Будущее силовых ракетных установок

Космический корабль ДедалКосмический корабль Дедал

На протяжении более шестидесяти пяти лет люди отправляют полезные грузы и исследовательские экипажи в космос, используя транспортные средства, приводимые в действие реактивными двигателями, также известными как ракеты.

  

Концепция столь же проста, сколь и эффективна, но так же и опасна. Большое, стоящее транспортное средство с обтекателем фактически инициирует управляемый взрыв внутри себя. Взрывная сила воспламененного топлива  направляется через сопло для достижения «скоростиубегания», скорости, необходимой для преодоления гравитации Земли.

 

На Земле это означает достижение скорости 11,2 км /с, что требует очень быстрого и значительного ускорения, также известного как дельта-v (Δv). Для этого требуется много топлива, и чем тяжелее полезная нагрузка, тем больше ракета и тем больше топлива требуется.

 

Стоит ли удивляться, почему авиационные инженеры, планировщики миссий и футуристы мечтали о дне, когда обычные ракеты больше не понадобятся? Многие исследования посвящены именно этой идее, некоторые датируются еще до начала Космического Века. 

 

Ракетное уравнение

Независимо от того, как далеко мы продвинулись с технологией, ракеты всегда будут подвергаться тирании ракетного уравнения.

  

Основополагающая часть авиационной науки обычно приписывается русскому ученому-ракетчику Константину Циолковскому (1857-1935), который опубликовал ее в 1903 году (хотя другие ученые независимо друг от друга выводили ее до и после). 

 

Это уравнение описывает движение транспортных средств, которые выталкивают часть своей массы для создания тяги. Математически это можно представить как:

 

Vmax = u ln M0/Mk = u ln(1 + MТ/Mk),

 

где u — эффективная скорость истечения продуктов сгорания из сопла реактивного двигателя, М0 — начальная (стартовая) масса ракеты, Мк — конечная (без топлива) масса ракеты после завершения работы двигателя на активном участке траектории, MТ — масса выгоревшего топлива.

 

Это уравнение использовалось в течение почти семидесяти лет для расчета сухой массы ракеты и топлива, необходимого для отправки полезных грузов в космос. 

 

Порочный круг

 

Проще говоря,у этого уравнения есть серьезный недостаток. С начала космической эры каждая когда-либо созданная ракета состояла по своей массе в основном из топлива.

  

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим самые мощные современные ракеты в мире-систему космического запуска НАСА (SLS) и Starship&Super Heavy от SpaceX. В то время как SLS весит 85 275 кг, когда она не заправлена, ее масса увеличивается до 2,6 миллионов кг после того, как она заправлена и готова кзапуску. Между тем, система запуска Starship имеет сухую массу 170 110 кг по сравнению с «заправленной массой» ~ 5 миллионов кг. Если подсчитать, это означает, что более 96% полного веса SLS состоит из топлива. Хуже того, вес топлива полностью заправленного и готового к полету Starship Super Heavy близок к 98,5% от общей массы.

Космический корабль ДедалРакета Starship Super Heavy

Теперь рассмотрим полезную нагрузку, которую эти пусковые системы могут отправить на низкую околоземную орбиту (НОО). Для SLS это 95 000 кг и от 90 718,5 до 136 078 кг для Starship. Сравнивая это с их полностью заправленным весом, мы видим, что SLS и Starship могут взять только 3,65% и 2,72% своей массы в качестве полезной нагрузки на НОО (соответственно). 

 

И  имейте в виду, что это только для отправки полезной нагрузки на НОО. Чтобы отправить груз и экипаж на Луну, Марс и куда-либо еще в Солнечной системе, ракеты должны генерировать еще большую тягу, а это означает, что полезная нагрузка должна быть еще меньше.

 

Таким образом, для миссий за пределы Земли еще меньшая часть общей массы ракеты может быть полезной нагрузкой. По сути, чем больше полезная нагрузка, тем больше должна быть ракета. Чем больше ракета, тем массивнее она становится. Чем массивнее она становится, тем больше топлива ей нужно, чтобы добраться до космоса. Чембольшетопливаейнужно,теммассивнееонастановится.

