eller for høj.

Der er en missionafhængig begrænset optimal udstødningshastighed og specifik impuls for enhver thruster begrænset af en begrænset mængde indbygget rumfartøjskraft. Stød og momentum fra udstødning, udstødt pr. Masseenhed, skaleres lineært med sin hastighed ( momentum = mv), men kravene til kinetisk energi og energiindgang skaleres hurtigere med hastigheden i kvadrat ( kinetisk energi =+1 / 2 mv 2 ). For lav en udstødningshastighed vil øge drivmassens masse overdrevent under raketligningen , idet en for høj brøkdel af energi går til accelerationsdrivmidlet, der ikke er brugt endnu. Højere udstødningshastighed har både fordel og afvejning, øget drivstofforbrugseffektivitet (mere momentum pr. Masseenhed drivgas, der udvises), men faldende tryk og den aktuelle hastighed for rumfartøjsacceleration, hvis tilgængelig indgangseffekt er konstant (mindre momentum pr. Energienhed givet til drivmiddel) .

Elektriske fremdrivningsmetoder som massedrivere er systemer, hvor energi ikke kommer fra drivmidlet selv. (Sådanne kontraster til kemiske raketter, hvor fremdriftseffektiviteten varierer med forholdet mellem udstødningshastighed og køretøjshastighed på det tidspunkt, men nær maksimal opnåelig specifik impuls har tendens til at være et designmål, når det svarer til den mest energi, der frigives fra reagerende drivmidler). Selvom den specifikke impuls fra en elektrisk thruster i sig selv eventuelt kan strække sig op til, hvor massedrivere fusionerer til partikelacceleratorer med fraktioneret lyshastighed udstødningshastighed for små partikler, kan forsøg på at bruge ekstrem udstødningshastighed til at accelerere et langt langsommere rumfartøj være suboptimalt lavt tryk, når den energi, der er tilgængelig fra et rumfartøjs reaktor eller strømkilde, er begrænset (en mindre analog af fodring ombord til en række spotlights, idet fotoner er et eksempel på et ekstremt lavt momentum til energiforhold).

For eksempel, hvis begrænset indbygget effekt tilført motoren var den dominerende begrænsning for, hvor meget nyttelast et hypotetisk rumfartøj kunne kører (f.eks. Hvis de indre omkostninger til drivgassen var mindre ved brug af udenjordisk jord eller is), ville den ideelle udstødningshastighed hellere være omkring 62,75% af den samlede mission delta v, hvis den opererer med konstant specifik impuls, undtagen større optimering kan komme fra varierende udstødningshastighed under missionens profil (som muligt med nogle thrustertyper, herunder massedrivere og variable specifikke impulsmagnetoplasma -raketter ).

Da en massechauffør kunne bruge enhver form for masse til reaktionsmasse til at flytte rumfartøjet, synes en massechauffør eller en variation at være ideel til dybe rumkøretøjer, der fjerner reaktionsmasse fra fundne ressourcer.

En mulig ulempe ved massechaufføren er, at den har potentiale til at sende fast reaktionsmasse, der kører med farligt høje relative hastigheder, ind i nyttige baner og trafikbaner. For at overvinde dette problem planlægger de fleste ordninger at smide findelt støv . Alternativt kunne flydende oxygen anvendes som reaktionsmasse, som ved frigivelse ville koge ned til dens molekylære tilstand. Fremdrivning af reaktionsmassen til solstrømningshastighed er en anden måde at sikre, at den ikke forbliver en fare.

Hybride massekører

En massechauffør på et rumfartøj kunne bruges til at "reflektere" masser fra en stationær massechauffør. Hver deceleration og acceleration af massen bidrager til rumfartøjets momentum . Det lette, hurtige rumfartøj behøver ikke at bære reaktionsmasse og behøver ikke meget elektricitet ud over den mængde, der er nødvendig for at erstatte tab i elektronikken, mens det ubevægelige støttefacilitet kan køre fra kraftværker, der kan være meget større end rumfartøjet, hvis det er nødvendigt. Dette kunne betragtes som en form for stråledrevet fremdrift (en makroskopisk skala analog af en partikelstråle fremdraget storsejl). Et lignende system kunne også levere brændstofpiller til et rumfartøj for at drive et andet fremdriftssystem.

En anden teoretisk anvendelse af dette fremdriftsbegreb findes i rumfontæner , et system, hvor en kontinuerlig strøm af piller i et cirkulært spor holder en høj struktur.

Massechauffører som våben

Små til moderat størrelse med høj acceleration elektromagnetiske projektil løfteraketter undergår i øjeblikket aktiv forskning af den amerikanske flåde til brug som jordbaseret eller skib-baserede våben (oftest railguns men coilguns i nogle tilfælde). I større skala end våben, der i øjeblikket er i nærheden af ​​indsættelse, men sommetider foreslås i fremtidige langdistancefremskrivninger, kunne en lineær motor med tilstrækkelig høj hastighed , en massedriver, i teorien bruges som interkontinentalt artilleri (eller, hvis den blev bygget på månen eller i kredsløb, brugt at angribe et sted på Jordens overflade ). Da massedriveren ville være placeret længere oppe i tyngdekraften godt end de teoretiske mål, ville den nyde en betydelig energibalance med hensyn til modangreb.

Praktiske forsøg

En af de første tekniske beskrivelser af en "elektrisk pistol" optræder i det tekniske supplement til science fiction -romanen "Zero to Eighty" fra 1937 af "Akkad Pseudoman", et pseudonym for Princeton -fysikeren og elektriske iværksætteren Edwin Fitch Northrup . Dr. Northrup byggede prototype spolepistoler drevet af kHz-frekvens trefasede elektriske generatorer, og bogen indeholder fotografier af nogle af disse prototyper. Bogen beskriver en fiktiv omgåelse af månen med et to-personers køretøj, der blev lanceret af en Northrup-elektrisk pistol.

Senere er prototype massechauffører blevet bygget siden 1976 ( Mass Driver 1 ), nogle konstrueret af US Space Studies Institute for at bevise deres egenskaber og praktiske egenskaber. Militær F&U på coilguns er relateret, ligesom maglev -tog .

Se også

Mennesker

Referencer

eksterne links