DOW-UAP-D149, AAWSAP DIRD, הנעה נושמת-אוויר ואנרגיה מבוססות MHD ליישומי תעופה וחלל, נובמבר 2010

מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (DIRD) בן 32 עמודים, מיום 21 בנובמבר 2010, שהכינה חטיבת אזהרה טכנולוגית (DWO-4) במשרד האזהרה הביטחוני של סוכנות המודיעין הביטחוני (DIA), במסגרת תוכנית AAWSAP. המסמך סוקר את האפשרות להשתמש בפלזמה (גז מיונן) ובמגנטו-הידרודינמיקה (MHD) להנעה, לייצור חשמל ולשליטה אווירודינמית בכלי טיס היפרסוניים, בכלים החוזרים לאטמוספרה ובחלליות. מסקנתו המרכזית היא שהנעה נושמת-אוויר מבוססת MHD אינה מעשית מתחת לכמאך 12, ואילו יישומים לחדירה חוזרת, לדואונים היפרסוניים ולתמרוני מסלול נראים מבטיחים בטווח הקרוב.

רקע

המסמך הוא אחד מסדרת דו"חות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010 בתוכנית שהמסמך עצמו מכנה "Advanced Aerospace Weapons System Applications (AAWSA) Program", כלומר תוכנית יישומי מערכות נשק תעופתיות-חלליות מתקדמות (AAWSAP), של משרד האזהרה הביטחוני ב-DIA. בעמוד הפתיחה מוגדר ה-DIRD כמסמך המספק "מידע עזר מוסמך אך לא מהותי" בנושאי מודיעין או מתודולוגיה. תאריך ה-ICOD (המועד שעד אליו נאסף המידע) הוא 20 ביולי 2010. שני המחברים מופיעים בכינויים בלבד, AAP Person 86 ו-AAP Person 87, ופניות בנושא המסמך הופנו למנהל התוכנית, ששמו מצונזר (AAP Person 1).

המסמך כולו טכני: אין בו אזכור של תצפיות, עדים או תופעות אוויריות לא מזוהות. הוא בנוי מחמישה פרקים: סקירת המושג, יישומים אווירונאוטיים, יישומים בחלל, סיכום ותחזיות, והערות שוליים.

מה כתוב במסמך

תקציר המחברים

בעמוד התקציר נכתב שמושגי פלזמה ו-MHD מושכים משום שהם עשויים להגיע לביצועים הרבה מעבר לטכנולוגיות המקובלות, אבל עומדים בפניהם קשיים כבדים: משקל, מורכבות, צריכת הספק גבוהה, והצורך ביינון מלאכותי יקר באנרגיה באוויר "קר" (מתחת לכמאך 12). לפי התקציר, מושג Ajax המוכר "הוכח כחסר משמעות" מתחת לכמאך 12 לפחות, ואילו "עקיפת אנרגיה הפוכה" עם "מעטפת וירטואלית" עשויה להיות מעשית. היכולת לייצר הספק גבוה על הסיפון ויחס עילוי לגרר (L/D) גבוה בהרבה מהמקובל הופכת את היישומים הללו ל"ישימים ורצויים להגנה הלאומית", אך המחברים מעריכים שגם מדינות כמו סין, יפן ורוסיה צפויות לממש אותם.

פרק 1: סקירת המושג

הפרק פותח במגבלות ההנעה הקיימות: מנועים נושמי-אוויר רגילים מוגבלים לגובה של כ-80,000 רגל, ומנועי רמג'ט וסקרמג'ט סובלים מבעיות של דחיסה, גלי הלם, ערבוב, הצתה ושטפי חום גבוהים בתא הבעירה. לכלים היפרסוניים אין מכונות מסתובבות שאפשר לחבר אליהן גנרטור, ולכן מחולל MHD הממוקם מיד אחרי תא הבעירה של סקרמג'ט, עם תוספי מתכת בדלק, יכול לספק לפי המסמך הספק של עשרות קילוואט עד כמה מגוואט ללא חלקים נעים.

המחברים מבחינים בין הנעה כימית, שהיא "מוגבלת אנרגיה", לבין הנעה חשמלית, שהיא "מוגבלת הספק": במערכת חשמלית אפשר להשיג מהירות פליטה גבוהה בסדר גודל, אבל הדחף מוגבל על ידי מסת מערכת ההספק. לכן חלליות עוברות במהירות מרקטות כימיות להנעה חשמלית, שהדחף הסגולי (Isp) שלה גבוה פי 2 עד 100.

