DOW-UAP-D149: הנעה נושמת-אוויר והפקת חשמל ב-MHD ליישומי תעופה וחלל

קובץ: DOW-UAP-D149_AAWSAP-DIRD-MHD-Air-Breathing-Propulsion-and-Power-for-Aerospace-Applications-November-21-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד האזהרה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (DIRD), סדרת "Defense Futures"; מספר בקרה DIA-08-1011-006 תאריך: 21 בנובמבר 2010 (תאריך סגירת מידע, ICOD: 20 ביולי 2010) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY; הסימון FOUO מחוק בקו ברוב העמודים אך נותר שלם בכמה מהם (למשל בעמוד התוכן ובעמוד 25); שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 32 VIRIN: 260918-D-D0360-1138 שחרור PURSUE: 6

תקציר

מסמך DIRD זה הוא סקירה טכנית של תפיסות פלזמה ומגנטו-הידרודינמיקה (MHD) עבור כלי טיס וחלליות. על השער מופיעים סמל ה-DIA, הכותרת "Defense Futures", התאריך 21 בנובמבר 2010, תאריך סגירת מידע של 20 ביולי 2010 ומספר הבקרה DIA-08-1011-006. עמוד הכותרת מציין כגוף המכין את החטיבה להתרעה טכנולוגית (Technology Warning Division, DWO-4) של משרד האזהרה הביטחונית, במנהלת הניתוח, מביא את המחברים רק ככינויים "AAP Person 86, AAP Person 87", ומגדיר את המסמך כ"אחד מסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010" במסגרת תוכנית AAWSA. הערות יש להפנות אל AAP Person 1, מנהל התוכנית.

בניגוד לסקירות רבות, מסמך זה נוקט עמדה. עמוד התקציר שלו קובע ש"תפיסת עקיפת האנרגיה ב-MHD של Ajax, שזכתה לפרסום רב, הוכחה כחסרת משמעות מתחת למאך 12 לפחות", מקדם חלופה, "עקיפת אנרגיה הפוכה" (reverse energy bypass) עם "מעטה וירטואלי" (virtual cowl) מפלזמה, ומזהה כלי רכב החוזרים לאטמוספרה, "דאונים היפרסוניים לתקיפה גלובלית" ו"תמרון מסלולי בסיוע אווירודינמי" כשימושים המבטיחים ביותר בטווח הקרוב. הטקסט מציין שאחד המחברים ביצע חלק מן המחקר המתואר בו (מחקרי בקרת פתח היניקה ועקיפת האנרגיה ההפוכה), כך שחלק מן הסקירה עוסק בעבודתם של המחברים עצמם. המסמך אינו נוקב בשמו של אותו מחבר, וגם מאמר זה אינו עושה זאת.

המסמך אינו מזכיר עב"מים או UAP. מבין התחומים הטכניים של מסמך היעדים של AAWSAP (DOW-UAP-D110) הוא משרת את תחומי ההנעה, ייצור ההספק והבקרה, ונוגע גם בתחום העילוי דרך הדיון שלו ביחס העילוי לגרר.

מאמר מחקר

מבנה ומקורות

אחרי התקציר, גוף המסמך משתרע על 28 עמודים ממוספרים בחמישה פרקים: סקירת המושג (פלזמות מיוננות חלשות, מערכות הנעה חשמלית), יישומים אווירונאוטיים (עקרונות ה-MHD, MHD לא-שיווי-משקלי באוויר קר, תפיסת Ajax, עקיפת האנרגיה ההפוכה, חזרה לאטמוספרה וטיסה כמעט-מסלולית), יישומי חלל, סיכום ותחזיות, והערות סיום. יש בו 13 איורים וללא טבלאות. 55 הערות הסיום הן כמעט כולן ספרות תעופה וחלל שעברה ביקורת עמיתים, רובה מ-AIAA Journal ומ-Journal of Propulsion and Power, ובכלל זה המדור המיוחד מ-2008 "Weakly Ionized Plasmas for Propulsion Applications", וכן אסופה פנימית של מעבדת ההנעה הסילונית (JPL) מ-2002 על הנעה חללית מתקדמת, שלפי הערות הסיום "הייתה נגישה באינטרנט עד 2003 אך הוסרה מאז". התצלומים מציגים מנועים בניסוי ב-JPL, באוניברסיטת מישיגן ובאוניברסיטת פרינסטון, ומנוע MHD נושם-אוויר בניסוי הוכחת היתכנות "שנחקר בידי Lockheed Martin Aeronautics" (איור 5, עמוד 14). המסמך מוסיף שב-2009 כללה הרשימה הראשונה של AIAA של עשר טכנולוגיות התעופה והחלל המתפתחות המובילות שתי טכנולוגיות פלזמה.

