Toplu sürücü - Mass driver

Image
Sanatçının Ay'da bir kitle sürücüsü anlayışı .

Bir kütle sürücü ya da elektromanyetik sapan önerilen bir yöntemdir roketsiz uzay fırlatması bir kullanmak lineer motor için hızlandırmak ve fırlatma yükleri yüksek hızlarda üzere. Mevcut ve düşünülen kütle sürücüleri , elektromıknatıs yapmak için elektrikle enerji verilen tel bobinlerini kullanır , ancak bir döner kütle sürücüsü de önerilmiştir. Bir dizi elektromıknatısın ardışık olarak ateşlenmesi, bir yol boyunca yükü hızlandırır. Yoldan ayrıldıktan sonra, yük momentum nedeniyle hareket etmeye devam eder .

Balistik bir yükü sevk etmek için kullanılan herhangi bir cihaz teknik olarak bir kütle sürücüsü olmasına rağmen , bu bağlamda bir kütle sürücüsü esasen bir faydalı yük içeren mıknatıslanabilir bir tutucudan oluşan bir paketi manyetik olarak hızlandıran bir bobin tabancasıdır . Yük hızlandırıldığında, ikisi ayrılır ve taşıyıcı yavaşlatılır ve başka bir yük için geri dönüştürülür.

Kütle sürücüleri uzay aracını üç farklı şekilde hareket ettirmek için kullanılabilir: Büyük, yer tabanlı bir kütle sürücüsü, uzay aracını Dünya'dan, Ay'dan veya başka bir cisimden uzağa fırlatmak için kullanılabilir . Küçük bir toplu sürücü, bir uzay aracında olabilir ve kendisini ilerletmek için malzeme parçalarını uzaya fırlatabilir. Başka bir varyasyon, bir ay üzerinde büyük bir tesise veya uzak bir gemiye yardım etmek için asteroit gönderen mermilere sahip olacaktır.

Minyatür kütle sürücüleri de olabilir silah olarak kullanılan kimyasal yanma kullanılarak klasik ateşli silah ya da top gibi bir benzer şekilde hazırlanmıştır. Helisel raylı tüfekler gibi bobin tabancaları ile ray tabancaları arasında melezler de mümkündür.

Sabit kütle sürücüleri

Ayrıca bakınız: Uzay silahı

Toplu sürücülerin hareketli parçalar arasında fiziksel temasa ihtiyacı yoktur, çünkü mermilerini dinamik manyetik kaldırma ile yönlendirirler, katı hal güç değiştirme durumunda aşırı yeniden kullanılabilirliğe ve - teorik olarak - milyonlarca fırlatmaya kadar işlevsel bir ömür sağlarlar. Marjinal maliyetler buna bağlı olarak düşük olma eğilimindeyken, ilk geliştirme ve inşaat maliyetleri, özellikle mermilerin amaçlanan kütlesi, ivmesi ve hızı gibi performansa büyük ölçüde bağlıdır. Örneğin, Gerard O'Neill 1976–1977'de 2000 $'lık bir bütçeyle, 40 m/s ve 33 g'da bir mermi atan kısa bir test modeliyle ilk toplu sürücüsünü inşa ederken , bir sonraki modeli büyüklük sırasına göre daha büyük bir ivmeye sahipti. Finansmandaki karşılaştırılabilir bir artıştan sonra ve birkaç yıl sonra, Texas Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, 6000 m/s'de 10 kilogramlık bir mermiyi ateşleyen toplu bir sürücünün 47 milyon dolara mal olacağını tahmin etti.

Belirli bir miktarda enerji için, daha ağır nesneler orantılı olarak daha yavaş gider. Hafif nesneler 20 km/s veya daha fazla bir hızla yansıtılabilir. Sınırlar, genellikle, yeterince hızlı bir şekilde boşaltılabilen enerji depolamanın maliyeti ve yarı iletkenler veya gaz fazı anahtarları (ki bunlar aşırı darbeli güç uygulamalarında hala genellikle bir niş olan) ile olabilen güç anahtarlama maliyetidir. Bununla birlikte, enerji süper iletken bobinlerde endüktif olarak depolanabilir. Süper iletken bobinlerden yapılmış 1 km uzunluğundaki bir kütle sürücüsü, 20 kg'lık bir aracı, %80'lik bir dönüşüm verimliliği ve ortalama 5.600 g hızlanma ile 10,5 km/s'ye hızlandırabilir.