חלק נרחב מוקדש לפלזמות מיוננות חלשות, שבהן שיעור היינון נע בין 10 בחזקת מינוס 5 ל-10 בחזקת מינוס 2 (קריאה לא ודאית של המעריך הראשון). המסמך מונה את תכונותיהן השימושיות: חימום הזרימה הרחק מהדופן, יצירת "גופים" או "משטחים וירטואליים" הניתנים להפעלה ולכיוון לצורך הפחתת גרר, היגוי ושיפור פתח הכניסה; הצתה בסקרמג'ט; פעולה על חלקיקים טעונים באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים (MHD ו-EHD); ובעירה בסיוע פלזמה באמצעות פולסים של ננו-שנייה ו"קשת גולשת". פריקת המחסום הדיאלקטרי (DBD), "מכשיר פשוט להפליא", מוצגת כטכנולוגיה בעלת הסיכויים הקרובים ביותר ליישום, בזכות יעילותה בעיכוב היפרדות הזרימה וצריכת ההספק הנמוכה שלה.

בהמשך מתוארים שלושת סוגי המדחפים החשמליים: אלקטרו-תרמיים (חימום ההנעה בהתנגדות או בקשת), אלקטרוסטטיים (מנועי יונים עם רשתות ומדחפי אפקט הול) ואלקטרומגנטיים (כוח לורנץ, כולל מדחפי MPD). המסמך מביא נוסחאות לדחף סגולי ולצריכת דלק, ומדגיש שכלי נושם-אוויר לעולם אינו יכול לטוס מהר ממהירות הפליטה שלו. להמחשת סדרי הגודל: SR-71 בשיוט במהירות מאך 3.2 מפיק דחף של 24,700 ליברות-כוח והספק סילון של 104 מגוואט; מנוע הרקטה RL10 מפיק 142 מגוואט; מערכת ההנעה של נושאת מטוסים מדגם נימיץ היא 194 מגוואט וסכר הובר מפיק כ-2,000 מגוואט. לעומת זאת, מערכות הנעה של חלליות הן בטווח של מאות וואט עד עשרות קילוואט, וזו לפי המסמך הסיבה שהנעה חשמלית משמשת בחלליות ולא במטוסים. בתמונות מופיעים מדחפים שנבחנו במעבדת הנעה סילונית (JPL), באוניברסיטת מישיגן ובאוניברסיטת פרינסטון, ואב-טיפוס של מנוע MHD נושם-אוויר של לוקהיד מרטין. הפרק מציין שב-2009 כללה AIAA שתי טכנולוגיות פלזמה ברשימת עשר הטכנולוגיות המתפתחות הראשונה שלה.

פרק 2: יישומים אווירונאוטיים

הפרק מסביר את עקרונות ה-MHD: זרם מוליך החוצה קווי שדה מגנטי מייצר כוח אלקטרו-מניע, אפשר להפיק ממנו חשמל (מחולל) או להאיץ אותו בעזרת מקור מתח (מאיץ), ובשני המקרים נוצר גם חימום ג'אול ועלייה באנטרופיה. מוסברים "מקדם העומס", אפקט הול, האלקטרודות המקוטעות ופרמטר האינטראקציה (מספר סטיוארט).

"כאן טמונה הבעיה העיקרית", כותבים המחברים: אוויר רגיל אינו מוליך. הוא מתיינן רק בטמפרטורות של 3,000 עד 10,000 קלווין ויותר, כמו בשכבות ההלם סביב כלים החוזרים לאטמוספרה במאך 12 עד 25, ואז המוליכות מגיעה ל-100 עד כ-3,000 מו למטר ושדה של 0.1 עד 0.3 טסלה מספיק. בתא בעירה של סקרמג'ט, בטמפרטורה של 1,500 עד 2,000 קלווין, המוליכות אינה עולה על 10 עד 30 מו למטר אפילו עם אדי מתכת אלקלית, ונדרש שדה של 3 עד 10 טסלה.

