Химия далеко неувезет: какими двигателями будут оснащены американские межпланетные корабли?

Химия далеко неувезет: какими двигателями будут оснащены американские межпланетные корабли?

Весной 2001 года начальник NASA Дэниел Голдин высказал предположение, что космический корабль с экипажем достигнет Марса не позднее, чем через десятилетие. Эти замыслы достаточно скоро изменились: на данный момент NASA только обещает к 2020 году «возвратить человека на Луну», а экспедиция на Красную планету отложена на неизвестное время. Кое-кто в Соединенных Штатах предлагает скоро приступить и к подготовке космонавтов для лунных и марсианских полетов.

До сих пор фактически все космические аппараты оснащались ракетными маршевыми двигателями на химическом горючем. По всей видимости, для первых полетов на Марс будут использованы ракеты для того чтобы же типа.

Но возможности двигателей на химическом горючем существенно ограничены энергетикой окислительно-восстановительных реакций. Все современные ракеты в перерасчете на единицу израсходованного горючего создают не через чур громадную тягу. Исходя из этого в дальний полет, например, к внешним планетам Нашей системы, сейчас возможно послать только довольно легкий аппарат.

К тому же траекторию для того чтобы корабля прокладывают так, дабы на пути к месту назначения он разгонялся в гравитационных полях планет либо их спутников. Как раз исходя из этого для дальних полетов столь узки стартовые «окна», промежутки времени с благоприятным размещением планет — не в астрологическом смысле, а в соответствии с требованиями небесной механики.

Космический электромотор

Дабы корабль смог преодолеть земное притяжение и уйти в странствие к вторым мирам, его скорость обязана превышать вторую космическую, 11,2 км/с. На практике космические аппараты вначале выводят на околоземную орбиту, а после этого уже с нее отправляют в открытый космос. Водородно-кислородный двигатель способен расширить орбитальную скорость корабля не больше, чем на десять километров в секунду, двигатель на другом химическом горючем — еще меньше.

Такие скорости достаточны кроме того для полета к границам Нашей системы, не смотря на то, что и по весьма протяженной траектории (и с необходимым применением планетарного гравитационного ускорения). И не смотря на то, что корабль с классическим двигателем сможет достигнуть самой отдаленной планеты, для этого ему пригодятся много лет.

Космические аппараты уже давно оснащают плазменными двигателями. Эта разновидность электрореактивного двигателя по большому счету не потребляет химического горючего, потому, что обеспечивается энергией от аккумуляторная батарей, радиоизотопных генераторов либо солнечных батарей. Главное преимущество плазменного двигателя — долгосрочное функционирование при довольно маленьком расходе рабочего тела. Но в этом виде такие двигатели развивают весьма не сильный тягу, всего пара граммов.

Исходя из этого они употребляются для корректировки спутниковых орбит или для медленного долгого ускорения маленьких аппаратов конкретно в космическом пространстве.

Как раз таковой мотор (конструкция его создана калининградским ОКБ «Факел»), выстроенный французской компанией Snecma Moteurs, в осеннюю пору 2003 года вывел с околоземной орбиты европейский зонд SMART-1, что в феврале 2005 года превратился в неестественный спутник Луны.

В качестве рабочего тела в этом двигателе была использована ксеноновая плазма. Разогнанные в электрическом и магнитном полях ионы ксенона выбрасывались в пространство и создавали реактивную тягу. Двигатель PPS-1350 проработал в космосе примерно 5000 часов при тяге в 7 г, истратив за это время 80 кг ксенона.

В будущем ЕКА предполагает оснастить двигателями этого типа автоматическую станцию BepiColombo, предназначенную для полета к Меркурию, солнечный зонд Solar Orbiter и космический детектор гравитационных волн LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

Если сравнивать с химическими соперниками удельный импульс плазменных двигателей выглядит легко роскошно. У PPS-1350 данный показатель равен 1640 с, у британского двигателя UK-10, корректирующего орбиты геостационарных спутников связи, практически в два раза больше — около 3100 с. Расход рабочего тела плазменного мотора мал, создаваемое им ускорение мало, и исходя из этого комплект скорости происходит медлительно.