StarTram konsepti gibi araçları yörüngeye itmek için dünya temelli toplu sürücüler önemli miktarda sermaye yatırımı gerektirecektir. Dünya'nın nispeten güçlü yerçekimi ve nispeten kalın atmosferi, pratik bir çözümün uygulanmasını zorlaştırmaktadır. Ayrıca, makul fırlatma alanlarının tümü olmasa da çoğu, uzay aracını yoğun bir şekilde geçen hava yollarından geçirecektir. Bu tür fırlatmaların neden olacağı büyük türbülans nedeniyle , bölgede faaliyet gösteren diğer uçakların güvenliğini sağlamak için önemli hava trafik kontrol önlemlerine ihtiyaç duyulacaktır.

Yeniden kullanılabilir roketlerin Dünya'dan fırlatılması (özellikle ilk aşamalar) ile birlikte, bir zamanlar Dünya'dan fırlatılacak kimyasal roketlere alternatif olarak kitle sürücülerinin kullanılmasında herhangi bir ekonomik avantaj için potansiyel ne olursa olsun, giderek daha şüpheli hale geliyor. Bu nedenlerden dolayı, birçok öneri , daha düşük yerçekimi ve atmosfer eksikliğinin, ay yörüngesine ulaşmak için gerekli hızı büyük ölçüde azalttığı Ay'da kütle sürücülerinin kurulmasını içeriyor , ayrıca, sabit bir konumdan ay fırlatmalarının, bu tür konularla ilgili olarak sorun yaratma olasılığı çok daha düşüktür. trafik kontrolü olarak.

En ciddi kütle sürücü tasarımları, makul enerji verimliliği elde etmek için süper iletken bobinler kullanır (tasarıma bağlı olarak genellikle %50 ila %90+). Ekipman, yük olarak bir süper iletken kova veya alüminyum bobin içerebilir. Bir kütle sürücüsünün bobinleri, bir faydalı yükün alüminyum bobininde girdap akımlarını indükleyebilir ve daha sonra ortaya çıkan manyetik alan üzerinde hareket edebilir . Bir kitle sürücüsünün iki bölümü vardır. Maksimum hızlanma kısmı, bobinleri sabit mesafelerde yerleştirir ve bobin akımlarını kovaya senkronize eder. Bu bölümde, hız arttıkça kepçenin alabileceği maksimuma kadar ivme artar. Bundan sonra sabit ivme bölgesi başlar. Bu bölge, birim zaman başına sabit bir hız artışı sağlamak için bobinleri artan mesafelerde yerleştirir.

Bu moda dayalı olarak, güneş enerjisi kullanılarak işlenmek üzere ay yüzeyindeki materyalin uzay habitatlarına taşınmasını içeren kütle sürücülerinin kullanımına yönelik büyük bir öneri . Uzay Çalışmaları Enstitüsü, bu uygulamanın makul ölçüde pratik olduğunu gösterdi.

Bazı tasarımlarda, yük bir kovada tutulur ve ardından kovanın yavaşlatılabilmesi ve yeniden kullanılabilmesi için serbest bırakılır. Öte yandan, tek kullanımlık bir kova, tüm yol boyunca hızlanma sağlayacaktır. Alternatif olarak, Ay'ın tüm çevresi boyunca (veya önemli bir atmosferi olmayan başka bir gök cismi) bir yol inşa edilmiş olsaydı, o zaman yeniden kullanılabilir bir kepçenin ivmesi, yolun uzunluğu ile sınırlı olmazdı - ancak böyle bir sistemin olması gerekirdi. yolcuları ve/veya kargoları çok yüksek hızlara çıkarmak için tasarlanmışsa, önemli merkezkaç kuvvetlerine dayanacak şekilde tasarlanmıştır.