 

Это замкнутый круг, и он тоже не слишком эффективен.  И это относится и к миссиям, когда надо достичь дальнего космоса. Чтобы гарантировать, что масса космического корабля не слишком велика, конструкторы космических кораблей и планировщики миссий ограничивают количество используемого химического топлива. Чаще всего двигатели космических аппаратов будут полагаться на твердое химическое топливо. Они могут обеспечить большую тягу, но их ограниченный запас означает, что их нужно использовать экономно и только для коррекции курса и маневров. К счастью, есть альтернативы, некоторые из которых сейчас находятся в стадии проектирования.

Космический корабль ДедалОрбитальный аппарат НАСА, предназначенный для исследования спутников Юпитера

 

Ядерная силовая установка

 

В начале космической эры ученые осознали потенциал объединения ядерной энергии и космических полетов.

 

В то время, когда передовые исследования приводили к одновременному прогрессу с ядерными бомбами, ядерными реакторами и ракетами, ученые увидели применение ядерной энергии в мирных целях.  В период с 1963 по1972 год эти усилия принесли свои плоды, когда был создан ядерный двигатель для применения в ракетных аппаратах (NERVA), ядерный реактор с твердой активной зоной с медленным делением, предназначенный для дальних пилотируемых космических полетов на Луну или межпланетные перелеты.

 

Советский Союз также исследовал технологию, в результате которой был создан РД-0410, ядерный тепловой ракетный двигатель, разработанный с 1965 по 1980-е годы. Эти реакторы должны были стать частью системы ядерно-теплового движения Nuclear-Thermal Propulsion (NTP), где тепло, выделяемое при медленном распаде радиоактивных изотопов, используется для нагрева жидкого водорода или дейтериевого топлива. Это приводит к расширению топлива, которое направляется через форсунки для создания тяги.

 

В период с 1972 года по сегодняшний день было предложено несколько концепций для NTP, и эта технология остается наиболее часто исследуемым применением. В 2017 году НАСА возобновило свои попытки создать систему NTP в рамках своей программы разработки Game Changing Development.

  

В 2023 году НАСА и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) объявили о совместных усилиях по  разработке концепции NTP под названием Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO). Кульминацией этого станет демонстрация DRACO на орбите, которая, как ожидается, произойдет к началу 2027 года.

 

В начале века также были предложения по ядерно-электрическим двигателям  Nuclear-Electric Propulsion (NEP). Этот схема состоит из ядерного реактора, вырабатывающего электроэнергию для двигателя, работающего на эффектеХолла или ионного двигателя, который ионизирует инертный газ (например, ксенон) и направляет заряженные частицы через сопла для создания тяги.

 

Усилия по реализации системы NEP включали проект «Прометей», запущенный НАСА в 2003 году. Этот проект привел к созданию орбитального аппарата Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), предложения о создании беспилотного космического корабля NEP,  который будет исследовать три крупнейших спутника Юпитера: Европу, Ганимед и Каллисто. Предложение было отклонено в 2005 году в пользу программы «Созвездие».

 

В течение этого же периода были сделаны предложения о «бимодальных концепциях», которые опираются как на системы NTP, так и на NEP. И NTP, и NEP имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными химическими ракетами. Среди них есть более высокая плотность энергии, когда ядерный реактор может извлекать гораздо больше энергии на единицу массі , чем химическое топливо. Более того, NTP предлагает вдвое большую эффективность, чем химические ракеты, в то время как NEP в 5-10 раз эффективнее. Эта более высокая эффективность позволяет производить транспортные средства NTP или NEP размером от одной трети до половины размера обычных транспортных средств.

 

Знаменитый инженер, технолог НАСА, эксперт по космическим полетам и писатель Лес Джонсон подытожил потенциал ядерных двигателей: «Использование для ракеты двигателя на основе ядерного деления, чтобы добраться из околоземного космоса (не с земли в космос!) снизит требуемую нагрузку на топливо на 50%, что является значительным, поскольку топливо для полета на Марс туда и обратно будет самым тяжелым запускаемым элементом, а затраты на запуск зависят от массы.

Космический корабль ДедалДвухмодульный ядерный космически корабль

Это также сократит время полета и обеспечит большую гибкость в окнах запуска, что сделает миссию более устойчивой к потенциальным техническим проблемам и связаннымы с ними задержками.  Для пилотируемых миссий внутри Солнечной системы,  примерно до Юпитера,  ядерная тепловая (делящаяся) тяга изменит правила игры».