Но кроме того и при таких скромных возможностях плазменный двигатель способен увести корабль с околоземной орбиты и мало-помалу обеспечить ему прирост скорости намного больший, чем 10 км/с, но вот времени на это требуется легко прорва. SMART-1 на своем ксеноновом моторчике добирался от Земли до Луны практически полтора года, потому, что двигался не «напрямик», а по раскручивающейся спирали.

Ядерные ракеты

Однако дело не совсем безнадежно. В случае если б возможно было выстроить двигатель с таким же расходом рабочего тела, как у химических ракет, но, по крайней мере, с в два раза громадным удельным импульсом, обстановка бы существенно улучшилась. Таковой мотор увеличил бы орбитальную скорость космического аппарата не на 10 км/с, а на 20 км/с а также больше.

Корабль с подобными двигателями преодолел бы расстояние от Земли до Сатурна не за семь лет, как зонд «Кассини», а всего за три года.

К счастью, эта задача делается разрешимой, в случае если вместо химических либо электрических «разгонщиков» применять ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Они способны обеспечить в полной мере приемлемые параметры тяги и высокий удельный импульс, обусловленный огромной скоростью истечения рабочего тела. Крайне важно, что для ЯРД вовсе не необходимы футуристические технические ответы, в полной мере может хватить уже существующих разработок.

Мысль ЯРД несложна до глупости, как сказал инженер Гарин о собственном гиперболоиде. Источником энергии помогает ядерная установка, в которой идут реакции деления, синтеза либо кроме того антиматерии и аннигиляции материи. Выделяемая реактором энергия конкретно либо через промежуточные этапы передается рабочему телу, которое с громадной скоростью выбрасывается из ракетных сопел.

Само собой разумеется, это только принципиальная схема. Все другое — уже конкретные технические ответы.

В случае если покинуть за кадром аннигиляцию и другие полуфантастические идеи, то на сегодня просматриваются две настоящие возможности выполнения ЯРД. Одна из них — охлаждение реактора летучим веществом, оптимальнее жидким водородом, что по окончании испарения будет уходить через сопла и создавать реактивную тягу. Такую конструкцию принято именовать тепловой ядерной ракетой, TNR (Thermal Nuclear Rocket). При применении реактора на уране либо плутонии удельный импульс TNR обязан составить от 800 до 1100 секунд.

Вторая возможность — оснащение корабля маленькой ядерной электростанцией (ЯЭУ — ядерная энергоустановка), которая производит ток для питания электрореактивного двигателя. Удельный импульс данной совокупности возможно довести до 5000 с. В качестве силовой установки возможно применять и компактный термоядерный реактор, но его в самом лучшем случае создадут лет через 50.

Orion и Nerva

Писатели-популяризаторы и фантасты науки заговорили об ядерных ракетах еще в 30-е годы ХХ века. В качестве фактически достижимой цели ЯРД первым внес предложение Станислав Улам. Американец польского происхождения, выпускник Львовского политехнического университета, Улам был только сильным математиком (он придумал способ Монте-Карло) и физиком-расчетчиком (вместе с Эдуардом Теллером создал теоретические базы конструкции водородной бомбы).

В первой половине 40-ых годов XX века Улам и его лос-аламосский сотрудник Фредерик де Хоффман в первый раз просчитали возможности применения ЯРД для космических полетов. Через 11 лет Улам и Корнелиус Эверетт в тайной докладной записке внесли предложение разгонять космические суда посредством маломощных ядерных взрывов. Энергия взрыва расходовалась на испарение диска из жёсткого вещества, расположенного между ядерным зарядом и кормой корабля.

Появляющийся поток плазмы должен был бы отражаться от кормового экрана и толкать корабль вперед.