פלזמה, MHD ובעיית האוויר הקר

פרק 1 מציג את המניע. מנועים נושמי-אוויר רגילים "מוגבלים בדרך כלל לגבהים מתחת ל-80,000 רגל"; מנועי סקרמג'ט מתקשים בבקרת גלי הלם, בערבול, בהצתה ובחימום קיצוני של הדפנות; ולכלי טיס היפרסוניים "אין מכונות טורבו מסתובבות שאפשר לחבר אליהן גנרטור חשמלי" (עמוד 5). הפלזמה מציעה פתרונות. מחולל MHD מאחורי תא הבעירה של סקרמג'ט, עם תוספי מתכת בדלק, יכול להפיק "מעשרות קילוואט ועד כמה מגה-ואט" ללא חלקים נעים. אזורי פלזמה מחוממים יכולים לשמש "גופים או משטחים וירטואליים הניתנים להפעלה, לבקרה ולכוונון" להפחתת גרר, להיגוי ולבקרת פתח היניקה (עמוד 7). בין המועמדים לטווח הקרוב מציב המסמך בראש הרשימה את מפעיל פריקת המחסום הדיאלקטרי (DBD), "התקן פשוט להפליא" לבקרת היפרדות זרימה (עמוד 8).

המכשול הוא המוליכות. MHD פועל כאשר נוזל או גז מוליך חוצה שדה מגנטי: מחולל מאט את הזרימה ומפיק ממנה חשמל, מאיץ עושה את ההפך, ושניהם מבזבזים חלק מן האנרגיה כחום ג'אול. (המסמך מעיר כי "כוח לורנץ" בהקשר זה "צריך להיקרא כראוי כוח אמפר או הכוח הפונדרומוטיבי".) האוויר מוליך רק כשהוא חם מאוד. בשכבות ההלם של חזרה לאטמוספרה, במאך 12-25 (3,000-10,000 קלווין), חלק היינון מגיע ל-10⁻⁵ עד 10⁻² והמוליכות עד כ-3,000 מו למטר, כך ששדה צנוע של 0.1-0.3 טסלה מספיק (עמודים 16-17). בתא בעירה של סקרמג'ט, ב-1,500-2,000 קלווין, גם עם זריעת מתכות אלקליות המוליכות היא רק 10-30 מו למטר, והמגנט יצטרך 3-10 טסלה. מתחת לכמאך 12 האוויר פשוט קר מדי, ויש לכפות את היינון באמצעים לא-תרמיים. פריקות רגילות משקיעות כ-10,000 אלקטרון-וולט לכל זוג אלקטרון-יון, לעומת מיטב תאורטי של 34 אלקטרון-וולט באלומות אלקטרונים באנרגיה גבוהה, ומאחר שפלזמה חוזרת לנייטרליות בתוך "כ-1-10 מיקרו-שניות" (הזרימה מתקדמת רק כסנטימטר), יש לקיים את היינון לכל אורך תעלת ה-MHD (עמודים 17-18). גם בהנחות אידיאליות מחשב המסמך מוליכות מרבית של כמו אחד למטר, הדורשת שדות של 10-20 טסלה. הדבר הופך התקנים כאלה ל"בלתי מעשיים למדי, אלא אם תתרחש פריצת דרך בטכנולוגיות המגנטים והחומרים". יישום אחד שורד את החשבון עקרונית: בקרת MHD של פתח יניקה של סקרמג'ט ביינון באלומות אלקטרונים (איור 6), שעשויה להשיב את מצב "גל ההלם על השפה" (shock-on-lip) מעל מספר המאך שלפיו תוכנן הפתח, אם כי המחברים מציינים שעדיין נדרשים מחקרי מערכת.

