Fotonová raketa - Photon rocket
A fotonová raketa je raketa který používá tah z hybnosti emitovaného fotony (radiační tlak vyzařováním ) pro jeho pohon.[1] Fotonové rakety byly diskutovány jako pohonný systém, který by umožnil mezihvězdný let, což vyžaduje[Citace je zapotřebí ] schopnost pohánět kosmickou loď rychlostí alespoň 10% rychlosti světla, v ~ 0,1 c = 30 000 km / s (Tsander, 1967). Fotonový pohon byl považován za jeden z nejlepších dostupných mezihvězdných pohonných konceptů, protože je založen na zavedené fyzice a technologiích (Forward, 1984). Tradiční fotonové rakety jsou navrženy tak, aby byly poháněny palubními generátory, jako v případě nukleární fotonická raketa. Standardní učebnicový případ takové rakety je ideálním případem, kdy se veškeré palivo převádí na fotony, které jsou vyzařovány stejným směrem. Při realističtějších úpravách se bere v úvahu, že paprsek fotonů není dokonalý kolimoval, že ne všechno palivo se přemění na fotony atd. Bylo by zapotřebí velké množství paliva a raketa by byla obrovskou lodí.[2][3]
Omezení, která představuje raketová rovnice lze překonat, pokud není reakční hmota unesena kosmickou lodí. V paprsku Laserový pohon (BLP), generátory fotonů a kosmická loď jsou fyzicky odděleny a fotony jsou paprskem přeneseny ze zdroje fotonů do kosmické lodi pomocí laserů. BLP je však omezen kvůli extrémně nízké účinnosti generování tahu fotonové reflexe. Jedním z nejlepších způsobů, jak překonat inherentní neúčinnost při produkci tahu fotonového pohonu, je zesílení přenosu hybnosti fotonů recyklací fotonů mezi dvěma zrcadly s vysokou odrazivostí.
Rychlost
Rychlost, kterou ideální fotonová raketa dosáhne při absenci vnějších sil, závisí na poměru její počáteční a konečné hmotnosti:
kde je počáteční hmotnost a je konečná hmotnost.[4]
The faktor gama odpovídající této rychlosti má jednoduchý výraz:
- .
Při 10% rychlosti světla je faktor gama asi 1,005, z čehož vyplývá je téměř 0,9.
Derivace
Označujeme čtyři momenty rakety v klidu jako , raketa poté, co spálila palivo jako a čtyř-hybnost emitovaných fotonů jako . Zachování čtyř hybnosti znamená:
srovnat obě strany (tj Vnitřní produkt Lorentz obou stran se sebou) dává:
Podle vztahu energie-hybnost (), čtverec čtyř-hybnosti se rovná druhé mocnině hmotnosti a protože fotony mají nulovou hmotnost.
Když začneme v klidovém rámci (tj. Snímku s nulovou hybností) rakety, počáteční čtyř-hybnost rakety je:
zatímco poslední čtyři momenty jsou:
Proto vezmeme vnitřní produkt Minkowski (viz čtyři-vektor ), dostaneme:
Nyní můžeme vyřešit faktor gama a získat:
Maximální rychlostní limit
Standardní teorie říká, že teoretický limit rychlosti fotonové rakety je pod rychlostí světla. Haug nedávno v Acta Astronautica[4] navrhl maximální rychlostní limit pro ideální fotonové rakety, který je těsně pod rychlostí světla. Jeho tvrzení však vyvrátil Daniele Tommasini et.al.[5], protože taková rychlost je formulována pro relativistickou hmotnost a je tedy závislá na rámci.
Bez ohledu na vlastnosti fotonového generátoru mají palubní fotonové rakety poháněné jaderným štěpením a fúzí rychlostní limity z účinnosti těchto procesů. Zde se předpokládá, že pohonný systém má jeden stupeň. Předpokládejme, že celková hmotnost fotonové rakety / kosmické lodi je M, která zahrnuje paliva s hmotností αM s α <1. Za předpokladu energetické účinnosti přeměny energie paliva na pohonný systém γ a účinnosti přeměny energie pohonného systému na fotonovou energii δ << 1, maximální celková energie fotonu generovaná pro pohon, Estr, darováno
Pokud lze celkový tok fotonu zaměřit na 100% účinnost generování tahu, pak celkový tah fotonu Tstr, darováno
Maximální dosažitelná rychlost kosmické lodi, Vmax, fotonového pohonného systému pro Vmax<< c, je dáno
Například přibližné maximální rychlosti dosažitelné palubními fotonovými raketami s předpokládaným parametrem jsou uvedeny v tabulce 1. Maximální limity rychlosti u těchto jaderných raket jsou menší než 0,02% rychlosti světla (60 km / s). Proto jsou palubní jaderné fotonové rakety nevhodné pro mezihvězdné mise.
Tabulka 1 Maximální rychlost dosažitelná fotonovými raketami s palubními generátory jaderných fotonů s příkladnými parametry.
Zdroj energie | α | y | δ | PROTImax/C |
Štěpení | 0.1 | 10−3 | 0.5 | 5x10−5 |
Fúze | 0.1 | 4x10−3 | 0.5 | 2x10−4 |
The Beamed Laserový pohon, jako je Photonic Laser Thruster, však v zásadě může poskytnout maximální rychlost kosmické lodi blížící se rychlosti světla, c.
Viz také
Reference
- ^ McCormack, John W. "5. POHONNÉ SYSTÉMY". VESMÍRNÁ PŘÍRUČKA: ASTRONAUTIKA A JEJÍ APLIKACE. Užší výbor pro astronautiku a průzkum vesmíru. Citováno 29. října 2012.
- ^ Photon Rocket od G.G. Zel'kin
- ^ Od V. Smilgy nebude žádná fotonová raketa
- ^ A b Haug, E.G. (2017). „Konečné limity relativistické raketové rovnice. Planckova fotonová raketa“. Acta Astronautica. 136: 144–147. arXiv:1807.10280. doi:10.1016 / j.actaastro.2017.03.011.
- ^ Tommasini, Daniele; Paredes, Angel; Michinel, Humberto (01.08.2019). „Komentujte“ konečné limity relativistické raketové rovnice. Planckova fotonová raketa"". Acta Astronautica. 161: 373–374. doi:10.1016 / j.actaastro.2019.01.051. ISSN 0094-5765.