Das ist relativ einfach

Die Leistung, der Schub und die Effizienz eines Raketentriebwerks sind durch die folgenden Gleichungen verknüpft:

Die Raketengleichung:$\Delta V=v_e ln (\frac{m_0}{m_f})$

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

Raketenleistung:$P = \frac{1}{2} \dot{m} V_e^2 = \frac{1}{2} T V_e$

Wo$\Delta V$ist die maximale Geschwindigkeitsänderung, die die Rakete bewirken kann,$V_e$ist die Abgasgeschwindigkeit,$m_0$ist die Masse der vollständig mit Treibmittel beladenen Rakete,$m_f$ist die Masse der Rakete ohne Treibmittel,$P$ist die Kraft des Motors,$\dot{m}$ist die pro Sekunde ausgestoßene Treibmittelmasse und$T$ist der Schub.

Hohe Effizienz

Stellen Sie sich also vor, Sie haben eine feste Menge an Energie aus dem Reaktor, einen Tank mit fester Größe für Kraftstoff, und Sie möchten so viel bekommen$\Delta V$wie möglich. Das bedeutet Maximieren$v_e$. Das Maximum$v_e$Sie von einer Fusionsrakete erhalten können, ist die Geschwindigkeit der Fusionsprodukte aus der spezifischen Fusionsreaktion, die verwendet wird (wahrscheinlich hochenergetische Heliumkerne, aber es hängt vom gewählten Treibstoff ab). Um eine hocheffiziente Fusionsrakete herzustellen, möchten Sie Ihren Reaktor so konstruieren, dass die Fusionsprodukte direkt aus dem hinteren Teil Ihres Raumfahrzeugs austreten. Der Nachteil dabei ist, dass obwohl unsere$v_e$hoch ist, ist die tatsächliche Treibmittelmasse erschöpft ($\dot{m}$) wird ziemlich niedrig sein. Zum Beispiel, wenn Ihr Reaktor für 3 Gw ausgelegt ist (dh heute ein großer moderner Spaltungsreaktor) und 100% effizient war (offensichtlich nicht möglich, aber es setzt eine Obergrenze) und mit einem perfekt aneutronischen D-He3-Fusionszyklus läuft (Dabei sind viele Herausforderungen zu bewältigen), es würde nur 8,5 mg Treibstoff pro Sekunde* erschöpfen, um Schub zu erzeugen. Die Effizienz wäre ausgezeichnet, aber Sie werden nicht viel Schub bekommen.

Um die Schubstufen von "The Expanse" zu erreichen (Multi-g für ein Raumschiff von angemessener Größe), benötigen Sie einen Reaktor, der im Bereich von mehreren TW arbeitet. Das ist eine enorme Leistung und wird mit vielen technischen Herausforderungen einhergehen, die es zu lösen gilt. Sie können jedoch Effizienz gegen Schub eintauschen.

Hoher Schub

Wer mehr Schub will, braucht einen höheren$\dot{m}$. Alles, was Sie tun müssen, ist, die Rakete so zu konstruieren, dass die heißen Fusionsprodukte eine Art Arbeitsflüssigkeit erhitzen. Dieses wird zu Plasma erhitzt, dehnt sich stark aus und wird durch die Raketendüse ausgestoßen. Beispielhafte Arbeitsfluide könnten flüssiger Wasserstoff, Wasser, Methan oder einige dichtere Kohlenwasserstoffe sein. Indem Sie mehr Treibstoff in die Rakete pumpen, können Sie den Massenstrom und damit den Schub erhöhen. Die Kehrseite ist, dass die Fusionsprodukte mit all diesen neu eingeführten Treibmittelmolekülen kollidieren mussten und jetzt langsamer sind. Die Treibmittelmoleküle bewegen sich auch viel langsamer als die theoretische Maximalgeschwindigkeit der Fusionsprodukte. Folglich wird die durchschnittliche Austrittsgeschwindigkeit der Rakete geringer sein und sie wird viel weniger effizient sein. Es wird das zusätzliche Treibmittel mit einer höheren Rate durchbrennen,