מנועים חשמליים ופער ההספק

הסעיף על הנעה חשמלית מסביר מדוע מנועי פלזמה טסים על חלליות ולא על מטוסים. רקטות כימיות "מוגבלות באנרגיה"; מנועים חשמליים "מוגבלים בהספק", משום שהדחף תלוי במסת תחנת הכוח (עמוד 6). המסמך מביא את סדרי הגודל (עמוד 11): SR-71 בשיוט במאך 3.2 מפיק דחף של 24,700 ליברות-כוח והספק סילון של 104 מגה-ואט, ומנוע הרקטה RL10 מפיק 142 מגה-ואט, לעומת 194 מגה-ואט של מערכת ההנעה של נושאת מטוסים מדגם נימיץ וכ-2,000 מגה-ואט של סכר הובר. מנועי חלליות מעבדים מאות ואטים עד עשרות קילוואטים. אחר כך הוא מתאר את שלוש משפחות המנועים: מנועי קשת אלקטרו-תרמיים (arcjet), מנועים אלקטרוסטטיים מסוג יונים ו-Hall (מנועי יונים מגיעים לדחף סגולי של 1,000 עד יותר מ-20,000 שניות, אך לצפיפות דחף של 1-5 ניוטון למ"ר בלבד), ומנועים אלקטרומגנטיים מגנטו-פלזמה-דינמיים (MPD, בין 50 קילוואט לעשרות מגה-ואט). הוא מציין גם מגבלה יסודית: "מערכת נושמת-אוויר לעולם אינה יכולה לטוס מהר ממהירות הפליטה שלה".

פסק הדין על Ajax

הטיעון הארוך ביותר עוסק ב-Ajax (או Ayaks), שהמסמך מתאר כתפיסת ה-MHD ש"משכה אולי את תשומת הלב הרבה ביותר בעשור או שניים האחרונים", ושמקורה בשנות השמונים במפעל המדעי והייצורי Leninetz בלנינגרד (עמוד 19). איור 7 משחזר שני תרשימים שפורסמו של כלי הטיס. המסמך מפרק את Ajax לשלושה רכיבים ומעניק לכל אחד ציון (עמודים 20-21):

• המרת דלק אנדותרמית, פיצוח תערובת של קרוסין ומים לגז סינתזה (syngas) תוך קירור כלי הטיס, היא "בהחלט בעלת משמעות רבה וכנראה ברת-ביצוע".
• הפחתת גרר בפלזמה אמיתית אך קונבנציונלית: טענות של "כמה קבוצות רוסיות" על "מנגנון פיזיקלי לא ידוע" הופרכו במחקר בארה"ב, באירופה וברוסיה, שהראה "שההשפעות הן תרמיות גרידא".
• עקיפת אנרגיה ב-MHD, הפקת אנרגיה לפני תא הבעירה והחזרתה אחריו, היא "אולי החלק השנוי ביותר במחלוקת".

