![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
apximhdПри создании космического аппарата с фотонной тягой мы сталкиваемся с двумя технологическими проблемами.
1. Проблема высокоэффективного генератора лучистой энергии.
2. Проблема перегрева главного зеркала.
Рассмотрим принципиальные ограничения, которые накладывает на создание космического аппарата с фотонной тягой второй пункт.
Предположим, что мы смогли создать достаточно лёгкий солнечный парус площадью 100×100=10000 м2, выдерживающий без потери отражательных свойств нагрев до температуры 500К и обладающей отражательной способностью 99%.
Смирившись с потерей 1% импульса, примем, что парус обладает достаточно высокой теплопроводностью, и его обратная сторона обладает излучательной способностью, близкой к абсолютно чёрному телу. В этом случае полная максимальная допустимая мощность светового излучения, падающего на солнечный парус, составит:
W = σT4·S·100 = 3.54·109Вт
Такой световой поток (c учётом потери 1% при отражении и добавке ещё 1% при излучении обратной чёрной стороной нагретого зеркала) создаёт силу:
F = (W/c)·0.98 = 11.6H
При массе космического аппарата в 1 тонну эта сила за год разгонит его до скорости:
V = (F/m)·3600·24·365.2422 = 3.65·105 м/с = 365 км/с
Теперь вернёмся к пункту 1. Нам нужен источник лучистой энергии, массой не более полутонны (чтобы оставить что-то для полезной нагрузки), способный выдавать в течение года мощность в 3.5 ГВт. Для этого плотность хранимой энергии должна составлять не менее 2.23·1014 Дж/кг.
Плотность тепловой энергия U238 в атомном реакторе на быстрых нейтронах составляет 8.6·1013 Дж/кг, что по порядку величины сравнимо с требуемой энергетической плотностью. Скорее всего, в условиях космоса, когда нам не нужно заботиться о радиационной безопасности и обслуживании реактора, коммерческой эффективности — используя более экзотические ядерные реакции и более дорогостоящие материалы, можно добиться значительно большего энерговыделения на единицу массы.
То есть, задача принципиально технически разрешима. Возможно, для создания работающего атомного реактора минимальную массу космического аппарата и площадь зеркала придётся увеличить на один-два порядка. Например, при полной массе космического аппарата в 50 тонн и размере зеркала 500×500 м2 он может быть за год разогнан при тех же исходных параметрах до скорости порядка 180 км/с.
Заметим, что нам не нужно преобразовывать вырабатываемую реактором тепловую мощность в электричество, поскольку вся тепловая мощность в конечном итоге уходит в излучение. Однако реактор нужно греть до температур порядка 2500–3000 К — и это самая серьёзная техническая трудность...
1. Проблема высокоэффективного генератора лучистой энергии.
2. Проблема перегрева главного зеркала.
Рассмотрим принципиальные ограничения, которые накладывает на создание космического аппарата с фотонной тягой второй пункт.
Предположим, что мы смогли создать достаточно лёгкий солнечный парус площадью 100×100=10000 м2, выдерживающий без потери отражательных свойств нагрев до температуры 500К и обладающей отражательной способностью 99%.
Смирившись с потерей 1% импульса, примем, что парус обладает достаточно высокой теплопроводностью, и его обратная сторона обладает излучательной способностью, близкой к абсолютно чёрному телу. В этом случае полная максимальная допустимая мощность светового излучения, падающего на солнечный парус, составит:
Такой световой поток (c учётом потери 1% при отражении и добавке ещё 1% при излучении обратной чёрной стороной нагретого зеркала) создаёт силу:
При массе космического аппарата в 1 тонну эта сила за год разгонит его до скорости:
Теперь вернёмся к пункту 1. Нам нужен источник лучистой энергии, массой не более полутонны (чтобы оставить что-то для полезной нагрузки), способный выдавать в течение года мощность в 3.5 ГВт. Для этого плотность хранимой энергии должна составлять не менее 2.23·1014 Дж/кг.
Плотность тепловой энергия U238 в атомном реакторе на быстрых нейтронах составляет 8.6·1013 Дж/кг, что по порядку величины сравнимо с требуемой энергетической плотностью. Скорее всего, в условиях космоса, когда нам не нужно заботиться о радиационной безопасности и обслуживании реактора, коммерческой эффективности — используя более экзотические ядерные реакции и более дорогостоящие материалы, можно добиться значительно большего энерговыделения на единицу массы.
То есть, задача принципиально технически разрешима. Возможно, для создания работающего атомного реактора минимальную массу космического аппарата и площадь зеркала придётся увеличить на один-два порядка. Например, при полной массе космического аппарата в 50 тонн и размере зеркала 500×500 м2 он может быть за год разогнан при тех же исходных параметрах до скорости порядка 180 км/с.
Заметим, что нам не нужно преобразовывать вырабатываемую реактором тепловую мощность в электричество, поскольку вся тепловая мощность в конечном итоге уходит в излучение. Однако реактор нужно греть до температур порядка 2500–3000 К — и это самая серьёзная техническая трудность...