Zusammenfassung

Die meisten Schiffe werden überwiegend mit einem reinen Fusionsprodukt-Auspuff betrieben. Sie werden im Allgemeinen mit einer niedrigen Reisebeschleunigung (vielleicht bis zu ein paar hundert Milli-g) betrieben, um den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Sie werden diesen kleinen Schub über Tage und Wochen aufrechterhalten können, was immer noch ausreicht, um das Sonnensystem in respektablen Zeiten zu umrunden.

Einige Schiffe (Militärschiffe, Expresskuriere und Passagierschiffe der „Business Class“) werden zusätzliche Treibstofftanks an Bord haben. Dies wird den verfügbaren Platz für die Nutzlast verringern, aber es bedeutet, dass sie Treibstoff in ihre Raketendüsen einspritzen und den Schub erheblich erhöhen können. Sie können die meiste Zeit damit verbringen, mit niedriger Beschleunigung zu fahren, können aber für eine viel begrenztere Zeit Verbrennungen von mehreren g ausführen, wenn dies erforderlich ist.

Raketen treiben diesen Ansatz auf die Spitze. Sie sind im Wesentlichen ein Sprengkopf, ein Fusionstriebwerk und ein großer Stapel Treibstofftanks in der Mitte. Sie können Beschleunigungen ausführen, die jeden Menschen töten würden, aber nicht sehr lange. Folglich müssen sie auf größeren Schiffen durch das Sonnensystem transportiert werden, um sie an den Punkt zu bringen, an dem sie gestartet werden können und mit ihren Zielen Schritt halten können, bevor ihnen der Treibstoff ausgeht.

*Alle Berechnungen sind sehr hinter dem Umschlag und können Fehler enthalten. Bitte nicht für tatsächliche Raketenwissenschaft verwenden.

Fusionsantrieb versus Atombomben nach hinten werfen

Hier sind zwei Technologien, die Ihnen die gewünschten Ergebnisse liefern könnten, die von seriösen Wissenschaftlern intensiv untersucht wurden.

Hohe Effizienz: fusionsgetriebene Raketen

Eine Fusionsrakete würde Treibstoff auf lineare und vorhersehbare Weise in Energie umwandeln. Es würde auch die Struktur der Rakete schonen. Hier ist eine Beschreibung von der NASA :

Das Treibmittel wird schnell erhitzt und auf eine hohe Abgasgeschwindigkeit (> 30 km/s) beschleunigt, ohne dass es zu einer wesentlichen physikalischen Wechselwirkung mit dem Raumfahrzeug kommt, wodurch Schäden an der Rakete vermieden und sowohl die thermische Wärmelast als auch die Strahlermasse begrenzt werden ... Die Energie von der Fusionsprozess wird somit mit sehr hoher Effizienz ausgenutzt .

Sofortige Macht: Projekt Orion abschließen

Du willst also Macht und zwar jetzt? Effizienz ist Ihnen egal? Versuchen Sie, eine Atombombe aus der Rückseite Ihrer Rakete zu werfen und auf der Schockwelle zu reiten. Wiederholen Sie den Vorgang nach Bedarf, um die Geschwindigkeit oder Richtung zu ändern. Ob Sie es glauben oder nicht, dies war ein ernsthaftes Projekt der US-Regierung namens Project Orion . Wenn Sie den Fall für den Bau des Dings sehen möchten, lesen Sie diesen Artikel nach der Absage des Projekts.

Die Schiffsenergiequelle könnte einen Prozentsatz der Energie von jedem Fusionsereignis in die Zündung der nächsten Reaktion leiten, und die Waffen könnten all diese Energie in einen Laser leiten. Schließlich wird die Fusionsreaktion als die dümmste Laserpumpe verwendet.