מתחת למאך 12 המצב חמור עוד יותר, ויש ליצור יינון באופן לא-שיווי-משקלי. המסמך מסביר שהפלזמה דועכת תוך 1 עד 10 מיקרו-שניות, שבהן הזרימה מתקדמת כסנטימטר אחד בלבד, ולכן יינון מוקדם במעלה הזרם אינו אפשרי. מחיר היינון בפריקה רגילה הוא כ-10,000 אלקטרון-וולט לזוג, ואילו קרני אלקטרונים מגיעות ל-34 אלקטרון-וולט, היעילות הטובה ביותר תאורטית. גם אז, לפי החישובים המובאים, המוליכות המרבית היא בסדר גודל של 1 מו למטר, ונדרשים שדות של 10 עד 20 טסלה, מה שהופך מכשירי טיסה כאלה ל"לא מעשיים למדי" אלא אם תושג פריצת דרך במגנטים קלים במיוחד.

כדוגמה מתוארים מחקרים תאורטיים של אחד המחברים ועמיתיו בפרינסטון על בקרת פתח כניסה של סקרמג'ט באמצעות MHD וקרני אלקטרונים, שהחזירה את מצב ה"הלם על השפה" במהירויות גבוהות ממהירות התכנון, וייצרה די חשמל להפעלת קרני האלקטרונים. היתרון הוא ויתור על מעטפת מתכווננת כבדה; החיסרון הוא שמשקל המגנטים ומערכות הקרן עלול לבטל את היתרון.

מושג Ajax (או "אייאקס") נולד בשנות ה-80 במפעל המדעי-ייצורי לנינץ בלנינגרד, ברית המועצות. הוא כולל שלושה רכיבים: המרת דלק אנדותרמית (תערובת של דלק דמוי נפט ומים, שמקררת את הדפנות ועוברת "פיצוח" לגז סינתזה), שהמסמך מכנה "משמעותית מאוד וכנראה ישימה"; עקיפת אנרגיה ב-MHD, "החלק השנוי ביותר במחלוקת", שבה מחולל לפני תא הבעירה מעביר אנרגיה למאיץ אחריו; ופלזמה להפחתת גרר לפני חרטום הכלי. לגבי הרכיב האחרון נכתב שטענות של קבוצות רוסיות לפני 10 עד 15 שנה על מנגנון פיזיקלי לא ידוע הופרכו במחקר בארצות הברית, אירופה ורוסיה, שהראה שההשפעה תרמית בלבד, אך עדיין שימושית.

המחברים מצטטים את ביקורתו של ד. ריגינס (D. Riggins), שלפיה עקיפת MHD פועלת בכיוון ההפוך לזה שמכתיבה התרמודינמיקה, אבל טוענים שריגינס עשה "טעות משמעותית" כשהניח שהחום נוסף בטמפרטורת העצירה של הזרימה, בניגוד לרעיון הסקרמג'ט שבו הבעירה מתרחשת בזרימה על-קולית. חישובי קבוצת Ajax (קורנוב וקורבלניקוב) אכן מראים עלייה בדחף הסגולי, אבל של כמה אחוזים בלבד, ובהנחות גסות (זרימה חד-ממדית, ללא שכבת גבול וללא הפסדים). לכן, לפי המסמך, "אפשר לקבוע בוודאות" שעקיפת אנרגיה ב-MHD מתחת למאך 12 אינה טכנולוגיה משמעותית. מעל מאך 12 היא עשויה להועיל, כפי שהראתה קבוצה ב-NASA Ames, אבל טיסה נושמת-אוויר במהירויות כאלה אינה מציאותית כיום.

כחלופה מוצג "מעקף האנרגיה ההפוך" שהציע אחד המחברים עם עמיתיו: מחולל MHD מיד אחרי תא הבעירה, שם האוויר המעורב בתוצרי בעירה חם דיו ליינון תרמי (בסביבות 10 מו למטר) בזכות מתכות אלקליות בדלק, והחשמל מועבר במעלה הזרם לבעירה בסיוע פלזמה, לבקרת הלם ולהפחתת גרר. גרסה מבטיחה במיוחד היא ה"מעטפת הווירטואלית": אזור מחומם לפני שפת הכניסה, שמסיט את הזרימה ו"גורף" יותר אוויר למנוע כשהכלי טס מתחת למהירות התכנון (למשל מאך 6 במנוע שתוכנן למאך 8). לפי הניתוח, אף שהמחולל עצמו מקטין את הדחף, המערכת המשולבת יכולה להגדיל אותו ב-20 עד 30 אחוזים. יתרונה העיקרי הוא רב-תפקודיות, שכן חלופות כמו סוללות ותאי דלק אינן תחרותיות בהפקת מאות קילוואט עד 1 עד 10 מגוואט.

