Предложен новый двигатель для сверхбыстрого полета на Марс

[Veganin]

Ученые Университета Макгилла в Канаде предложили проект нового лазерно-теплового двигателя, который сократит время путешествия космического корабля на Марс до 45 дней по сравнению с шестью месяцами полета для кораблей с химическими двигателями. Концепция, описанная в журнале Acta Astronautica, предполагает, что массив лазеров, установленный на Земле, будет нагревать водородную плазму в камере в задней части межпланетного корабля и создавать тягу из выбросов газообразного водорода. Кратко о проекте рассказывается в пресс-релизе на Phys.org.

Согласно задумке инженеров, фазированная решетка инфракрасных лазеров с общим диаметром десять метров и мощностью 100 мегаватт может подавать направленный луч на космический корабль, находящийся в окололунном пространстве (ошибка перевода! - Veganin) на околоземной эллиптической орбите. Луч будет фокусироваться в камере нагрева c помощью надувного отражателя космического корабля. Нагретое до 10 тысяч кельвинов водородное топливо выбрасывается через сопло, что позволит кораблю достичь удельного импульса в 3000 секунд (столько времени проработает двигатель на одном килограмме топлива, создавая тягу в один ньютон). Для сравнения удельный импульс жидкостных ракетных двигателей достигает всего около 470 секунд.

Could a laser send a spacecraft to Mars? That's a proposed mission from a group at McGill University, designed to meet a solicitation from NASA. The laser, a 10-meter wide array on Earth, would heat hydrogen plasma in a chamber behind the spacecraft, producing thrust from hydrogen gas and sending it to Mars in only 45 days. There, it would aerobrake in Mars' atmosphere, shuttling supplies to human colonists or, someday perhaps, even humans themselves.

In 2018, NASA challenged engineers to design a mission to Mars that would deliver a payload of at least 1,000 kilograms in no more than 45 days, as well as longer trips deep into, and out of, the solar system. The short delivery time is motivated by a desire to ferry shipments and, someday, astronauts to Mars while minimizing their exposure to the damaging effects of galactic cosmic rays and solar storms. Elon Musk's SpaceX envisions a human trip to Mars would take six months with its chemical-based rockets.

McGill's concept, called laser-thermal propulsion, relies on an array of infrared lasers based on Earth, 10 meters in diameter, combining many invisible infrared beams, each with a wavelength of about one micron, for a powerful total of 100 megawatts—the electric power required for about 80,000 U.S. households. The payload, orbiting in an elliptical medium Earth orbit, would have a reflector that directs the laser beam coming from Earth into a heating chamber containing a hydrogen plasma. With its core then heated as high as 40,000 Kelvin (72,000 degrees Fahrenheit), hydrogen gas flowing around the core would reach 10,000 K (18,000 degrees Fahrenheit) and be expelled out a nozzle, creating thrust to propel the ship away from Earth over an interval of 58 minutes. (Side thrusters would keep the craft aligned with the laser's beam as Earth rotates.)

When the beaming stops, the payload zips away at a velocity of almost 17 kilometers per second relative to Earth—fast enough to go past the moon's orbital distance in a mere eight hours. When it reaches the Martian atmosphere in a month and a half, it will still be traveling at 16 km/s; however, once there, placing the payload in a 150-km orbit around Mars is a difficult problem for the engineering team to solve.

It's difficult because the payload can't carry a chemical propellant to fire a rocket to slow itself down—the fuel needed would reduce the payload mass to less than 6 percent of the original 1,000 kilograms. And until humans on the red planet can construct an equivalent laser array for the incoming craft to use its reflector and plasma chamber to provide reverse thrust, aerocapture is the only way to decelerate the payload at Mars.

Even then, the aerocapture, or aerobraking, in Mars' atmosphere could be a dicey maneuver, with the spacecraft experiencing decelerations of up to 8 g (where g is the acceleration due to gravity at Earth's surface, 9.8 m/s2), about the human limit, for only a few minutes, as it is captured within a single pass around Mars. The large heat fluxes on the craft due to atmospheric friction would be above traditional thermal protection system materials, but not those under active development.

Laser-thermal propulsion of spacecraft into deep space—Mars and further—contrast with other previously proposed methods of conveyance, such as laser-electric propulsion, in which a laser beam would impinge on photovoltaic (PV) cells behind the payload; solar-electric propulsion, in which sunlight on the PV cells creates the propulsive thrust; nuclear-electric propulsion, in which a nuclear reactor creates electricity that produces ions propelled out a thruster; and nuclear-thermal propulsion, in which a nuclear reactor's heat converts liquid to a gas that's propelled out a nozzle to create thrust.

"Laser-thermal propulsion enables rapid transport missions of 1 ton with laser arrays the size of a volleyball court—something laser-electric propulsion can only do with kilometer-class arrays," says Emmanuel Duplay, lead author on the study, who worked on the project over two years while part of McGill University's Summer Undergraduate Research in Engineering Program. Duplay is now in Delft University of Technology's Master of Science Program in Aerospace Engineering with a specialization in Spaceflight.

