Будущее освоения космоса включает в себя несколько довольно амбициозных планов по отправке миссий дальше от Земли, чем когда-либо прежде. Помимо текущих предложений по созданию инфраструктуры в окололунном пространстве и отправке регулярных миссий с экипажем на Луну и Марс, также планируется отправлять роботизированные миссии за пределы солнечной системы, на фокусное расстояние гравитационной линзы нашего солнца и даже к ближайшим звездам для исследования экзопланет. Для достижения этих целей требуется двигательная установка следующего поколения, которая может обеспечить высокую тягу и постоянное ускорение.
Сфокусированные лазерные установки - или направленная энергия (DE) - и световые паруса — это средства, которые активно исследуются, такие как Breakthrough Starshot и Проксима Центавра. Помимо этих предложений, команда из Университета Макгилла в Монреале предложила новый тип двигательной установки с направленной энергией для исследования Солнечной системы. В недавней статье команда поделилась ранними результатами своего лазерно-теплового двигателя (LTP), который позволяет предположить, что технология потенциально может обеспечить как высокую тягу, так и удельный импульс для межзвездных полетов.
Исследовательскую группу возглавляли Габриэль Р. Дубе, студент-стажер Экспериментальной исследовательской группы межзвездных полетов McGill (IFERG), и доцент Эндрю Хиггинс, главный исследователь IFERG. К ним присоединились Эммануэль Дюплай, аспирант Технического университета Делфта (TU Delft); Сиера Риэль, летний научный сотрудник IFERG; и Джейсон Луазо, адъюнкт-профессор Королевского военного колледжа Канады.
Команда представила свои результаты на научно-техническом форуме и экспозиции AIAA 2024 года и в документе, который появился на Форуме AIAA SCITECH 2024.
Хиггинс и его коллеги первоначально предложили эту концепцию в статье 2022 года, опубликованной в Acta Astronautica под названием "Разработка миссии быстрого полета на Марс с использованием лазерно-теплового двигателя".
Как сообщала в то время Universe Today, LTP был вдохновлен межзвездными концепциями, такими как Starshot и Project Dragonfly. Однако Хиггинс и его коллеги из McGill заинтересовались тем, как та же технология может обеспечить быстрые транзитные полеты на Марс всего за 45 дней и по всей Солнечной системе. Они утверждали, что этот метод также может подтвердить применяемые технологии и послужить ступенькой к межзвездным миссиям.
Как сообщил Хиггинс Universe Today по электронной почте, идея пришла к ним во время пандемии, когда они не смогли попасть в свою лабораторию:
"Студенты провели подробное концептуальное исследование того, как мы могли бы использовать большие лазерные решетки, предусмотренные для Breakthrough Starshot, для более краткосрочной миссии в Солнечной системе. Вместо лазера диаметром 10 км и мощностью 100 ГВт, предусмотренного для Breakthrough Starshot, мы ограничились лазером диаметром 10 м и мощностью 100 МВт и показали, что он сможет подавать энергию на космический корабль почти на расстояние Луны. Нагревая водородное топливо до 10 000 С К, лазер обеспечивает "святой грааль" высокой тяги и высокого удельного импульса. "
Концепция аналогична ядерно-тепловому двигателю (NTP), который НАСА и DARPA в настоящее время разрабатывают для миссий быстрого полета на Марс. В системе NTP ядерный реактор выделяет тепло, которое вызывает расширение водородного или дейтериевого топлива, которое затем фокусируется через сопла для создания тяги.
В этом случае лазеры с фазированной антенной решеткой фокусируются в камере нагрева водорода, который затем выпускается через сопло для получения специфических импульсов продолжительностью 3000 секунд. По его словам, с тех пор как Хиггинс и его студенты вернулись в лабораторию, они пытались экспериментально подтвердить свою идею:
"Очевидно, что у нас в McGill нет лазера мощностью 100 МВт, но теперь у нас есть лазерная установка мощностью 3 киловатта в лаборатории , и мы изучаем, как лазер будет передавать свою энергию топливу (в конечном итоге водороду, но пока аргону, просто потому, что его легче ионизировать). В документе AIAA сообщается о проектировании, постройке и "перетряске" нашей лазерной установки мощностью 3 кВт. "
Хиггинс и его команда сконструировали аппарат, содержащий от 5 до 20 бар статического газа аргона по результатам своих испытаний. В то время как в окончательной концепции в качестве топлива будет использоваться газообразный водород, для испытаний использовался газообразный аргон, поскольку его легче ионизировать. Затем они запустили лазер мощностью 3 кВт импульсами с частотой 1070 нанометров (что соответствует длине волны ближнего инфракрасного диапазона), чтобы определить пороговую мощность, необходимую для создания плазмы, поддерживаемой лазером (LSP). Их результаты показали, что около 80% лазерной энергии было выделено в плазму, что согласуется с предыдущими исследованиями.
Полученные ими данные о давлении и спектре также показали пиковую температуру LSP с рабочим газом, хотя они подчеркивают, что для получения окончательных результатов необходимы дальнейшие исследования. Они также подчеркнули, что для проведения испытаний с форсированным потоком и других испытаний LSP необходимо специальное оборудование. Наконец, команда планирует провести измерения тяги позже в этом году, чтобы оценить, какое ускорение (дельта-v) и удельный импульс (Isp) лазерно-тепловая двигательная установка может обеспечить для будущих миссий на Марс и другие планеты Солнечной системы.
Если технология будет соответствовать поставленной задаче, мы могли бы рассмотреть систему, способную доставлять астронавтов на Марс за недели, а не за месяцы. Другие концепции, выбранные для NIAC в этом году, включают тесты для оценки систем гибернации для длительных миссий в условиях микрогравитации. По отдельности или в сочетании эти технологии могут обеспечить выполнение миссий с быстрым переходом, требующих меньшего количества груза и припасов, и свести к минимуму воздействие микрогравитации и радиации на астронавтов.
Источник: Universe Today
На изображении:
Впечатление художника от движущего лазерного паруса с направленной энергией в действии.
Дополнительные материалы