לגבי חדירה חוזרת וטיסה קרוב למסלול, הטמפרטורות בשכבות ההלם מגיעות לאלפי מעלות ועד 10,000 עד 20,000 קלווין, ותוספת מתונה של NaK (נתרן-אשלגן) מספיקה. לפי המודלים, מערכת MHD המשולבת במעטפת יכולה להפיק הספק בסדר גודל של מגוואט מכל מטר רבוע, והמשקל הנוסף במשימה של 1,000 שניות נקבע בעיקר על ידי המים לקירור האלקטרומגנט. פלזמה לפני הכלי יכולה לחסוך בהספק גרר פי 40 עד 50 מההספק המושקע בה, ואולי פי 100 ויותר עם עיצוב ארוך ודק, וכך להגדיל את יחס L/D בעשרות אחוזים: טווח ארוך יותר לדואון היפרסוני ותמרון צידי רחב יותר לנכס חללי היורד ממסלול. מיקום הפלזמה מחוץ לציר יוצר מומנטי היגוי. יישום נוסף הוא שינוי נטיית מסלול של לוויין בצלילה לגובה 200 עד 300 אלף רגל, ואם יושג L/D של 3 עד 10 במקום כ-1 כיום, הדבר יהיה לפי המסמך "משנה משחק".

הפרק נחתם בהנעה היברידית כימית-MHD, שבה מאיץ MHD מוסיף מהירות בנחיר. המסמך קובע שלמרות הפיזיקה המבוססת, היא דורשת הספק של מאות מגוואט עד עשרות ג'יגוואט בכלי שיגור, יעילות הדחף מוגבלת לאחוזים בודדים, המסה הסגולית צריכה להשתפר פי 1,000, והמגנטים הנדרשים (2 עד 40 טסלה) כבדים לעיתים מהכלי עצמו.

פרק 3: יישומים בחלל

הפרק מתאר את המעבר ההדרגתי של חלליות להנעה חשמלית: תחילה החלפת מדחפי הידרזין במדחפי resistojet ו-arcjet (עלייה בדחף הסגולי מ-200 שניות ל-300 ול-600 שניות), ובהמשך מנועי יונים ומדחפי אפקט הול על גז קסנון, המאוחסן בצפיפות קרובה לנוזל בלחץ מעל 800 psia. כדוגמה מוצג לוויין תקשורת מסדרת Lockheed Martin 7000 עם מדחפי arcjet של Aerojet בהספק 1.8 קילוואט. ההנעה החשמלית מאפשרת להעביר נכסים ממקום למקום, לטוס במסלולים לא קפלריים ולהישאר בעמדה זמן רב יותר; מדחפי FEEP ומדחפים קולואידיים מגיעים לדחף של מיקרו-ניוטונים לצורך כיוון עדין. מדחף חשמלי נושם-אוויר יכול לפצות על גרר במסלולים נמוכים. בתחום הגרעיני מוזכרים הכורים SNAP-10A האמריקני ו-TOPAZ הסובייטי, מערכת SP-100 בהספק 100 קילוואט חשמלי, שפותחה בשנות ה-90 כ"גוררת" ממסלול נמוך למסלול גיאוסטציונרי, החללית JIMO לירחי צדק וכלי מאויש למאדים בסדר גודל של 100 מגוואט חשמלי. לפי המסמך, כלי גרעיני במסלול מאפשר גם הקרנת הספק לכלים באוויר או בקרקע ושימוש בנשק לייזר ומיקרוגל.

פרק 4: סיכום ותחזיות

הסיכום מונה ארבעה קשיים עיקריים: משקל ומורכבות, במיוחד כשנדרש שדה של יותר מטסלה אחת בנפח גדול וקרני אלקטרונים; דרישות הספק "מכריעות" במאיצים; אי-הפיכות וייצור אנטרופיה המקטינים דחף; והיעדר יינון תרמי מתחת למאך 12, ש"כמעט הופך את מערכות ההנעה ב-MHD לבלתי אפשריות". לעומת זאת, יישומים לחדירה חוזרת, לדואונים לתקיפה גלובלית ולתמרוני מסלול בסיוע אווירודינמי נראים מבטיחים. המחברים מעריכים שרוסיה, סין ויפן, בין היתר, מסוגלות לפתח טכנולוגיות כאלה "בתוך כמה שנים" ולפרוס אותן "אולי בתוך 10 שנים". עתיד ההנעה ב-MHD עשוי להשתנות אם כלים היפרסוניים יישאו כורים גרעיניים, אבל זו לפי המסמך שאלה פוליטית יותר מטכנולוגית. בחלל, המעבר להנעה חשמלית יימשך ויהפוך כנראה לתקן, ומשימות של מאות קילוואט עד מגוואטים יחזירו לשולחן את הכורים הגרעיניים בחלל.

פרק 5: הערות שוליים

רשימה של 55 הפניות, רובן מאמרים ב-AIAA Journal וב-Journal of Propulsion and Power מהשנים 1995 עד 2008, ובהן גיליון מיוחד משנת 2008 על פלזמות מיוננות חלשות להנעה, שאחד המחברים שימש עורך אורח שלו לפי המסמך. כמה הפניות הן למסמך פנימי של JPL משנת 2002 שלפי ההערה היה זמין ברשת עד 2003 והוסר.

פרטים בולטים

• המחברים קובעים "בוודאות" שעקיפת אנרגיה ב-MHD בסגנון Ajax הסובייטי אינה משמעותית מתחת למאך 12.
• המעטפת הווירטואלית, אזור מחומם בפלזמה לפני פתח המנוע, יכולה לפי הניתוח להגדיל את הדחף ב-20 עד 30 אחוזים מחוץ לתנאי התכנון.
• מערכת MHD במעטפת כלי חוזר לאטמוספרה עשויה להפיק כמגוואט מכל מטר רבוע.
• פלזמה לפני החרטום חוסכת בהספק גרר פי 40 עד 50 מההספק שהיא צורכת, ואולי פי 100 ויותר.
• יחס L/D של 3 עד 10 בטיסה היפרסונית, לעומת כ-1 כיום, יאפשר לפי המסמך שינויי נטיית מסלול לפי דרישה.
• להמחשה: SR-71 במאך 3.2 מפיק 104 מגוואט של הספק סילון, יותר מחצי מהספק ההנעה של נושאת מטוסים מדגם נימיץ (194 מגוואט).
• המסמך מעריך שרוסיה, סין ויפן יוכלו לפרוס יישומים כאלה אולי בתוך 10 שנים.
• אין במסמך כל אזכור של עב"מים או של תצפיות; הוא סקירה הנדסית טהורה.

מה לא נמצא במסמך

שמות שני המחברים ומנהל התוכנית מוחלפים בכינויים (AAP Person 86, 87 ו-1), ואזור כתובת הפנייה מושחר בחלקו. בכותרות העמודים מופיע הסימון UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, שבחלק מהעמודים נראה מחוק (קריאה לא ודאית). תוכן העניינים ב-OCR חלקי, וחלק מהאיורים (איור 1 ואיור 12) אינם מופיעים ברשימת האיורים; התמונות עצמן אינן ניתנות לקריאה בטקסט, ונלווית להן אזהרת זכויות יוצרים האוסרת הפצה נוספת. חלק מהנוסחאות בעמוד 6 משובשות ב-OCR ואינן ניתנות לשחזור. כמה הערות שוליים קטועות ללא מספרי עמודים. מיקום הרשומה באתר war.gov, לאס וגאס, נבדה, אינו מוזכר במסמך עצמו. המסמך אינו מספק נתוני ניסוי משלו ואינו מסביר את הקשר בין הנושא לבין תופעות אוויריות לא מזוהות.

מונחים

• MHD (מגנטו-הידרודינמיקה): האינטראקציה בין זרימת נוזל או גז מוליך לבין שדה מגנטי, המאפשרת להפיק ממנה חשמל או להאיץ אותה.
• EHD (אלקטרו-הידרודינמיקה): הפעלת כוח על גז באמצעות שדה חשמלי ופלזמה לא ניטרלית ("רוח יונית").
• DBD: פריקת מחסום דיאלקטרי, מפעיל פלזמה פשוט לבקרת זרימה.
• סקרמג'ט: מנוע סילון שבו הבעירה מתרחשת בזרימה על-קולית.
• Isp: דחף סגולי, מדד ליעילות הדלק או חומר ההנעה.
• L/D: יחס עילוי לגרר.
• ICOD: המועד שעד אליו נאסף המידע למסמך.
• NEP / SEP: הנעה חשמלית גרעינית / סולארית.