 

Термоядерная силовая установка

 

Помимо ядерных применений, возможны несколько методов движения с использованием современных технологий. К ним относятся ядерные импульсные двигатели (NPP), метод, исследованный в рамках проекта «Орион» в период с 1958 по 1963 год. Проект курировали физик Тед Тейлор из General Atomics и знаменитый физик Фримен Дайсон (который предложил сферу Дайсона). 

 

Концепция предусматривает создание массивного космического корабля, загруженного сотнями (или тысячами) ядерных устройств. Они периодически выбрасываются из кормовой части космического корабля и детонируют (взрываются), создавая ударные волны, которые поглощаются задней прижимной пластиной.

 

Эта пластина преобразует ударные волны в поступательный импульс для космического корабля, ускоряя его до релятивистской скорости (скорость, достаточно большая, чтобы масса тела была больше, чем его масса покоя; она выражается как доля скорости света). 

 

Проект был заброшен в 1963 году с принятием Договора о частичном запрещении ядерных испытаний (PTBT), который запрещал испытания ядерных устройств в космосе. Тем не менее, концепция всплыла на поверхность с годами и по-прежнему считается потенциальным средством для реализации межзвездных перелетов.

  

Вскоре после этого ученые начали исследовать термоядерную тягу в рамках проекта «Дедал», проводимого в период с 1973 по 1978 год Британским межпланетным обществом (BIS). Этот проект был построен на работе проекта «Орион» и аналогичным образом предусматривал достижение релятивистской скорости с помощью ядерных импульсов.  Однако это должно было быть достигнуто путем внутреннего термоядерного синтеза, когда электронные лучи бомбили небольшие гранулы дейтерия и гелия-3 в камере сгорания. Это вызовет реакции, похожие на крошечные термоядерные взрывы. Полученная плазма будет ограничена и направлена мощным магнитным полем для создания мощной тяги. 

 

Идея была подхвачена в 2009 году Icarus Interstellar, международной организацией, состоящей из членов Британского межпланетного общества (BIS) и Фонда Тау Зеро (TZF), экспертов-добровольцев и гражданских ученых. В период с 2009 по 2019 год они исследовали уменьшенную версию «Дедала» под названием «Проект Икар». 

 

Существует также прямоточный воздушно-реактивный двигатель Бассарда, концепция термоядерного синтеза, предложенная в 1960 году физиком Робертом В. Бассардом и популяризированная в  знаменитом научно-фантастическом романе 1970 года «Тау-ноль» Пола Андерсона. В этом случае космический корабль, генерирующий мощные магнитные поля, будет направлять водород из межзвездной среды (ISM) в камеру магнитного удержания, сжимая его до тех пор, пока не произойдет ядерный синтез.

 

Несмотря на многообещающие перспективы, эти концепции сегодня не померно дороги по нашим стандартам.

 

Это включает в себя строительство, которое должно выполняться в космосе, чтобы избежать экстремальных затрат на запуск всех сборных компонентов на орбиту.

 

Во-вторых, стоимость производства топлива будет столь же непомерно высокой, учитывая редкость дейтерия и гелия-3.

Космический корабль, прямоточный двигательМежзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

Д-р Джонсон говорит: «Термоядерный двигатель был бы поистине революционным и открыл бы Солнечную систему для исследования и заселения человеком. Прежде чем мы сможем серьезно рассмотреть термоядерную ракету, нам нужно сначала продемонстрировать, что термоядерные реакторы могут работать на земле и постоянно производить значительно больше энергии, чем им требуется для запуска термоядерной реакции. В то время как различные инженерные усилия, по-видимому, близки к получению чистой положительной энергии, они должны быть в состоянии создавать гораздо больше энергии, чем потребляют, и эта цель еще даже не близка к достижению. Кроме того, существует проблема масштаба — весь термоядерный реактор должен быть миниатюризирован, чтобы поместиться в космическом корабле».

 

Тем не менее, физика, лежащая в основе этих предложений, здрава, и концепции могут быть реализованы когда-нибудь, при условии, что станет возможной космическая сборка и будут доступны дополнительные источники дейтерия  и гелия-3.

 

* * * Взятые вместе, методы движения, основанные на ядерном делении или синтезе, считаются будущим космических полетов. Однако эти понятия являются лишь частью гораздо большего созвездия понятий. С каждым прорывом в физике предлагаются новые идеи, пересматриваются старые и предпринимаются новые попытки их реализации.

 

 В следующей части будут рассмотрены направленная энергия, антиматерия и еще более экзотические методы движения!