A great advantage of laser-thermal propulsion mission concept presented by Duplay et al. is its extremely low mass-to-power ratio, in the range 0.001–0.010 kg/kW—"unparalleled," they write, "far below even those cited for advanced nuclear propulsion technologies, due to the fact that the power source remains on Earth and the delivered flux can be processed by a low-mass inflatable reflector."

Laser-thermal propulsion had first been studied in the 1970s using 10.6 micron CO2 lasers, the most powerful at the time. Today's present-day fiber-optic lasers, at one micron, which can be combined in massively parallel, phased arrays with a large, effective diameter, means a focal length of power delivery over two orders of magnitude higher—50,000 km in Duplay's laser-thermal propulsion concept.

Duplay explains that an architecture for phased-array lasers is being developed by a group led by physicist Philip Lubin at the University of California at Santa Barbara. Lubin's group's array uses individual laser amplifiers of about 100 watts each—each amplifier is a simple loop of fiber optics and an LED light as a pump, and can be mass produced inexpensively—so the Mars mission envisioned here would require on order of 1 million individual amplifiers.

The first humans to Mars likely won't get there using laser-thermal propulsion technology. "However, as more humans make the trip to sustain a long-term colony, we will need propulsion systems that get us there faster—if only to avoid radiation hazards," Duplay says. A laser-thermal mission to Mars might launch 10 years after the first human missions, he speculates, so perhaps around 2040.

https://lenta.ru/news/2022/02/10/laser/
https://phys.org/news/2022-02-laser-mars.html

[Бертикъ]

И весь этот "огород" ради 1 тонны ПН на Марсе через 1,5 месяца?
А для 100 т нужно будет на Земле раскочегарить микроволновку в 10 ГВт?
Ну не знаю...

[Alex-DX]

Нормальная схема. Только луч должен работать не с Земли. Орбитальная СЭС, два в одном и оружие и космический экспресс.

[Настрел]

После синфазной лазерной решетки дальше можно не читать.

[Alex-DX]

После синфазной лазерной решетки дальше можно не читать.

Ой да ладно. Складывание мощности в пространстве, широко известная технология. 

[Настрел]

После синфазной лазерной решетки дальше можно не читать.

Ой да ладно. Складывание мощности в пространстве, широко известная технология. 

В фантастической литературе. Примерно между телепортом, и варп-двигателем.

[Юрий Темников]

Уже расклевали по полной.

[Zhilinsky Valerij]

Уже расклевали по полной.

Если "расклевали" - то где ссылка?

[Zhilinsky Valerij]

И весь этот "огород" ради 1 тонны ПН на Марсе через 1,5 месяца?
А для 100 т нужно будет на Земле раскочегарить микроволновку в 10 ГВт?
Ну не знаю...

Интереснее поставить лазеры с источником энергии на обратной стороне Луны, что позволит разгонять ПН долгое время. Тогда целью станет не Марс, а внешние планеты, отлётные миссии и "межзвёздные странники"...
   

[Zhilinsky Valerij]

Нормальная схема. Только луч должен работать не с Земли. Орбитальная СЭС, два в одном и оружие и космический экспресс.

Именно потому, что такой луч можно использовать как оружие, этот вариант мало вероятен. Да и "отдача" для свободнолетающей СЭС тоже может создавать проблемы. А вот с установкой на обратной стороне Луны - почему нет?
   

[Шестопер239]

В фантастической литературе. Примерно между телепортом, и варп-двигателем.

Уже реализованы
www.bsuir.by/m/12_100229_1_57767.pdf

[Шестопер239]

И весь этот "огород" ради 1 тонны ПН на Марсе через 1,5 месяца?
А для 100 т нужно будет на Земле раскочегарить микроволновку в 10 ГВт?
Ну не знаю...

Отличная схема - можно будет за сутки разгонять к Марсу десятки посылок (при более мощном луче и более быстром разгоне - сотни посылок). В год - десятки тысяч.
Выводить посылки с Земли пусковой петлей (вместе со многими другими грузками), доразгонять к Марсу лучом - это рабочая схема колонизации.

[Юрий Темников]

Уже расклевали по полной.

Увы ,не помню. То ли на Хабре ,то ли на Naked. Пробежал наискосых.10 тыщ С в КС ?!статья большая,много всего ,не вникал.
Для любого груза слишком накладно,да еще "тормозную при Марсе строить... С маневром Оберта гораздо проще.Да ещё за чужой счёт!Сколько там у Земли и Марса по максимуму выжать можно?

[ZOOR]

Ученые Университета Макгилла в Канаде предложили проект ....

Гуглоперевод

Эммануэль Дюплей, ведущий автор исследования, который работал над проектом в течение двух лет в рамках летней программы бакалавриата Университета Макгилла по инженерным исследованиям. Дюплей сейчас учится в Делфтском технологическом университете по программе магистра наук в области аэрокосмической инженерии со специализацией в области космических полетов.

Для бакалавра очень неплохой реферат на тему "Как по заданию НАСА достичь Марса за 45 дней в предположении, что у бабушки есть яца".

Магистром он воткнется в нерешенные технические проблемы (даже не задачи) и все устаканится.

[Просто Василий]

На сайт Projectrho все эти движки давно рассмотрены, расписаны.