Yeryüzünde

Yalnızca kargoya yönelik kimyasal uzay silahı konseptlerinin aksine , toplu bir sürücü herhangi bir uzunlukta, uygun fiyatlı ve baştan sona nispeten düzgün ivmeli, hatta isteğe bağlı olarak yolcular için aşırı g kuvvetleri olmadan hedef hıza ulaşmak için yeterince uzun olabilir . Kısmen pistin yukarı doğru bükülmesi ve kısmen de Dünya'nın diğer yöndeki eğriliği ile, sonunda yukarı doğru hedeflenen, uzay fırlatma için çok uzun ve esas olarak yatay olarak hizalanmış bir fırlatma pisti olarak inşa edilebilir .

Dağlar gibi doğal yükseltiler uzak, yukarıya doğru hedeflenen kısmın inşasını kolaylaştırabilir. Pist ne kadar yüksekte biterse, fırlatılan nesnenin karşılaşacağı atmosferden o kadar az direnç olur.

Düşük Dünya yörüngesine doğru 9000 m/s'ye kadar (sürtünme kayıpları için ekstra dahil ise) fırlatılan mermilerin kilogram başına 40 megajul veya daha az kinetik enerjisi , verimler nispeten yüksekse, kilogram başına birkaç kilovat saattir ; hipotez halinde sevk kilogram başına elektrik enerjisi maliyetinin 1 $ altında olması LEO toplam maliyetler çok daha yalnız elektrikten daha, buna rağmen. Ağırlıklı olarak yerin biraz üstünde, üstünde veya altında bulunan bir kütle sürücüsünün bakımı, diğer birçok roket dışı uzay fırlatma yapısıyla karşılaştırıldığında daha kolay olabilir . Yeraltında olsun veya olmasın, çoğu zaman kapalı tutulan mekanik bir kepenk gibi, dahili hava sürüklenmesini önlemek için vakumla pompalanan bir boruya yerleştirilmelidir, ancak ateşleme anlarında kayıpları önlemek için bir plazma pencere kullanılır. vakum.

Dünyadaki bir kitle sürücüsü genellikle bir uzlaşma sistemi olacaktır. Toplu bir sürücü, bir yükü yörünge için yeterli olmayacak yüksek bir hıza kadar hızlandırır. Daha sonra roketlerle fırlatmayı tamamlayacak olan yükü serbest bırakacaktı. Bu, roketlerin yörüngeye ulaşmak için sağlaması gereken hız miktarını büyük ölçüde azaltacaktır. İyi yükseltmek için yeterlidir itici küçük roket yörünge hızın onda altında yerberi tasarım öncelik örneğin en aza indirerek, ancak hibrid önerileri, isteğe bağlı olarak daha büyük bir kısmına sahip kitle sürücü kendisi gereksinimlerini azaltır eğer delta-v bir roket yanma ile (ya da yörünge momentum değişim bağı ). Dünya'da, bir toplu sürücü tasarımı muhtemelen iyi test edilmiş maglev bileşenlerini kullanabilir.

Gemide insanlarla birlikte bir uzay aracını fırlatmak için, Alçak Dünya Yörüngesine neredeyse tüm hızı sağlıyorsa , daha az bir uzunluk büyük bir fırlatma yardımı sağlayabilecek olsa da , toplu bir sürücü izinin neredeyse 1000 kilometre uzunluğunda olması gerekir . Gerekli uzunluk, yolcular için esas olarak sabit bir maksimum kabul edilebilir g-kuvvetinde hızlanıyorsa , hızın karesi ile orantılıdır. Örneğin, hız hedefinin yarısı, aynı ivme için inşa edilmesi gereken çeyrek uzunluğunda bir tünele karşılık gelebilir. Engebeli nesneler için, potansiyel olarak dairesel veya sarmal (spiral) olan çok daha kısa bir yola izin vererek çok daha yüksek ivmeler yeterli olabilir . Başka bir konsept, bir uzay aracının halkayı defalarca daire içine alacağı, gökyüzüne doğru giden bir fırlatma koridoruna bırakılmadan önce yavaş yavaş hız kazanacağı geniş bir halka tasarımını içerir.

Nükleer atıkların uzaya atılması için kitlesel sürücüler önerildi: Dünya'nın kaçış hızının çok üzerinde fırlatılan bir mermi , Güneş Sistemi'nden kaçar ve atmosferik geçiş, uzun bir mermi ve çok önemli bir ısı kalkanı yoluyla hayatta kalabileceği hesaplanan bu hızda olur.