בנוגע לעקיפה, המחברים מכריעים במחלוקת שפורסמה. הם מקבלים את טענתו של ד' ריגינס (D. Riggins) שהמחזור פועל "בכיוון ההפוך לזה שמכתיבה התרמודינמיקה", אך קובעים שההוכחה שלו לכך שהוא תמיד מוריד את הדחף הסגולי כוללת "טעות משמעותית", משום שבסקרמג'ט החום מוסף בטמפרטורה סטטית ולא בטמפרטורת קיפאון. אחר כך הם בוחנים את חישובי קבוצת Ajax עצמה (של א' קורנוב ועמיתיו): המקרה הטוב ביותר מניב רק "כמה אחוזים" של דחף סגולי נוסף בהנחות גסות, רווח ש"יהפוך להפסד" בניתוח מציאותי. מכאן המסקנה שעקיפת MHD מתחת למאך 12 "אינה טכנולוגיה בעלת משמעות" (עמוד 22). מעל מאך 12, כשהאוויר מתיינן תרמית, מידול של קבוצה במרכז אימס של נאס"א מראה רווח, אך טיסה נושמת-אוויר במהירויות כאלה "אינה מציאותית" בחומרים ובדלקים הקיימים.

פסק דין זה עומד בניגוד בולט למסמך הקודם בסדרה. DOW-UAP-D148, המתוארך יום אחד קודם לכן, מתאר את מטוס התובלה הרוסי AYAKS כמשתמש בלייזרים, במחוללי RF ובמנוע MHD כדי לשבש את גל ההלם הקדמי, "ובכך להכפיל את מהירות כלי הטיס", ומתייחס אליו כבעיית גילוי. D149 ספקן הרבה יותר כלפי טענות ההנעה.

עקיפה הפוכה, מעטה וירטואלי וחזרה לאטמוספרה

החלופה של המחברים (עמודים 22-24) הופכת את כיוון זרימת האנרגיה: מחולל MHD מיד מאחורי תא הבעירה, שבו גזי פליטה חמים וזרועים במתכות אלקליות מוליכים בכ-10 מו למטר ללא אלומות אלקטרונים, שולח חשמל קדימה להתקני פלזמה להצתה, לבקרת פתח היניקה, להפחתת גרר ולהיגוי. השימוש המבטיח ביותר הוא "המעטה הווירטואלי" (איור 9). פתח יניקה שתוכנן למאך 8 מאבד אוויר במאך 6; אזור מחומם בפלזמה לפני שפת המעטה מסיט את הזרימה כך שהפתח לוכד יותר אוויר קר. המסמך מדווח שהשילוב "יכול למעשה להגדיל את הדחף בעד 20-30%", ושמחולל MHD תחרותי עבור "מאות קילוואט עד 1-10 מגה-ואט" של חשמל על הסיפון, תחום שבו סוללות ותאי דלק אינם תחרותיים. כור גרעיני על הסיפון היה הופך שימושים אלה ל"פשוטים".

החזרה לאטמוספרה היא התחום שבו ה-MHD נראה חזק ביותר (עמודים 24-26). שכבות הלם ב-10,000-20,000 קלווין, הזרועות בתערובת נתרן-אשלגן (NaK), מוליכות עד 1,000-3,000 מו למטר, ולכן שדה של 0.1-0.2 טסלה מספיק. המידול מצביע על הפקת חשמל "בסדר גודל של מגה-ואט" ממטר רבוע אחד של לוחות MHD המשולבים בפני השטח, כשהמשקל הנוסף במשימה של 1,000 שניות נקבע בעיקר על ידי מי הקירור של המגנט (איור 10). שימוש בחשמל זה ליצירת פלזמה לפני החרטום עשוי לחסוך הספק גרר גדול פי 40-50 מן ההספק המושקע, ויותר מפי 100 בפלזמה ארוכה ודקה. הדבר יעלה את יחס העילוי לגרר בעשרות אחוזים, יאריך את טווח הדאייה של "'דאון' היפרסוני גלובלי ללא הנעה" ואת הטווח הצידי של נכסי חלל היורדים ממסלולם. הטענה השאפתנית ביותר באה בעקבות זאת: יחס העילוי לגרר ההיפרסוני "אינו גבוה בהרבה מ-1", אך פלזמה ו-MHD עשויים להגיע ל-3-10, "משנה משחק" שיאפשר שינויי מישור מסלול לפי דרישה באמצעות צלילה לאטמוספרה בגובה 200-300 אלף רגל (עמוד 26). המסמך צונן הרבה יותר כלפי נחירי רקטה היברידיים כימיים/MHD: כלי שיגור יזדקקו למאות מגה-ואט עד עשרות ג'יגה-ואט, המסה הסגולית תצטרך להשתפר פי 1,000, ומגנטים של 2-40 טסלה יכבדו לעתים קרובות מכלי הטיס עצמו.

