Esto es relativamente sencillo

La potencia, el empuje y la eficiencia de un motor de cohete están vinculados por las siguientes ecuaciones:

La ecuación del cohete:$\Delta V=v_e ln (\frac{m_0}{m_f})$

Empuje:$T= \dot{m} V_e$

Potencia de cohete:$P = \frac{1}{2} \dot{m} V_e^2 = \frac{1}{2} T V_e$

Dónde$\Delta V$es el cambio máximo en velocidad que el cohete puede impartir,$V_e$es la velocidad de escape,$m_0$es la masa del cohete completamente cargado con propulsor,$m_f$es la masa del cohete vacío de propulsor,$P$es la potencia del motor,$\dot{m}$es la masa de propulsor expulsado por segundo, y$T$es el empuje.

Alta eficiencia

Entonces, imagine que tiene una cantidad fija de energía del reactor, un tanque de combustible de tamaño fijo y desea obtener tanta$\Delta V$como sea posible. Esto significa maximizar$v_e$. El maximo$v_e$que puede obtener de un cohete de fusión es la velocidad de los productos de fusión de la reacción de fusión específica utilizada (probablemente núcleos de helio altamente energéticos, pero depende del combustible elegido). Para hacer un cohete de fusión de alta eficiencia, desea diseñar su reactor para expulsar directamente los productos de fusión por la parte trasera de su nave espacial. La desventaja de esto es que aunque nuestra$v_e$es alto, la masa real de propulsor agotado ($\dot{m}$) va a ser bastante bajo. Por ejemplo, si su reactor tiene una capacidad nominal de 3 Gw (es decir, un gran reactor de fisión moderno en la actualidad), y era 100% eficiente (obviamente no es posible, pero establece un límite superior), y funciona en un ciclo de fusión D-He3 perfectamente aneutrónico (muchos desafíos que superar con esto), se agotarían solo 8,5 mg de combustible por segundo* para producir empuje. La eficiencia de esto sería excelente, pero no obtendrá mucho impulso.

Para obtener los niveles de empuje de "La Expansión" (Multi-g para una nave espacial de tamaño razonable), necesitará un reactor que opere en el rango de múltiples TW. Esa es una enorme cantidad de energía y vendrá con una gran cantidad de desafíos de ingeniería para resolver. Sin embargo, puede cambiar la eficiencia por el empuje.

Alto empuje

Si desea un mayor empuje, necesita un mayor$\dot{m}$. Todo lo que necesita hacer es diseñar el cohete de manera que los productos de fusión en caliente calienten algún tipo de fluido de trabajo. Esto se calienta a plasma, se expande drásticamente y se agota a través de la tobera del cohete. Ejemplos de fluidos de trabajo podrían ser hidrógeno líquido, agua, metano o algún hidrocarburo más denso. Al bombear más propulsor en el cohete, puede aumentar la tasa de flujo másico y, por lo tanto, el empuje. La desventaja es que esto significa que los productos de fusión habrán tenido que chocar con todas esas moléculas propulsoras recién introducidas, y ahora serán más lentos. Las moléculas propulsoras también viajarán mucho más lentamente que la velocidad máxima teórica de los productos de fusión. En consecuencia, la velocidad de escape promedio del cohete será menor y será mucho menos eficiente. Quemará el propulsor adicional a un ritmo mayor,

Resumen

La mayoría de los barcos funcionarán predominantemente con un escape de producto de fusión pura. Por lo general, operarán con una aceleración de crucero baja (quizás hasta un par de cientos de mili-g) para minimizar el consumo de combustible. Podrán mantener este pequeño empuje durante días y semanas, lo que todavía es suficiente para dar la vuelta al sistema solar en tiempos respetables.

Algunos barcos (buques militares, correos expresos y barcos de pasajeros de "clase ejecutiva") tendrán tanques propulsores adicionales a bordo. Esto reducirá el espacio disponible para la carga útil, pero significará que pueden inyectar propulsor en las toberas de sus cohetes y aumentar sustancialmente el empuje. Pueden pasar la mayor parte de su tiempo navegando con baja aceleración, pero pueden ejecutar quemaduras de múltiples gs cuando lo necesitan por una cantidad de tiempo mucho más limitada.

Los misiles llevan este enfoque al extremo. Son esencialmente una ojiva, un motor de fusión y una gran pila de tanques de combustible en el medio. Pueden lograr aceleraciones que matarían a cualquier humano, pero no por mucho tiempo. En consecuencia, deben transportarse por todo el sistema solar en naves más grandes para llevarlos al punto en el que puedan lanzarse y puedan mantenerse al día con sus objetivos antes de que se queden sin combustible.

