Введение. Расчет эффективности магнитного сопла для ракеты на лазерно-инерционном термоядерном синтезе

Расчет эффективности магнитного сопла для ракеты на лазерно-инерционном термоядерном синтезе

Thrust Efficiency Calculation for Magnetic Nozzle in Laser Fusion Rocket

Нобуеси Сакагаки (Nobuyasu Sakaguchi),
Йоширо Каджимура (Yoshihiro Kajimura),
Хидеки Накашима (Hideki Nakashima)

Департамент передовых исследований в области энергетической инженерии, аспирантура промышленной школы.
Department of Advanced Energy Engineering Science, Interdisciplinary Graduate School

Ключевые слова: Ракета на лазерном термоядерном синтезе, Магнитное сопло, Эффективность тяги. (Laser Fusion Rocket, Magnetic Nozzle, Thrust Efficiency)

Введение

Анализ поведения плазмы в магнитном сопле представляет интерес для проектирования ракеты, тяга которой создается продуктами инерционного термоядерного синтеза инициируемого лазерами. В магнитном сопле можно достигнуть высокой скорости истечения (высокой эффективности использования массы отбрасываемого топлива), потому что в процессе истечения из двигателя плазма не вступает в прямой контакт со структурой, формирующее камеру сгорания. Некоторые концептуальные решения для ракеты на лазерном термоядерном синтезе (laser fusion rocket LFR) были предложены. Ракета оборудована магнитным соплом который формирует направленную струю плазмы, возникшую в результате инерционного лазерного синтеза, используя для этого сверхпроводящую (superconducting magnetic SCM) катушку (" витка" или " контура"), которая и принимает импульс от расширяющейся плазмы.
Гайд (Hyde) разработал LRF и предложил магнитное сопло, использующее два SCM витка. Потом он предложил новый проект и оценил эффективность тяги, используя для этого двумерную (2D) магнитогидродинамическую (magnetrohydrodynamics MHD) вычислительную модель для одного витка. Как утверждалось, эффективность тяги в этом случае составила 65 %. Нагамине и Накашима (Nagamine and Nakashima) рассчитали поведение плазмы и эффективность тяги используя трехмерную (3D) гибридную вычислительную модель для магнитного сопла, использующего одну магнитную катушку и исследовали как изменяется эффективность тяги при изменении некоторых параметров. Так как эти оценки были выполнены для магнитного сопла с одной катушкой, мы исследовали поведение плазмы и эффективность тяги, используя трехмерный гибридный код для модели с двумя катушками и оценили возможность оптимизации эффективности такого сопла.
Эффективность тяги n (" ню") определялась в терминах импульса следующим образом:

Где m масса иона v_z - проекция скорости иона на ось Z, | v₀ |- абсолютное значение начальной скорости иона. Сумма (сигма) производится для всех частиц плазмы. Следовательно, наша задача - увеличить +Z компоненту скорости ионов плазмы, как показано выше.