Uzay aracı tabanlı kitle sürücüleri

Bir uzay aracı , birincil motoru olarak bir kütle sürücüsünü taşıyabilir. Uygun bir elektrik gücü kaynağı (muhtemelen bir nükleer reaktör ) ile uzay gemisi, hemen hemen her türden madde parçalarını hızlandırmak için kütle sürücüsünü kullanabilir ve kendisini ters yönde hızlandırabilir. Reaksiyon kütlesinin en küçük ölçeğinde, bu tip tahrike iyon tahriki denir .

Lineer motorların boyutu, ivmesi veya namlu çıkış enerjisi için kesin bir teorik sınır bilinmemektedir. Bununla birlikte, güç-kütle oranı, atık ısı dağılımı ve sağlanabilen ve işlenebilen enerji alımı gibi pratik mühendislik kısıtlamaları geçerlidir . Egzoz hızı en iyisi ne çok düşük ne de çok yüksek.

Sınırlı miktarda yerleşik uzay aracı gücü ile sınırlandırılan herhangi bir itici için göreve bağlı sınırlı bir optimal egzoz hızı ve spesifik dürtü vardır . Egzozdan atılan birim kütle başına itme ve momentum, hızıyla ( momentum = mv) doğrusal olarak ölçeklenir , ancak kinetik enerji ve enerji girdisi gereksinimleri, hızın karesiyle ( kinetik enerji =+1 ⁄ 2 mv 2 ). Çok düşük bir egzoz hızı, roket denklemi altında ihtiyaç duyulan itici kütleyi aşırı derecede artıracaktır, çok yüksek bir enerji fraksiyonu ivmelenen iticiye giden enerjinin çok yüksek bir kısmı henüz kullanılmamıştır. Daha yüksek egzoz hızının hem faydası hem de telafisi vardır, itici kullanım verimliliğini arttırır (atılan itici maddenin birim kütlesi başına daha fazla momentum), ancak mevcut giriş gücü sabitse itme ve mevcut uzay aracı ivmesi oranını düşürür (iticiye verilen enerji birimi başına daha az momentum) .

Kütle sürücüleri gibi elektrikli tahrik yöntemleri, enerjinin iticinin kendisinden gelmediği sistemlerdir. ( İtici verimliliğin o sırada egzoz hızının araç hızına oranıyla değiştiği, ancak elde edilebilecek maksimuma yakın özgül itkinin, reaksiyona giren itici gazlardan salınan en fazla enerjiye karşılık geldiğinde bir tasarım hedefi olma eğiliminde olduğu kimyasal roketlerle bu tür tezatlar ). Bir elektrikli iticinin özgül itkisi, isteğe bağlı olarak, kütle sürücülerinin küçük parçacıklar için kesirli ışık hızında egzoz hızına sahip parçacık hızlandırıcılarıyla birleştiği yere kadar değişebilse de , çok daha yavaş bir uzay aracını hızlandırmak için aşırı egzoz hızını kullanmaya çalışmak, bir uzay aracının reaktöründen veya güç kaynağından elde edilen enerji sınırlıdır (bir dizi spot ışığına yerleşik gücü beslemenin daha küçük bir analogu, fotonlar son derece düşük bir momentum-enerji oranının bir örneğidir).

Örneğin, varsayımsal bir uzay aracının ne kadar yük taşıyabileceği konusundaki baskın sınırlama, motoruna beslenen sınırlı yerleşik güç olsaydı (örneğin, dünya dışı toprak veya buz kullanımından kaynaklanan içsel itici ekonomik maliyetinin düşük olması gibi), ideal egzoz hızı daha çok yaklaşık olarak olurdu. Toplam görev delta v'nin %62,75'i , daha büyük optimizasyon hariç, sabit özgül darbede çalışıyorsa , görev profili sırasında değişen egzoz hızından gelebilir (kütle sürücüleri ve değişken spesifik dürtü manyetoplazma roketleri dahil olmak üzere bazı itici tiplerinde mümkün olduğu gibi ).

Bir kütle sürücüsü, uzay aracını hareket ettirmek için reaksiyon kütlesi için herhangi bir tür kütleyi kullanabileceğinden, bir kütle sürücüsü veya bazı varyasyonlar, bulunan kaynaklardan reaksiyon kütlesini temizleyen derin uzay araçları için ideal görünmektedir.