יישומי חלל ותחזיות

פרק 3 (עמודים 27-28) עוקב אחר מעבר הלוויינים מהנעה כימית להנעה חשמלית: מנועי resistojet על הידרזין (הדחף הסגולי עלה מ-200 ל-300 שניות) ומנועי arcjet (600 שניות) על לוויין התקשורת Lockheed Martin Series 7000, אחר כך מנועי יונים ו-Hall על קסנון, מנועי FEEP ומנועים קולואידיים בדחף של מיקרו-ניוטונים לכיוון עדין, ומנועים חשמליים נושמי-אוויר לפיצוי על גרר במסלולים נמוכים מאוד. הוא מזכיר את SNAP-10A ואת כורי TOPAZ הסובייטיים, את גורר SP-100 בהספק 100 קילוואט חשמלי משנות התשעים, את החללית JIMO בהספק 100 קילוואט חשמלי ואת כלי רכב מאויש למאדים ברמת 100 מגה-ואט חשמלי, ומציין שכלי רכב גרעיני במסלול "מאפשר גם העברת חשמל באלומה לכלי טיס או לכלי רכב קרקעיים מן המסלול, או שימוש בנשק לייזר ומיקרוגל".

פרק 4 (עמוד 29) מונה ארבעה פגמים: מגנטים ואלומות אלקטרונים כבדים, דרישות הספק מכריעות למאיצים, הפסדי אנטרופיה מחימום ג'אול, והעובדה שמתחת למאך 12 היינון הלא-תרמי הופך הנעת MHD ל"בלתי אפשרית" כמעט. מולם הוא מציב את ההבטחה של חזרה לאטמוספרה, דאונים ותמרוני מסלול בסיוע אווירודינמי, "ברי-ביצוע ורצויים לביטחון הלאומי", ואזהרה שרוסיה, סין ויפן יוכלו לפתח אותם "בתוך כמה שנים" ולהציבם "אולי בתוך 10 שנים". הוא צופה שסיכויי ה-MHD ישתנו אם כלי טיס היפרסוניים יישאו מקורות חשמל גרעיניים, שאלה שהוא מכנה "בעיקר סוגיה פוליטית ולא טכנולוגית", ושההנעה החשמלית תהפוך לתקן בחלליות ותחזיר בסופו של דבר כורי ביקוע לחלל.

הערה טיפוגרפית אחת: פרמטר האינטראקציה של MHD (מספר סטיוארט) מודפס כ-S = σBL/ρu (עמוד 16), ללא הריבוע על השדה המגנטי שמופיע בהגדרה המקובלת; הטיעון הסובב אינו מושפע מכך.

