ВизиЯ Наука и технологии Существует несколько сценариев развития космонавтики

Будущее ракетного двигателестроения

Агентство передовых оборонных исследовательских проектов США (Darpa) недавно поручило трем частным компаниям, Blue Origin, Lockheed Martin и General Atomics, разработать тепловые ракеты с ядерным делением для использования на лунной орбите.

Такая разработка, если она будет запущена, может открыть новую эру космических полетов. Тем не менее, это лишь одно из нескольких интересных направлений в ракетном двигателестроении. Вот некоторые другие.

Химические ракеты

Стандартным средством приведения в движение космических аппаратов являются химические ракеты. Существует два основных типа: твердотопливные (например, ускорители на корабле "Спейс Шаттл") и жидкотопливные (например, "Сатурн V").

Спейс Шаттл на орбите

В обоих случаях химическая реакция используется для получения очень горячего газа под высоким давлением внутри камеры сгорания. Сопло двигателя является единственным выходом для этого газа, который, расширяясь, создает тягу.

Для химической реакции требуется топливо - жидкий водород или порошкообразный алюминий, и окислитель (вещество, вызывающее химическую реакцию), например, кислород. Учитываются множество других переменных, в конечном итоге определяющих эффективность ракетного двигателя; ученые и инженеры всегда стремятся добиться большей тяги и эффективности использования топлива в данной конструкции.

Недавно SpaceX провела испытательные полеты своего прототипа ракеты-носителя Starship. В этом аппарате используется "полнопоточный двигатель ступенчатого сгорания (FFSC) Raptor, который сжигает метан и кислород в качестве окислителя. Подобные конструкции испытывались русскими в 1960-х годах и правительством США в 2000-х, но пока ни один из них не летал в космосе. Эти двигатели гораздо более экономичны и могут создавать гораздо более высокое отношение тяги к весу, чем традиционные конструкции.

Тепловые ракеты с делением

Ядро атома состоит из субатомных частиц, называемых протонами и нейтронами. Они определяют массу элемента - чем больше протонов и нейтронов, тем он тяжелее. Некоторые атомные ядра нестабильны и распадаются на несколько меньших ядер при бомбардировке нейтронами. Начинается процесс деления ядер, выделяется огромное количество энергии. При распаде ядер возникает больше нейтронов, которые расщепляют еще больше атомов, что приводит к цепной реакции.

Тепловые ракеты с ядерным делением

В тепловых ракетах с ядерным делением топливный газ, например, водород, нагревается в результате ядерного деления до высоких температур, создавая в камере реактора газ под высоким давлением. Как и в химических ракетах, он может выходить только через сопло ракеты, создавая тягу.

Ракеты с ядерным делением не предназначены для создания тяги, необходимой для подъема больших полезных грузов с поверхности Земли в космос. Однако, оказавшись в космосе, они гораздо эффективнее химических ракет - при заданной массе топлива они могут разгонять космический корабль до гораздо больших скоростей.

Ракеты с ядерным делением никогда не летали в космос, но они были испытаны на земле. Они должны сократить время полета на Марс с семи до трех месяцев. Очевидные недостатки включают производство радиоактивных отходов, также возрастает вероятность неудачи при запуске, а, соответственно, есть риск распространения радиоактивных материалов на большие территории.

Основная инженерная задача сейчас - достаточная миниатюризация реактора, чтобы он поместился на космическом корабле. Уже существует бурно развивающаяся индустрия производства компактных реакторов меньше взрослого человека.

Электрическая тяга

Настоящие ионные двигатели, ставшие образцом научной фантастики, генерируют заряженные частицы (ионы), ускоряют их с помощью электрических полей, а затем выстреливают их из движителя. В качестве топлива используется газ, например, ксенон, довольно тяжелый элемент, который легко заряжается электричеством.

Ионный двигатель, который применялся для миссии Bepi-Colombo на пути к Меркурию

Когда заряженные атомы ксенона ускоряются, выходя из двигателя, они передают небольшое количество импульса (произведение массы и скорости) космическому кораблю, обеспечивая мягкую тягу.

Хотя ионные приводы медленные, они являются одними из самых экономичных. Ионные двигатели обычно используются для управления положением космического аппарата и для схода с орбиты старых спутников.

Современные ионные двигатели питаются от солнечных батарей, для их работы требуется очень мало топлива. Они использовались в миссии SMART-1 компании ESA на Луну и миссии Bepi-Colombo на пути к Меркурию. В настоящее время NFSA разрабатывает мощную электрическую двигательную систему для Lunar Gateway, которую направят к Луне.

Солнечные паруса

В то время как для создания движущей силы обычно требуется топливо того или иного вида, более "зеленый" метод опирается исключительно на свет Солнца.

Солнечные паруса

Принцип работы солнечных парусов основан на физическом свойстве сохранения импульса. На Земле мы привыкли воспринимать этот импульс как динамическое давление частиц воздуха, вдуваемых в полотно паруса и двигающих судно вперед. Свет состоит из фотонов, которые не имеют массы, но обладают импульсом и могут передавать его парусу. Поскольку энергия отдельных фотонов очень мала, для ощутимого ускорения необходим очень большой размер паруса.

Прирост скорости также зависит от того, как далеко мы убежали от Солнца . На Земле мощность, получаемая от солнечного света, составляет около 1,3 кВт на квадратный метр. Если бы у нас был парус размером с футбольное поле, это равнялось бы 9,3 МВт, что обеспечило бы очень небольшое ускорение даже для объекта с малой массой.

Солнечные паруса были испытаны японским космическим аппаратом IKAROS, который успешно пролетел мимо Венеры, и аппаратом Планетарного общества Lightsail-2, в настоящее время он находится на земной орбите.

Одним из способов повышения эффективности и уменьшения размера паруса можно воспользоваться лазером для корректировки движения космического аппарата. Лазеры производят очень интенсивные пучки фотонов, которые направляются на парус для обеспечения гораздо большего ускорения.

Однако для этого их нужно строить на околоземной орбите, чтобы избежать потерь в атмосфере. Лазеры также были предложены в качестве средства схода с орбиты космического мусора - свет от лазера замедляет орбитальный мусор, который затем сойдет с орбиты и сгорит в атмосфере.

Разработка ракет с ядерным делением вызывает восторг у одних и беспокойство у других. Однако, поскольку частные компании и национальные космические агентства все чаще берут на себя обязательства по постоянному присутствию человека в космосе, эти альтернативные средства передвижения станут более распространенными в самое ближайшее время.