Технологичные движки

Со времен великой гонки за первый спутник, за человека на орбите и покорение Луны – космос лишился самоценности. В глазах львиной доли мировых лидеров он утратил некое метафизическое качество, которое делало космические программы жизненно необходимыми. Сейчас разве что Китай продолжает традицию первопроходцев, да и то, старается не ударить лицом в грязь, и все делает постепенно.

Для всех остальных участников действует строгий экономический и политический критерий целесообразности – вкладывать ровно столько, чтобы не выглядеть слишком отсталыми и при случае извлекать прибыль. Чтобы прорвать эти ограничения, и открыть человечеству возможности посещения хотя бы Марса, необходимы несколько предпосылок. Нужен автономный, мало зависящий от логистической поддержки ЦУПа, сравнительно быстрый корабль.

Одна из важнейших его деталей – двигатель.

Нынешние реактивные двигатели на жидком топливе достигли фактически своего предела, как в XIX-м веке достигли предела паровозы. Дымящих повелителей железных дорог сгубила одна единственная слабость – низкий КПД. У жидкостнореактивных двигателей так же присутствует неустранимый дефект – большой расход рабочего тела. Каждый килограмм, поднятый с поверхности Земли на орбиту, обходился, обходится и будет обходиться в круглую сумму.  Следовательно, любое топливо, сгорающее в дюзах, будет оставаться золотым.

Любые маневры даже на околоземной орбите потому так нуждаются в расчетах и проводятся с такой неохотой, что расходуется топливо чрезвычайно быстро, а за каждой новой каплей надо спускаться на дно гравитационного колодца. Полет в космос из-за вынужденной экономии подобен экспедиции в пещеру – надо всегда следить, сколько осталось заряда в аккумуляторе, иначе тьму разогнать будет просто нечем.

Своих разумных пределов по мощности реактивные двигатели уже фактически достигли. Двигатель, который поднял в космос ракетоноситель «Энергия», был усовершенствован, улучшено его управление, но мощность оказалась избыточной. Если в 90-х года США с удовольствием закупили у России двигатели, оставшиеся от советской лунной программы (начало 70-х), это говорит если не о застое, то серьезном снижении результативности исследований.

Конструируются все более надежные, отчасти экономичные двигатели. Растет технологичность изделий – рано или поздно их смогут поставить на конвейер. Совершенствование линейки двигателей, или даже создание универсального двигателя, основная задача для современных заводов. Спутники могут быть легкими, тяжелыми, запускаться поодиночке и группами – модульный ракетоноситель должен выводить на орбиту любые сочетания.

Вот достаточно типичное сообщение: «Кислородно-керосиновый двигатель РД-0124 с тягой 30 тонн создан для ракеты носителя «Союз-2-1б», разработанной в «ЦСКБ-Прогресс». Он позволяет увеличить грузоподъемность ракеты почти на одну тонну. РД-0124 будет также использоваться на легкой ракете- носителе «Союз-2-1в» и в составе ракеты «Союз-СТ-б», запуски которой планируется осуществлять по совместной российско-французской программе с космодрома Куру в Гвианском космическом центре. Кроме того, в модифицированном виде РД-0124 найдет применение в составе семейства новых ракет-носителей «Ангара». http://www.sdelanounas.ru/blogs/all/?search=%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%81&PHPSESSID=c2fd24ca7cfcb445d6fd696b1a543904

Ограниченность в объеме рабочего тела – лишь одна из проблем традиционных реактивных двигателей. Вторая – сравнительно низкая скорость истечения сгоревшего топлива. Первая и вторая космические скорости (километры в секунду, не сотни километров в секунду, а единицы), до которых может разогнаться такой корабль – это очень хорошо по мерам Земли, даже для путешествия на Луну. Но вот для рациональной экспедиции на Марс такая скорость уже недостаточна. Провести более года в полете, получить значительную дозу облучения – такие подвижнические стандарты в космонавтике не смогут прижиться. Для создания хотя бы постоянных исследовательских лабораторий на Марсе требуется путешествие за несколько месяцев.

Такую скорость могут дать другие разновидности двигателей.

Рабочее тело можно нагревать не за счет энергии химических реакций, а с помощью атомного реактора. Рабочее тело, разогретое до более высоких температур, будет иметь большую скорость истечения, следовательно, и до больших скоростей сможет разогнать корабль. Благодаря более высокой температуре рабочего тела и, соответственно, более высокой скорости истечения реактивной струи у ядерного ракетного двигателя заметно такой специфический показатель, как удельный импульс: 850-1000 секунд против 350-450 у традиционных жидкостнореактивных двигателей. (Трансформированная цитата отсюда http://www.membrana.ru/particle/3200)

Кроме того, это рабочее тело не есть топливо в привычном нам смысле – это может быть водород, аммиак, другие газы. Мощность двигателя куда как выше, чем жидкостнореактивного. Атомный двигатель разрабатывался в 70-е годы, причем по обе стороны железного занавеса. В СССР - РД-0410, с США – NERVA. Оба двигателя успешно прошли этап стендовых испытаний. Показали высокие характеристики. Но… Остановка космической гонки, когда обе стороны отказались от марсианской экспедиции, фактически поставил на них крест. Вывод атомных ректоров на орбиту казался весьма рискованным предприятием. Кроме того, оба ядерных двигателя оставались твердофазными – т.е. ТВЭЛ были из тугоплавких металлов. И температура газов не превышала 3100 К. В газофазных ядерных двигателях можно получать фактически плазму – до 12 000 К.

Следующий подвид ракетных двигателей: ионные и плазменные – рабочим телом служат не продукты химического сгорания, а заряженные частицы или высокотемпературная плазма, которая ускоряется в магнитном поле.