משמעות

D149 הוא מן המסמכים הקפדניים והנחרצים ביותר מבחינה טכנית בסדרת AAWSAP, והוא נכתב מתוך תחום המחקר עצמו. לקוראים הוא עושה שלושה דברים מועילים. הוא מסביר במונחים פיזיקליים פשוטים מדוע הנעה "מגנטית" של כלי טיס קשה כל כך: יש לגרום לאוויר להוליך, ומתחת למאך 12 הדבר עולה יותר ממה שהוא מחזיר. הוא מספק הכרעה מנומקת ופומבית בדבר תפיסת Ajax, הדוחה את המאפיין המוכר ביותר שלה ומכיר ברעיון המרת הדלק שלה. והוא מצביע על המקומות שבהם לפלזמה ול-MHD עשויה להיות חשיבות צבאית: הפקת חשמל, הפחתת גרר ותמרון עבור כלי רכב חוזרים ודאונים היפרסוניים. בקריאה לצד DOW-UAP-D148 (גילוי כלי טיס היפרסוניים) ו-DOW-UAP-D147 (אגירת הספק פולסי), הוא מראה את התוכנית בוחנת את אותה בעיה מכיווני ההנעה, ההספק והגילוי. אין בו כל התייחסות ל-UAP. רכיביו הספקולטיביים, כורי היתוך על הסיפון ויחס עילוי לגרר של 3-10, מוצגים כאפשרויות הנדסיות התלויות בפריצות דרך במגנטים ובמקורות הספק, ולא כיכולות שהוכחו.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"A well-publicized Ajax concept of MHD energy bypass has been shown to be meaningless below at least Mach 12. In contrast, a new 'reverse energy bypass' with Virtual Cowl is potentially practical for air-breathing hypersonic vehicles." (תפיסת עקיפת האנרגיה ב-MHD של Ajax, שזכתה לפרסום רב, הוכחה כחסרת משמעות מתחת למאך 12 לפחות. לעומת זאת, "עקיפת אנרגיה הפוכה" חדשה עם מעטה וירטואלי עשויה להיות מעשית לכלי טיס היפרסוניים נושמי-אוויר.) -- עמוד 4

"Note that an air-breathing system can never fly faster than its exhaust velocity." (יש לשים לב שמערכת נושמת-אוויר לעולם אינה יכולה לטוס מהר ממהירות הפליטה שלה.) -- עמוד 11

"Although there were claims by some Russian groups about 10-15 years ago that weakly ionized plasmas can reduce shock strength via some unknown physical mechanism, extensive research in the United States, Europe, and Russia has conclusively shown that the effects are purely thermal." (אף שלפני כ-10-15 שנה טענו כמה קבוצות רוסיות שפלזמות מיוננות חלשות יכולות להחליש את עוצמת גל ההלם באמצעות מנגנון פיזיקלי לא ידוע, מחקר נרחב בארצות הברית, באירופה וברוסיה הראה באופן חד-משמעי שההשפעות הן תרמיות גרידא.) -- עמוד 21

"Therefore, one can state with certainty that MHD energy bypass at Mach<12 (where nonequilibrium ionization of air is required) is not a meaningful technology." (לכן אפשר לקבוע בוודאות שעקיפת אנרגיה ב-MHD במאך נמוך מ-12, שבו נדרש יינון לא-שיווי-משקלי של האוויר, אינה טכנולוגיה בעלת משמעות.) -- עמוד 22

"Plasma and MHD technologies hold substantial and realistic promise to achieve hypersonic L/D of 3-10, which would be a game-changer and enable, among other missions, aerodynamically assisted, on-demand orbital inclination changes." (טכנולוגיות הפלזמה וה-MHD טומנות הבטחה ממשית ומציאותית להשגת יחס עילוי לגרר היפרסוני של 3-10, דבר שישנה את כללי המשחק ויאפשר, בין שאר המשימות, שינויי נטיית מסלול לפי דרישה בסיוע אווירודינמי.) -- עמוד 26

"Having a nuclear vehicle in orbit also enables the beaming of power to air or ground vehicles from orbit or the use of laser and microwave weapons." (כלי רכב גרעיני במסלול מאפשר גם העברת חשמל באלומה מן המסלול לכלי טיס או לכלי רכב קרקעיים, או שימוש בנשק לייזר ומיקרוגל.) -- עמוד 28

"These nations have the capability to develop such novel technologies within several years and deploying those technologies perhaps within 10 years." (לאומות אלה יש היכולת לפתח טכנולוגיות חדשניות כאלה בתוך כמה שנים ולהציב אותן אולי בתוך 10 שנים.) -- עמוד 29

"Since deployment of onboard nuclear power is mostly a political rather than a technological issue, it is difficult to predict if this going to occur and, if yes, when." (מאחר שהצבת מקור כוח גרעיני על הסיפון היא בעיקר סוגיה פוליטית ולא טכנולוגית, קשה לחזות אם הדבר יקרה, ואם כן, מתי.) -- עמוד 29