*Todos los cálculos están muy al final del sobre y pueden contener errores. Por favor, no lo use para la ciencia espacial real.

Propulsión de fusión frente a lanzar bombas nucleares por la espalda

Aquí hay dos tecnologías que podrían brindarle los resultados deseados que han sido muy estudiados por científicos serios.

Alta eficiencia: cohetes impulsados ​​por fusión

Un cohete de fusión convertiría el propulsor en energía de forma lineal y predecible. También sería suave con la estructura del cohete. Aquí hay una descripción de la NASA :

El propulsor se calienta rápidamente y se acelera a una alta velocidad de escape (> 30 km/s), mientras que no tiene una interacción física significativa con la nave espacial, lo que evita dañar el cohete y limita tanto la carga de calor térmico como la masa del radiador... La energía de el proceso de fusión se utiliza así con una eficacia muy alta .

Poder inmediato: termina el Proyecto Orión

Entonces, ¿quieres poder y lo quieres ahora mismo? ¿No te importa la eficiencia? Intenta lanzar una bomba nuclear por la parte trasera de tu cohete y montar la onda expansiva. Repita según sea necesario para cambiar la velocidad o la dirección. Lo creas o no, este fue un proyecto serio del gobierno de los EE. UU. llamado Proyecto Orión . Si desea ver el caso para construir la cosa, consulte este artículo posterior a la cancelación del proyecto.

La fuente de energía de la nave podría dirigir un porcentaje de la energía de cada evento de fusión para encender la siguiente reacción y las armas podrían dirigir toda esa energía a un láser. Eventualmente usando la reacción de fusión como la bomba láser más estúpidamente poderosa.

El pensamiento actual para los reactores de fusión es encender una pequeña bolita de deuterio usando láseres o campos magnéticos. Luego, encontrar una manera de canalizar parte de la energía para encender la siguiente bolita y capturar la energía térmica resultante para crear electricidad. Piense en ello como similar a la forma en que un motor de gasolina es solo una serie de pequeñas explosiones controladas.

En lo que he descrito anteriormente no hay diferencia en la eficiencia (al menos en términos de que obtienes la misma cantidad de energía por unidad de combustible), sino que estás cambiando a dónde va la energía, ¿todo va a hacer trabajo externo o para sostener la cadena de reacciones de fusión. Así que tienes uno de los motores de salida continua que produce energía para cargar condensadores, que inician las reacciones de fusión de las armas.

¿Realmente necesita propulsores de fusión para sus misiles?

Dadas las naves equipadas con unidades de fusión 'realistas', la configuración dictaría naves con DV relativamente bajo pero velocidades finales potencialmente altas. Básicamente, aceleraciones largas y lentas (en comparación con un cohete químico), pero con una eficiencia de combustible mucho mayor dada la naturaleza extremadamente energética de las reacciones de fusión.

Entonces, ¿por qué no equipar los buques de guerra con misiles utilizando algún tipo de refuerzo de combustible líquido o sólido altamente energético (empuje variable)? Es una guerra espacial, por lo que no necesariamente necesita quemaduras continuas para alcanzar sus objetivos. Tampoco necesita las altas aceleraciones de los cohetes que se levantan desde la Tierra. Incluso 1G de aceleración sería mucho más de lo que podría manejar la mayoría de cualquier unidad de fusión realista. (O si pueden manejarlo, sería solo por períodos de tiempo muy cortos porque gastarán sus reservas de combustible rápidamente.

También en el espacio, el combate con misiles se decidiría por las diferencias en las velocidades de los dos lados y sus respectivas órbitas o ángulos de aproximación/salida. Esto significa que puede haber "encuentros" en los que, debido a las diferencias de velocidad, etc., aunque los dos lados parecen estar relativamente "cerca" uno del otro, ninguno de los lados (o quizás solo uno) tiene la posibilidad de golpear al otro y otros encuentros aquí incluso. aunque el rango es extremadamente largo, ambos pueden lanzar y golpear.

Lo que esto significa es que el tipo de propulsión no es tan importante como se puede pensar, dado que la velocidad inicial de los cohetes (en comparación con el objetivo) será la de la nave propulsada por fusión que lo lanzó. Entonces, de alguna manera, obtiene los beneficios de la energía de fusión incluso si no está equipado con uno.

¿Y los beneficios de un cohete de combustible químico/sólido?

• baratura
• sencillez
• compacidad (se puede llevar más)
• más difícil de detectar (si se enfría lo suficiente y se desliza, algo que no tiene esperanza de hacer con un motor de fusión, ya que nada grita "aquí estoy" tanto como un pequeño sol acelerando hacia usted en un curso de intercepción).