Но здесь возникают совершенно другие проблемы, характерные для «детства» любой технологи. В 20-30-х годах прошлого века принцип реактивного двигателя был вполне ясен, уже были проведены значительные теоретические расчеты, но вот мощность и период работы этих двигателей оставались совершенно неудовлетворительными. Они могли поднимать на несколько километров модели ракет. Или нести заряд в «Катюшах». Ни о каких полетах человека хотя бы в стратосфере и речи не было. Качественный скачок произошел 40-50-е и потребовал феерических затрат на создание больших исследовательских коллективов, постройку космодромов, серийный выпуск ракет.

Сейчас с плазменными и ионными двигателями очень похожая ситуация: они используются на некоторых спутниках и в своих маломощных вариантах прекрасно справляются с коррекцией их орбит. Существует проект оснастить ими международную космическую станцию: сейчас приходится тратить сотни литров топлива каждый год, чтобы «подтягивать» МКС на стандартную орбиту (на высоте 400 км. Еще присутствуют условные остатки атмосферы, которые тормозятстанцию), а потребуется в несколько раз меньше аргона. Для нынешних двигателей хватает энергии солнечных батарей (запасаемой в аккумуляторах) или ядерных изотопных источников питания.

Для разгона пилотируемого космического корабля требуется куда больше электричества. Нужна мощная энергетическая установка и работающая «разгонная» система. Для космонавтики сейчас это приоритетные задачи. Достаточно указать на максимально открытое, «рекламное» интервью в «Известиях».

«НИЦКИ включился в проект в 2009 году. В июне позапрошлого года Михаил Ковальчук заявил на пресс-конференции: «По договоренности с РКК «Энергия» мы реанимируем всю тематику по созданию ядерных энергетических установок (цитата по ИТАР-ТАСС)». Тогда Ковальчук пояснил, что РКК «Энергия» как предприятие, разрабатывающее марсианскую программу, «остро нуждается в атомном буксире, позволяющем перетаскивать корабли и грузы в космосе». http://www.izvestia.ru/news/503048.

На эти двигатели уже размещают официальные государственные заказы: http://www.roscosmos.ru/main.php?id=2&nid=16574

 Разработка магнитоплазменного двигателя идет и в США.

«На максимальной же паспортной мощности в 200 кВт распределение энергопотребления двух «ступеней» плазменного ускорителя VX-200 остаётся аналогичным: 32 кВт уходит на ионизацию газа и 168 – на его нагрев и разгон. И хотя во время опыта пиковую свою мощность аппарат развивал доли секунды, создатели машины убеждены, что её рабочая версия сможет непрерывно работать минутами, а если потребуется – часами, днями и месяцами.

Правда, увы, такие устройства дают малую тягу. В случае с VX-200 речь идёт о величине порядка 5 ньютонов (500 грамм). По меркам химических движков — это сущая мелочь, но по меркам электроракетных — очень солидная величина». http://www.membrana.ru/particle/3346

Ядерный реактор в любом случае должен быть выведен в космос - это насущная необходимость для современной космонавтики.

 Следующая разновидность перспективных двигателей – солнечные паруса.

Здесь принцип работы куда как проще: большая площадь паруса испытывает давление солнечного света, и обеспечивает разгон кораблю. Солнце, как источник энергии – при межпланетных перелетах, обладает множеством преимуществ. Это постоянный  источник энергии, несложные маневры позволяют использовать солнечный свет, чтобы двигаться к Солнцу. Основная технологическая проблема – раскрытие и поддержание паруса в космосе. Сверхтонкие пленки весьма капризны.

Солнечный парус, пусть и небольшой, уже успешно испытан.

21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры. IKAROS оснащен тончайшей мембраной размером 14 на 14 метров. С его помощью планируется исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов, отмечает агентство. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось.  …тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%B0%D1%80%D1%83%D1%81].

Как вариант: солнечный парус может получать импульс не от солнечного излучения, а от лазера. Однако, для этого нужна специальная пушка или даже несколько таких пушек. Естественно, их надо выводить в космос, оснащать собственными источниками энергии, что делает систему довольно затратной и сложной.

По рациональным, перспективным проектам, которые можно воплотить в реальной конструкции – это все.

Но как в XVIII-XIX-м веках присутствовала мечта создать вечный двигатель, так и сейчас, регулярно всплывают проекты инерциоидов. Это особый вид несуществующих двигателей, которые должны перемещаться в пространстве, никак не контактируя с окружающей средой, а лишь производя операции внутри себя. Как традиционные вечные двигатели противоречат первому началу термодинамики, так и инерциоид противоречит закону сохранения импульса. В предлагаемых моделях есть гирька или эксцентрик, который движется в одну сторону быстрее, в другую медленнее. Инерциоиды могут перемещаться на твердой поверхности и в жидкости – за счет сил трения и вязкости (при быстром ходе груза и при медленном – их величины различаются), то есть, когда взаимодействие с окружающей средой сохраняется. Но вот в вакууме никакие уловки не помогают.

Увы, самые простые знания о физике порой отступают перед ощущением, что можно вот так запросто получить необходимый эффект. В мае 2008-го некий Ю.С. Даньшов смог добиться выведения такого инерциоида на околоземную орбиту (http://www.aif.ru/society/article/21639), обещая изменить с его помощью траекторию движения спутника. Но «вдруг» на спутнике не оказалось телеметрии, почему-то злые люди запретили включать двигатель и вообще, вся история вдруг окуталась туманом неизвестности.

 Подводя итог, можно сказать, что несколько разновидностей двигателей стоит на «низком старте» и от широкого использования их отделяет самая малость – технологичный проект и качественное воплощение.