Die derzeitige Überlegung für Fusionsreaktoren besteht darin, ein kleines Deuteriumpellet mit Lasern oder Magnetfeldern zu zünden. Dann einen Weg finden, einen Teil der Energie in die Zündung des nächsten Pellets zu leiten und die resultierende thermische Energie zur Erzeugung von Strom einzufangen. Stellen Sie sich das so vor, als wäre ein Benzinmotor nur eine Reihe winziger kontrollierter Explosionen.

Bei dem, was ich oben beschrieben habe, gibt es keinen Unterschied in der Effizienz (zumindest in Bezug darauf, dass Sie die gleiche Energiemenge pro Kraftstoffeinheit erhalten), aber stattdessen ändern Sie, wohin die Energie fließt, wird alles für externe Arbeit verwendet oder zur Aufrechterhaltung der Kette von Fusionsreaktionen. Sie haben also einen der kontinuierlichen Ausgangsmotoren, der Strom zum Laden von Kondensatoren erzeugt, die die Fusionsreaktionen für die Waffen auslösen.

Brauchen Sie wirklich Fusionsantriebe für Ihre Raketen?

Bei Schiffen, die mit "realistischen" Fusionsantrieben ausgestattet sind, würde die Einstellung Schiffe mit relativ niedrigem DV, aber möglicherweise hohen Endgeschwindigkeiten vorschreiben. Grundsätzlich lange langsame Beschleunigungen (im Vergleich zu einer chemischen Rakete), aber mit sehr viel höherer Treibstoffeffizienz angesichts der extrem energetischen Natur von Fusionsreaktionen.

Warum also nicht Kriegsschiffe mit Raketen ausstatten, die irgendeine Form von hochenergetischem (variablem Schub) Flüssig- oder Festbrennstoff-Booster verwenden? Es ist ein Weltraumkrieg, sodass Sie nicht unbedingt kontinuierliche Verbrennungen benötigen, um Ihre Ziele zu erreichen. Sie brauchen auch nicht die hohen Beschleunigungen von Raketen, die von der Erde abheben. Selbst 1 G Beschleunigung wäre weit mehr, als die meisten realistischen Fusionsantriebe bewältigen könnten. (Oder wenn sie es schaffen, wäre es nur für sehr kurze Zeiträume, weil sie ihre Treibstoffreserven sehr schnell aufbrauchen werden.

Auch im Weltraumraketenkampf würden Unterschiede in den Geschwindigkeiten der beiden Seiten und ihren jeweiligen Umlaufbahnen oder Anflug-/Abflugwinkeln entschieden. Dies bedeutet, dass es "Begegnungen" geben kann, bei denen aufgrund von Geschwindigkeitsunterschieden usw., obwohl die beiden Seiten relativ ziemlich "nah" beieinander zu sein scheinen, keine Seite ( oder vielleicht nur eine) eine Chance hat, die andere zu treffen, und andere Begegnungen hier sogar Obwohl die Reichweite extrem groß ist, können beide starten und treffen.

Dies bedeutet, dass die Art des Antriebs nicht so wichtig ist, wie Sie vielleicht denken, da die Startgeschwindigkeit der Rakete (im Vergleich zum Ziel) die des fusionsbetriebenen Schiffes sein wird, das sie gestartet hat. So erhält es gewissermaßen die Vorteile der Fusionskraft, auch wenn es nicht damit ausgestattet ist.

Und die Vorteile einer Chemie-/Festbrennstoffrakete?

• Billigkeit
• Einfachheit
• Kompaktheit (mehr kann getragen werden)
• schwerer zu erkennen (wenn ausreichend gekühlt und im Leerlauf, etwas, was Sie mit einem Fusionsantrieb nicht erreichen können - da nichts so sehr "hier bin ich" schreit wie eine kleine Sonne, die auf einem Abfangkurs auf Sie zubeschleunigt).