[Zhilinsky Valerij]

Увы ,не помню. То ли на Хабре ,то ли на Naked. Пробежал наискосых.10 тыщ С в КС ?!статья большая,много всего ,не вникал.
Для любого груза слишком накладно,да еще "тормозную при Марсе строить... С маневром Оберта гораздо проще.Да ещё за чужой счёт!Сколько там у Земли и Марса по максимуму выжать можно?

На самом деле великолепный вариант для регулярных запусков на отлётную или к планетам-гигантам. Только вот строить лазеры надо или на огромной солнечной электростанции (но тогда возможно использование его как оружия, а это политические риски), или на обратной стороне Луны с питанием от солнечных батарей. Тогда разгонять можно не 58 минут, а до 14 суток, это означает, что можно поднять хорошо массу КА или его скорость...

[Верный Союзник с Окинавы]

Бумага всё стерпит.

[ZOOR]

На сайт Projectrho все эти движки давно рассмотрены, расписаны.

И что там написано про реализацию "нагретое до 10 тысяч кельвинов водородное топливо выбрасывается через сопло" ?

[Юрий Темников]

На самом деле великолепный вариант для регулярных запусков на отлётную или к планетам-гигантам. Только вот строить лазеры надо или на огромной солнечной электростанции (но тогда возможно использование его как оружия, а это политические риски), или на обратной стороне Луны с питанием от солнечных батарей. Тогда разгонять можно не 58 минут, а до 14 суток, это означает, что можно поднять хорошо массу КА или его скорость...

Ну куда вы торопитесь.Какая разница будет лететь груз полгода или три месяца?Но дороже обойдётся в несколько раз.Забыли что-ли:Е=М V квадрат(это на разгон и торможение_)И это при тройном преобразовании энергии.Свет ,электричество,свет,тепло,с КПД как у паровоза.Оберт из Лагранжа с ,Лунным топливом,у Земли и Марса гораздо эффективнее.Большая часть энергии почти бесплатная.

[Просто Василий]

На сайт Projectrho все эти движки давно рассмотрены, расписаны.

И что там написано про реализацию "нагретое до 10 тысяч кельвинов водородное топливо выбрасывается через сопло" ?

Надо там искать, Laser Beam propulsion

[Юрий Темников]

Развёрнутая статья,о лазерно-тепловом ЖРД:https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2201.00244
Много "цифер и разьяснений.

[Верный Союзник с Окинавы]

И что там написано про реализацию "нагретое до 10 тысяч кельвинов водородное топливо выбрасывается через сопло" ?

http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#laserthermal

Но вообще, зачем сало, когда есть двигатель на ПИВЕ:

http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#beer

[Юрий Темников]

У меня единственное возражение :НЕ ДАЙ бОГ ОШИБЁТЕСЬ В УГЛЕ ОТРАЖЕНИЯ.движок в  ПАР!?Зеркало надувное.

[sol]

а если этот лазер а корабле же и прикрутить? И большие ушастые солнечные батареи

[Zhilinsky Valerij]

Ну куда вы торопитесь.Какая разница будет лететь груз полгода или три месяца?Но дороже обойдётся в несколько раз.Забыли что-ли:Е=М V квадрат(это на разгон и торможение_)И это при тройном преобразовании энергии.Свет ,электричество,свет,тепло,с КПД как у паровоза.Оберт из Лагранжа с ,Лунным топливом,у Земли и Марса гораздо эффективнее.Большая часть энергии почти бесплатная.

Разница, на самом деле, выглядит так - пол года с лазерным разгоном и регулярными запусками раз в несколько месяцев, и 10-50 лет с запуском раз в пятнадцать-двадцать лет...
   
Разница принципиальная - каждый учёный по этому профилю примет участие в этой программе...
   

[Zhilinsky Valerij]

а если этот лазер а корабле же и прикрутить? И большие ушастые солнечные батареи

Ну, и куда ваш ушастый лазер полетит, с такой массой и тягой?
   

[Юрий Темников]

Ну куда вы торопитесь.Какая разница будет лететь груз полгода или три месяца?Но дороже обойдётся в несколько раз.Забыли что-ли:Е=М V квадрат(это на разгон и торможение_)И это при тройном преобразовании энергии.Свет ,электричество,свет,тепло,с КПД как у паровоза.Оберт из Лагранжа с ,Лунным топливом,у Земли и Марса гораздо эффективнее.Большая часть энергии почти бесплатная.

Разница, на самом деле, выглядит так - пол года с лазерным разгоном и регулярными запусками раз в несколько месяцев, и 10-50 лет с запуском раз в пятнадцать-двадцать лет...
 
Разница принципиальная - каждый учёный по этому профилю примет участие в этой программе...
 

Мне смешно!Энергия для такого старта зашкаливает все мыслимые реалии.Те же энергетические возможности позволят запускать супермассивные КА в гораздо большем количестве ,Ежегодно.С ЛБ с на порядки меньшей энергетикой позволит с  с использованием маневра Оберта у Земли и Юпа или Сатурна и Нептуна.А главное с использованием Даровой гравитационной  энергии.