Kütle sürücüsünün olası bir dezavantajı, tehlikeli derecede yüksek göreceli hızlarda hareket eden katı reaksiyon kütlesini faydalı yörüngelere ve trafik şeritlerine gönderme potansiyeline sahip olmasıdır. Bu sorunun üstesinden gelmek için, çoğu plan ince bölünmüş tozu atmayı planlıyor . Alternatif olarak, sıvı oksijen, serbest bırakıldığında moleküler durumuna kaynayan reaksiyon kütlesi olarak kullanılabilir. Tepki kütlesini güneş kaçış hızına sevk etmek, bir tehlike olarak kalmamasını sağlamanın başka bir yoludur.

Hibrit kütle sürücüleri

Bir uzay aracındaki kütle sürücüsü, kütleleri sabit bir kütle sürücüsünden "yansıtmak" için kullanılabilir. Kütlenin her yavaşlaması ve hızlanması uzay aracının momentumuna katkıda bulunur . Hafif, hızlı uzay aracının reaksiyon kütlesi taşımasına gerek yoktur ve elektronikteki kayıpları telafi etmek için gereken miktarın ötesinde fazla elektriğe ihtiyaç duymazken, hareketsiz destek tesisi, gerekirse uzay aracından çok daha büyük olabilecek enerji santrallerini çalıştırabilir. Bu, huzmeyle çalışan bir tahrik şekli olarak düşünülebilir ( parçacık huzmesiyle tahrik edilen bir yelkenlinin makroskopik ölçekli bir analogu ). Benzer bir sistem, başka bir tahrik sistemine güç sağlamak için bir uzay aracına yakıt peletleri de verebilir.

Bu tahrik kavramının bir başka teorik kullanımı , dairesel bir yolda sürekli bir pelet akışının uzun bir yapıyı tuttuğu bir sistem olan uzay fıskiyelerinde bulunabilir .

Silah olarak kitle sürücüleri

Küçük ila orta büyüklükteki yüksek ivmeli elektromanyetik mermi fırlatıcıları, şu anda ABD Donanması tarafından karada veya gemide kullanılan silahlar (çoğunlukla demiryolu tabancaları, ancak bazı durumlarda bobin tabancaları ) olarak kullanılmak üzere aktif araştırmalardan geçmektedir . Şu anda konuşlandırmaya yakın olan ancak bazen uzun menzilli gelecek projeksiyonlarında önerilen silahlardan daha büyük ölçekte, yeterince yüksek hızlı bir lineer motor , bir kütle sürücüsü, teoride kıtalararası topçu olarak kullanılabilir (veya Ay'da veya yörüngede inşa edilmişse , kullanılabilir. için yeryüzü üzerindeki bir yeri saldırı ). Kütle sürücüsü, teorik hedeflerden daha iyi yerçekimi üzerine yerleştirileceğinden, karşı saldırı açısından önemli bir enerji dengesizliğinin tadını çıkaracaktır.

pratik denemeler

Bir "Elektrikli Tabanca"nın ilk mühendislik tanımlarından biri, Princeton fizikçisi ve elektrik girişimcisi Edwin Fitch Northrup için bir mahlas olan "Akkad Pseudoman" tarafından 1937 bilimkurgu romanı "Sıfırdan Seksene"nin teknik ekinde yer alır . Northrup, kHz frekanslı üç fazlı elektrik jeneratörleriyle çalışan prototip bobin tabancaları yaptı ve kitap, bu prototiplerin bazılarının fotoğraflarını içeriyor. Kitap, bir Northrup elektrikli silahı tarafından fırlatılan iki kişilik bir araç tarafından Ay'ın kurgusal bir çevresini anlatıyor.

Daha sonra prototip kütle sürücüleri 1976'dan beri inşa edildi ( Mass Driver 1 ), bazıları özelliklerini ve pratikliklerini kanıtlamak için ABD Uzay Çalışmaları Enstitüsü tarafından inşa edildi . Maglev trenleri gibi, bobin tabancaları üzerindeki askeri AR-GE de ilişkilidir .

Ayrıca bakınız

İnsanlar

Referanslar

Dış bağlantılar