Мысль Улама и Эверетта легла в базу проекта Orion, над которым во второй половине 50-ых годов двадцатого века начала трудиться калифорнийская корпорация General Atomics, до этого занимавшаяся лишь коммерческими ядерными реакторами. Под эту задачу выделил деньги (но, не через чур большие) и Пентагон. До ядерных взрывов дело не дошло, испытывались только разные модели дисков и экранов. Сначала участники проекта были выполнены для того чтобы оптимизма, что действительно сохраняли надежду запустить ядерный корабль к Сатурну не позднее 1970 года.

Любопытно, что среди них был один из создателей квантовой электродинамики, известный физик Фримен Дайсон. Но в начале 1960-х глава МинОбороны Роберт Макнамара заключил , что в армейском замысле эта мысль бесперспективна. А в 1963-м СССР, США и Англия договорились о запрете всех ядерных взрывов, за исключением подземных. В следствии проект Orion вступил в несоответствие с интернациональным правом и год спустя негромко скончался.

Обошелся он в целом не так уж и дорого — всего в $11 млн.

В техническом замысле Orion можно считать пульсирующим TNR, вынесенным за пределы космического аппарата. В другом интересном проекте — Helios — предполагалось детонировать ядерные заряды не вне, а в корабля, в заполненной водой сферической камере из термостойкого материала. Появившийся при взрыве пар должен был выбрасываться через сопла и разгонять ракету.

Но дальше всего в Соединенных Штатах зашли начатые во второй половине 50-ых годов двадцатого века работы по проекту NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), цели которых неоднократно изменялись. В итоге было решено выстроить два пилотируемых корабля с ЯРД, каковые в начале 1980-х доставили бы 12 американских космонавтов на Марс и возвратили их назад на Землю. На протяжении реализации этого проекта с различной степенью успеха были опробованы модели экспериментальных ядерных реакторов Kivi, Phoebus, PEWEE и NF-1.

Во второй половине 60-ых годов XX века состоялись стендовые опробования прототипа будущего ракетного мотора XE Prime мощностью 1100 МВт, и уже шло дело к изготовлению примера для летных опробований. Но в первой половине 70-ых годов двадцатого века программу закрыли, сочтя ее чересчур дорогой и фактически ненужной ни в научном, ни в политическом замысле.

Новый Прометей

В последней четверти XX века NASA больше не занималось разработкой ЯРД. Минобороны США еще некое время сохраняло умело-конструкторскую программу SNAP (Space Nuclear Thermal Propulsion), но в 1992-м ее финансирование прекратили . Около десяти лет назад маленькая компания Plus Ultra Technologies опубликовала проект компактного ЯРД Mitee, что в техническом замысле был прямым наследником программы SNAP.

Она внесла предложение начинять цилиндрические матрицы высокоактивными расщепляющимися материалами, америцием-233 и ураном-242, и прокачивать через эти трубки жидкий водород. Вычисления продемонстрировали, что испаряющийся газ, разогретый до 3000−35000С, будет вылетать из сопел с огромной скоростью. Предполагалось, что ракета Delta либо Atlas выведет космический аппарат на 800-км орбиту, по окончании чего возможно будет запустить ЯРД и лететь по назначению — к примеру, к Плутону.

Конструкторы утверждали, что таковой ЯРД возможно выстроить за 6−7 лет всего за $1 млрд. и что удельный импульс самый продвинутого варианта двигателя составит 1600 с. Но потому, что NASA не показало достаточного интереса, данный проект существует только на бумаге.

NASA возвратилось к идее ЯРД в 2003 году. Новый проект назвали Prometheus. На первом этапе его осуществления должны быть взяты экспертные оценки возможности создания компактного реактора для питания электроракетных двигателей нового поколения. В несколько ему предстоит создать ионный двигатель Heracles с тягой 60 г при удельном импульсе 7000 с, с ресурсом не меньше, чем 7−10 лет.

Связка таких двигателей сможет разгонять исследовательские зонды весом в пара тысячь киллограм до 80−90 км/с. Первые отчеты о возможностях создания реактора с нужными рабочими чертями должны быть размещены в 2006 году.

Антидвигатели для антиракет

Недавно сотрудники Лаборатории элементарных частиц университета Пенсильвании внесли предложение применять для ЯРД термоядерный реактор, в котором процесс синтеза гелия запускается посредством антивещества! Горючим помогает плазма, складывающаяся из ядер дейтерия и гелия-3 — легкого радиоактивного изотопа гелия. При слиянии таких ядер рождаются альфа частицы и-протоны, каковые владеют в полной мере солидной суммарной кинетической энергией, равной 18,3 МэВ.

Для запуска термоядерного синтеза плазму нужно сжать и нагреть, дабы выполнить так именуемое условие Лоусона. В реакторе ITER эта задача решена посредством сверхмощных магнитных полей, для которых требуется огромное количество и громоздкое оборудование энергии. Однако реакцию возможно зажечь и в маленькой камере, насытив дейтериево-гелиевую плазму антипротонами. При их аннигиляции должны рождаться ударные волны, каковые и дожмут плазму до лоусоновского критерия.

Антипротоны предполагается хранить в электромагнитной ловушке и закачивать в реактор по мере необходимости. Расчетные характеристики двигателя таковы: ресурс — 22 года, удельный импульс — 61 000 секунд, финальная скорость разгона космического зонда — около 1000 км/с, дальность полета — более 1500 астрономических единиц! К этим фантастическим цифрам остается добавить, пожалуй, лишь одну: разумный срок перевода данной идеи в металл — не раньше 2050 года.

А что же Россия и Европа? ЕКА изучает возможности ЯРД только теоретически. Этим занимается Несколько продвинутых концепций (Advanced Concepts Team), уже три года трудящаяся в рамках исследовательских программ Европейского центра по изучению космических разработок (European Space Technology Research Center).

Эти проработки находятся еще в зачаточной стадии.

А вот Российская Федерация продвинулась намного дальше всех остальных. Конструкция русских межпланетных судов создана очень подробно. Что же касается ядерных ракетных двигателей, то это единственная страна, где таковой двигатель был реально выстроен и испытан, а число спутников серии «Космос» с ядерными энергетическими установками перевалило за три десятка.

О ядерных ракетах и российских планетолётах просматривайте в следующем номере.

Не думай о секундах свысока

Ракетный двигатель формирует тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество, которое именуют рабочим телом. Из дюз простых ракет истекают газообразные продукты сгорания горючего. В электроракетном двигателе рабочим телом помогает поток плазмы, разогнанной электромагнитными силами. Эффективность ракетного мотора измеряется его удельным импульсом — отношением силы тяги к расходу рабочего тела.

Те, кто не забыл школьного курса физики, легко прикинут, что в совокупности СИ удельный импульс выражается в м/с. Техники предпочитают другой стандарт. Тягу они измеряют в килограммах силы (кгс), а расход рабочего тела — в килограммах массы (кг) в секунду. В этом случае размерность удельного импульса — это кгс/кг/с, другими словами кгс/кг, умноженное на секунду.

Но отношение кгс/кг — величина постоянная, и в случае если ее условно принять за единицу, то удельный импульс будет измеряться легко в секундах. В этом случае показатель получает наглядный физический суть: тяга в килограммах силы, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма рабочего тела.

Двигатель на водородно-кислородном горючем владеет самым громадным удельным импульсом, примерно 450 с (как раз таков показатель водородно-кислородных моторов американских «шаттлов»). Удельные импульсы всех других двигателей на химическом горючем очень сильно не дотягивают до этого оптимума. Большой удельный импульс русских двигателей РД-107 образовывает 314 с, двигателей второй ступени американской ракеты «Титан-4» — 316 с, твердотопливных разгонных бустеров евроракеты Ariane-5 — 271 с.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№35, сентябрь 2005).

<

h4>

KSP Многоразовый межпланетный корабль миф либо действительность

Статьи, которые будут Вам интересны: