Двигатели для космических кораблей

Содержание

Проект ТЭМ: ядерный реактор и электроракетный двигатель для космоса

Один из самых смелых проектов последних лет в сфере космических технологий развивается, и появляются поводы для хороших новостей. На днях стало известно о завершении работ по проекту «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса». Теперь ученым предстоит провести ряд последующих работ, и конечным результатом станет появление полноценного модуля, пригодного к эксплуатации.


Один из вариантов компоновки транспортно-энергетического модуля

Отчет о работе

В конце июля «Роскосмос» утвердил отчет за 2018 г., указывающий основные направления деятельности и успехи организации. Среди прочего в отчете упомянут проект «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса», разрабатывавшийся в рамках Госпрограммы «Космическая деятельность России на 2013-2020 годы».
Согласно отчету, выполнение этого проекта было завершено в прошлом году. В рамках этих работ подготовлена конструкторская документация, изготовлены и испытаны отдельные изделия. Пока речь идет о компонентах будущего макета наземного прототипа транспортно-энергетического модуля (ТЭМ).
На этом работы по созданию ТЭМ не останавливаются. Все дальнейшие мероприятия будут осуществляться в рамках существующей федеральной космической программы. К сожалению, в отчете «Роскосмоса» не приводятся технические подробности проекта ТЭМ в его нынешнем виде, а также не указываются сроки выполнения работ. Впрочем, эти данные известны из других источников.

История вопроса

Согласно отчету «Роскосмоса», работы по теме ТЭМ продолжаются и скоро должны выйти на новый этап. Это означает, что планы по созданию принципиально новой ракетно-космической техники, утвержденные почти 10 лет назад, будут выполнены в обозримом будущем.
Идея транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) в ее нынешнем виде была предложена в 2009 г. Разработка этого изделия должна была осуществляться предприятиями «Роскосмоса» и «Росатома». Ведущую роль в проекте играют ракетно-космическая корпорация «Энергия» и ФГУП «Центр Келдыша».
В 2010 г. проект стартовал, начались первые исследовательские и конструкторские работы. На тот момент утверждалось, что основные компоненты ЯЭДУ и ТЭМ будут готовы к концу десятилетия. Эскизный проект ТЭМ подготовили в 2013 г. В 2014-м начались испытания компонентов ЯЭДУ и ионного двигателя ИД-500. В дальнейшем неоднократно появлялись сообщения о тех или иных работах и успехах. Строились и испытывались различные элементы ЯЭДУ и ТЭМ, а также осуществлялся поиск сфер применения новой техники.
По мере проработки проекта ТЭМ в открытых источниках регулярно публиковались изображения, показывающие примерный облик этого изделия. Последний раз подобные материалы появлялись в ноябре прошлого года. Любопытно, что этот вариант облика заметно отличался от предыдущих, хотя и имел некоторое сходство в основных чертах.

Технические особенности

Транспортно-энергетический модуль рассматривается в качестве многоцелевого средства для работы в космосе, как на орбитах Земли, так и на других траекториях. С его помощью в будущем планируется выводить полезную нагрузку на орбиты или отправлять к другим небесным телам. Также ТЭМ может использоваться для обслуживания космических аппаратов или в борьбе с космическим мусором.

ТЭМ получит раздвижные несущие фермы, за счет которых будут обеспечены необходимые габариты. На фермах предлагается монтировать энергоблок с реакторной установкой, приборно-агрегатный комплекс, стыковочные средства, солнечные батареи и т.д. В хвостовой части модуля будут располагаться маршевые и маневровые электроракетные двигатели. Полезная нагрузка будет перевозиться при помощи стыковочных устройств.
Основной компонент ТЭМ – ЯЭДУ мегаваттного класса, разрабатываемая с 2009 г. Реактор установки должен отличаться особой стойкостью к температурным нагрузкам, что связано с особыми режимами его работы. В качестве теплоносителя выбрана гелий-ксеноновая смесь. Тепловая мощность установки достигнет 3,8 МВт, электрическая – 1 МВт. Для сброса лишнего тепла предлагается использовать капельный холодильник-излучатель.
Электроэнергия от ядерной установки должна подаваться на электроракетный двигатель. На стадии испытаний находится перспективный ионный двигатель ИД-500. При КПД до 75% он должен показывать мощность 35 кВт и тягу до 750 мН. На испытаниях в 2017 г. изделие ИД-500 отработало на стенде 300 ч на мощности 35 кВт.
Согласно данным прошлых лет, ТЭМ в рабочем положении будет иметь длину более 50-52 м при диаметре (по раскрытым фермам и элементам на них) свыше 20 м. Масса – не менее 20 т. Вывод такого модуля на околоземную орбиту будет осуществляться при помощи одной или нескольких нескольких ракет-носителей с последующей сборкой. Затем с ним должна стыковаться полезная нагрузка. Расчетный срок службы, ограниченный ресурсом реактора, составляет 10 лет.

Большие перспективы

Главной особенностью ТЭМ с ЯЭДУ, принципиально отличающей его от другой ракетно-космической техники, является высочайший удельный импульс. Применение особой энергоустановки и электроракетного двигателя позволяет получать требуемые параметры тяги при минимальном расходе ядерного топлива. Таким образом, ТЭМ в теории способен решать задачи, недоступные для традиционных ракетных систем на химическом топливе.
Благодаря этому появляется возможность более активного использования маршевых и маневровых двигателей на всем протяжении полета. В частности, это позволяет использовать более выгодные траектории полета к другим небесным телам. 10-летний срок эксплуатации позволяет многократно применять ТЭМ в разных миссиях, сокращая расходы на их организацию. В целом появление систем наподобие ТЭМ с ЯЭДУ даст космонавтике новые возможности во всех основных сферах деятельности.
Штатные двигатели ТЭМ должны использовать только часть электроэнергии от генерирующих систем. Соответственно, остается крупный запас мощности, пригодной для использования целевым оборудованием.
Однако имеются и существенные недостатки. Прежде всего, это необходимость разработки целого ряда новых технологий и общая сложность проекта. Вследствие этого создание ТЭМ требует много времени и соответствующее финансирование. Так, проект «Роскосмоса» разрабатывается около 10 лет, но практическое применение готового ТЭМ все еще относится к отдаленному будущему. Общая стоимость проекта оценивается в 17 млрд рублей.

Вариант облика ТЭМ, показанный прошлой осенью
Применение ядерной энергоустановки приводит к серьезным ограничениям на разных этапах. К примеру, испытания готовой ЯЭДУ или ТЭМ в целом возможны только на орбитах, что позволит минимизировать ущерб от возможных нештатных ситуаций. То же касается и эксплуатации готового транспортно-энергетического модуля.

Обозримое будущее

Согласно последним новостям, разработка проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» успешно завершена. Уже готовы некоторые макетные образцы, необходимые для проведения испытаний. В ближайшие годы предприятиям из состава «Роскосмоса» и «Росатома» предстоит провести ряд важнейших работ с этими и другими изделиями.
Летный прототип ТЭМ планируется построить в 2022-23 гг. После этого должны стартовать различные испытания, на которые уйдет несколько лет. Полноценный запуск эксплуатации ТЭМ ожидается в 2030 г.
В конце июня стало известно о подготовке площадки для эксплуатации ТЭМ. Такую технику будут запускать с космодрома Восточный. Не так давно был объявлен конкурс на разработку и строительство комплекса средств для подготовки космических аппаратов и транспортно-энергетического модуля. Конструкторская документация на технический комплекс должна быть разработана в 2025-26 гг. Строительство планируется запустить в 2027-м, а ввод в эксплуатацию состоится в 2030-м. Стоимость контракта – 13,2 млрд рублей.
Таким образом, различные работы по теме перспективной ракетно-космической техники с ЯЭДУ будут продолжаться в течение всего следующего десятилетия. Одним организациям предстоит завершить разработку и провести испытания транспортно-энергетического модуля, тогда как другие будут готовить инфраструктуру для его эксплуатации. По результатам всех этих работ в 2030 г. в распоряжении российской космической отрасли окажется принципиально новая техника с широкими возможностями. Впрочем, сложность всех этапов многообещающей программы может привести к изменению графика.

Русский ядерный двигатель для космического корабля: Миф или ближайшее будущее?

Российская ракета с ядерной двигательной установкой может отправиться в космос на испытательный полёт уже в этом году. Об этом Царьград информировал доверенный источник, знакомый с ситуацией в русской космической отрасли.

Технически там всё практически ясно, — рассказал специалист, знакомый с научной стороной проблемы. — Схема двигателя понятна, ионный прототип с хорошим удельным импульсом разработан, изготовлен и испытан на стендах. Есть представление о ракете в целом, кое-что тоже испытывается. Если поднапрячься, изделие может быть отправлено для испытаний в реальном космосе достаточно быстро, не исключаю, что и в нынешнем году, хотя говорят в целом о двадцатых годах.

Но это всё — именно «может быть», со вздохом дополнил учёный. Ибо сегодня в космической отрасли и с исполнительной дисциплиной, мягко говоря, есть сложности, и в целом отмечаются метания, интенсивность которых, также мягко говоря, набрала слишком размашистую амплитуду…

Совещание о ракетоплане

Вовсе не случайно, отметил источник, что недавно была организована утечка информации о совещании в «Роскосмосе», где прозвучал призыв готовиться к переходу космонавтики на ракетопланы с ядерной двигательной установкой.

Согласно сообщению, вышедшему в РИА Новости, совещание по перспективам создания многоразовой ракетно-космической техники, состоявшееся в госкорпорации, завершилось составлением предложения для предприятий, в котором значилось «рассмотрение принципиально новых компоновок» для многоразовых космических систем. Среди этих компоновок упоминались также и «ракетопланы с ядерной двигательной установкой».

Ракетопланы, разъяснил информатор Царьграда, — если это, правда, не всего лишь словцо, полюбившееся «эффективным менеджерам», как не без яда добавил он, — это практически космические самолёты, умеющие летать в атмосфере и поднимающиеся в космос на крыльях. Неслучайно в контексте новости о совещании в «Роскосмосе» упоминались многоразовый корабль «Буран», орбитальный самолёт «Бор», многоразовые крылатые ускорители «Байкал» для ракеты «Ангара».

«Буран». Фото: www.globallookpress.com

Иное дело, что подобные аппараты не обязательно должны летать на ядерных двигательных установках, как не летал, например, тот же «Буран». Но факт и то, заявил учёный, что нынешние химические ракетные виды топлива практически близки к исчерпанию энергетического потенциала и на них невозможна межпланетная космонавтика. То есть ждать по году, а то и по десятилетию, покамест автоматические зонды доберутся до Марса, Юпитера или объекта Ультима Туле в поясе Койпера, — это можно. Сидя в своей лаборатории или дома под надёжным укрытием атмосферы и земных магнитных полей от опасных космических излучений. Но вот отправляться в полуторагодичный полёт на Марс без возможности сманеврировать и в случае чего вернуться — это слишком большой риск при слишком небольших шансах на успех.

Мы ещё автоматические зонды с Марса не научились возвращать, — подытожил консультант Царьграда в космической сфере. — Где уж думать о том, как вернуть корабль с людьми, летящий, по сути, как камушек, практически неуправляемый в полёте.

Фото: www.globallookpress.com

Корабль с ядерным двигателем

В чём принципиальная разница между нынешними ракетами с химическими двигателями и транспортно-энергетическими модулями на основе ядерной энергодвигательной установки?

Первые похожи на набор цистерн с топливом, которые поднимают корабль на орбиту, это топливо вырабатывая, а «цистерны» отбрасывая. Эта схема действует уже 70 лет и стала за это время достаточно отработанной и надёжной. Но! Чем сложнее техника, чем больше в ней деталей — тем быстрее случается её отказ. Как ни совершенствуй и ни контролируй её. Даже без злого умысла — чистая статистика, закон больших чисел. Что погубило, скажем, советскую лунную программу в 1960-х годах? Да в значительной степени то, что синхронизировать работу 30 двигателей первой ступени, 8 — второй и 4 — третьей было задачей непосильной для тогдашней техники.

Но и в случае удачного сложения всех обстоятельств выведенное на орбиту изделие оказывается с очень ограниченным запасом топлива, не позволяющим совершать полноценные манёвры в космосе. То-то вон и МКС приходится поднимать, чтобы не соскользнула с нужной орбиты, с помощью дополнительного топлива и транспортных кораблей. А теперь представим, что будет делать подобная МКС возле Марса. И как её уводить оттуда?

А вот ядерная энергодвигательная установка от таких проблем практически свободна. Главное только — не перепутать: одно дело — двигатель для неё, другое — энергетика для двигателя. Энергетику обеспечивает ядерный реактор, который даёт электрический ток. Считается, что мощность тока должна быть не менее чем на мегаваттном уровне.

Фото: Billion Photos / Shutterstock.com

А вот двигатель — система отдельная, которая на этом токе и работает. В той системе, над которой российские специалисты работают как минимум с 2009 года, двигатель используется ионный. Точнее, не совсем, но принцип, в общем, один — плазменный. Между двумя электродами — анодом и катодом — размещена рабочая камера, в которую подаётся рабочее тело — например, газ ксенон. Между анодом и катодом устраивается большая разность потенциалов, и разряды тока ионизируют рабочее тело. Ионы эти разгоняются в нужном направлении, толкая космический корабль в противоположную сторону.

Но нужен также холодильник, чтобы охлаждать реактор. Тоже не без подвоха система, хотя, казалось бы, какой нужен холодильник, раз вокруг — вакуум и абсолютный нуль? Но вот как раз именно из-за того, что пустота теплоотводными качествами не обладает, пришлось конструкторам изобретать нечто вроде постоянной водной смеси вокруг реактора.

Мы — первые!

Дальнейшие технические подробности не очень интересны. Можно сказать лишь, что российским учёным и конструкторам удалось сделать огромную по сложности работу. Как по замыслу, так и по исполнению. Американцам, которые тоже корпели над этой темой, не удалось за долгие годы даже приблизиться к созданию реактора, стабильно работающего в космосе. После чего джентльмены поступили так, как им и положено: добились решения ООН по запрету использования ядерных энергодвигательных установок в космосе. Дело было при… нетрудно догадаться: Горбачёве.

Так что ждём предметных возмущений от американцев, когда дойдёт дело до испытаний ЯЭДУ в космосе…

В чём основные преимущества и недостатки ядерных двигательных установок? Удобство — в обращении с рабочим телом и в его хранении. Это всего лишь нейтральный неопасный газ в жидком или твёрдом виде. Очень долгий срок службы: время непрерывной работы такого двигателя — проверено — составляет более 3 лет.

Высокая тяга: плазменный двигатель в 20 раз превосходит по этому показателю двигатель химический. Высокий удельный импульс: у ионного двигателя ИД-500, сделанного в Центре имени М.В. Келдыша, удельный импульс составляет 70 000 м/с. Но вообще ионы могут разгоняться под действием тока до скоростей большее 200 км/с (у химических двигателей — 3-4,5 км/с). Благодаря всему этому до Марса можно долететь за полтора месяца при полностью управляемом режиме.

И всё это — на расстоянии вытянутой руки! Россия может стать первой страной, не просто отправившей человека к Марсу, но первой в переходе на качественно новый способ передвижения в космосе!

Может. Но станет ли?

«Ничего комментировать не могу…»

В разговоре с Царьградом очень информированный эксперт в области космических исследований академик Михаил Маров, когда-то сам принимавший участие в разработке межпланетных космических аппаратов, продемонстрировал скепсис относительно перспектив скорого испытания русского космического корабля с ядерной двигательной установкой.

Академик РАН, заведующий отделом планетных исследований и космохимии Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН Михаил Маров. Фото: Георгий Поляков/Интерпресс/ТАСС

Дело в том, что я бы мог вам комментировать более или менее ответственно, если бы дело шло о советской эпохе, — заявил он. — Вот тогда было всё, в общем, довольно чётко, хотя и много было секретности. Но то, что было решено, довольно чётко выполнялось. Сейчас же я ничего комментировать не могу. Потому что все планы сегодня уползают вправо, причём никто за это ответственности не несёт. Хотя эти проекты, скажем, «Луна-Глоб», «Луна-Ресурс» — всё это в федеральной космической программе. А тогда, если проект был в аналоге федеральной программы, то есть назван в постановлении ЦК и Совмина, то если генеральный или главный конструктор говорил, что он изделие вовремя не может сделать, ему говорили очень коротко и спокойно: ну, тогда положишь на стол партбилет. И это, как вы понимаете, было настолько значимо с точки зрения крушения карьеры, что люди делали всё, что могли и не могли, чтобы выдержать плановые сроки.

Вот жил в своё время конструктор Георгий Бабакин, напомнил академик Маров. Это человек, который за шесть лет сделал 16 космических аппаратов!

«При мне он обещал Келдышу сделать за два года возврат грунта с Луны, — рассказал учёный. — И это вошло потом в постановление ЦК и Совмина. И это было сделано. А вот сейчас, когда вы меня спрашиваете, я был бы очень-очень рад сказать: да, всё великолепно. Всё, что и как заявлено, будет сделано. Но я не могу так сказать».

Так что хорошо то, что делается. Но нашему космосу сегодня больше всего нужна простая метла. Которая подчистила бы все те горы мусора, полуправд и пустозвонства, которые скопились в отрасли за последние десятилетия.

В России собрали первый в мире ядерный космический двигатель

Ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) будет готова к полету уже в 2018 году. Об этом сообщил директор Центра имени Келдыша, академик Анатолий Коротеев. «Мы должны подготовить первый образец (ядерной энергетической установки мегаваттного класса. – Прим. «Эксперта Online») к летно-конструкторским испытаниям в 2018 году. Полетит она или нет, это другое дело, там может быть очередь, но она должна быть готова к полету», – передало его слова РИА «Новости». Сказанное означает, что один из самых амбициозных советско-российских проектов в области освоения космоса вступает в фазу непосредственной практической реализации.

Суть этого проекта, корни которого уходят еще в середину прошлого века, вот в чем. Сейчас полеты в околоземное пространство осуществляются на ракетах, которые движутся за счет сгорания в их двигателях жидкого или твердого топлива. По сути, этот тот же двигатель, что и в автомобиле. Только в автомобиле бензин, сгорая, толкает поршни в цилиндрах, передавая через них свою энергию колесам. А в ракетном двигателе сгорающие керосин или гептил непосредственно толкают ракету вперед.

За прошедшие полвека эта ракетная технология была отработана во всем мире до мелочей. Но и сами ракетостроители признают, что . Совершенствовать – да, нужно. Пытаться увеличить грузоподъемность ракет с нынешних 23 тонн до 100 и даже 150 тонн на основе «усовершенствованных» двигателей сгорания – да, нужно пытаться. Но это тупиковый путь с точки зрения эволюции. «Сколько бы специалисты всего мира по ракетным двигателям ни трудились, максимальный эффект, который мы получим, будет исчисляться долями процентов. Из существующих ракетных двигателей, будь это жидкостные или твердотопливные, грубо говоря, выжато все, и попытки увеличения тяги, удельного импульса просто бесперспективны. Ядерные же энергодвигательные установки дают увеличение в разы. На примере полета к Марсу – сейчас надо лететь полтора-два года туда и обратно, а можно будет слетать за два-четыре месяца», – оценивал в свое время ситуацию экс-глава Федерального космического агентства России Анатолий Перминов.

Поэтому ещё в 2010 году, тогдашнем президентом России, а ныне премьер-министром Дмитрием Медведевым было дано распоряжение к концу этого десятилетия создать в нашей стране космический транспортно-энергетический модуль на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса. На разработку этого проекта до 2018 года из средств федерального бюджета, «Роскосмоса» и «Росатома» запланировано выделить 17 млрд рублей. 7,2 млрд из этой суммы выделено госкопорации «Росатом» на создание реакторной установки (этим занимается Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Доллежаля), 4 млрд – Центру имени Келдыша на создание ядерной энергодвигательной установки. 5,8 млрд рублей предназначается РКК «Энергия» для создания транспортно-энергетического модуля, то есть, проще говоря, ракеты-корабля.

Естественно, все эти работы делаются не на пустом месте. С 1970 по 1988 годы в космос только СССР запустил более трех десятков спутников-шпионов, оснащенных ядерными силовыми установками малой мощности типа «Бук» и «Топаз». Они использовались при создании всепогодной системы наблюдения за надводными целями на всей акватории Мирового океана и выдачи целеуказания с передачей на носители оружия или командные пункты – система морской космической разведки и целеуказания «Легенда» (1978 год).

NASA и американские компании, производящие космические аппараты и средства их доставки, так и не смогли за это время, хоть и трижды пытались, создать ядерный реактор, который бы устойчиво работал в космосе. Поэтому в 1988 году через ООН был проведен запрет на использование космических аппаратов с ядерными энергетическими двигательными установками, и производство спутников типа УС-А с ЯЭДУ на борту в Советском Союзе было прекращено.

Параллельно в 60-70-е годы прошлого века Центр имени Келдыша вел активные работы по созданию ионного двигателя (электроплазменного двигателя), который наиболее подходит для создания двигательной установки большой мощности, работающей на ядерном топливе. Реактор выделяет тепло, оно генератором преобразуется в электричество. С помощью электричества инертный газ ксенон в таком двигателе сначала ионизируется, а затем положительно заряженные частицы (положительные ионы ксенона) ускоряются в электростатическом поле до заданной скорости и создают тягу, покидая двигатель. Вот такой принцип работы ионного двигателя, прототип которого уже создан в Центре имени Келдыша.

«В 90-х годах XX века мы в Центре Келдыша возобновили работы по ионным двигателям. Сейчас должна быть создана новая кооперация для такого мощного проекта. Уже есть прототип ионного двигателя, на котором можно отрабатывать основные технологические и конструктивные решения. А штатные изделия еще нужно создавать. У нас срок определен – к 2018 году изделие должно быть готово к летным испытаниям, а к 2015 году должна быть завершена основная отработка двигателя. Дальше – ресурсные испытания и испытания всего агрегата в целом», – отмечал в прошлом году начальник отдела электрофизики Исследовательского центра имени М.В. Келдыша, профессор факультета аэрофизики и космических исследований МФТИ Олег Горшков.

Какая практическая польза России от этих разработок? Эта польза намного превышает те 17 млрд рублей, которые государство намерено потратить до 2018 года на создание ракеты-носителя с ядерной силовой установкой на борту мощностью 1 МВт. Во-первых, это резкое расширение возможностей нашей страны и человечества вообще. Космический корабль с ядерным двигателем дает реальные возможности людям совершить путешествие к Марсу и другим планетам. Сейчас многие страны ведут разработки таких кораблей. Возобновились они и в США в 2003 году, после того как к американцам попали два образца российских спутников с ядерными силовыми установками.

Однако, несмотря на это, член спецкомиссии NASA по пилотируемым полетам Эдвард Кроули, например, считает, что на корабле для международного полета к Марсу должны стоять российские ядерные двигатели. «Востребован российский опыт в сфере разработки ядерных двигателей. Я думаю, у России есть очень большой опыт как в разработке ракетных двигателей, так и в ядерных технологиях. У нее есть также большой опыт адаптации человека к условиям космоса, поскольку российские космонавты совершали очень долгие полеты», – сказал Кроули журналистам весной прошлого года после лекции в МГУ, посвященной американским планам пилотируемых исследований космоса.

Во-вторых, такие корабли позволяют резко активизировать деятельность и в околоземном пространстве и дают реальную возможность началу колонизации Луны (уже есть проекты строительства на спутнике Земли атомных станций). «Использование ядерных энергодвигательных установок рассматривается для больших пилотируемых систем, а не для малых космических аппаратов, которые могут летать на других типах установок, использующих ионные двигатели или энергию солнечного ветра. Использовать ЯЭДУ с ионными двигателями можно на межорбитальном многоразовом буксире. К примеру, возить грузы между низкими и высокими орбитами, осуществлять полеты к астероидам. Можно создать многоразовый лунный буксир или отправить экспедицию на Марс», – считает профессор Олег Горшков. Подобные корабли резко меняют экономику освоения космоса. По расчетам специалистов РКК «Энергия», ракета-носитель на ядерной тяге обеспечивает снижение стоимости выведения полезного груза на окололунную орбиту более чем в два раза по сравнению с жидкостными ракетными двигателями.

В-третьих, это новые материалы и технологии, которые будут созданы в ходе реализации этого проекта и затем внедрены в другие отрасли промышленности – металлургию, машиностроение и т.д. То есть это один из таких прорывных проектов, которые реально могут толкнуть вперед и российскую, и мировую экономику.

«Вечный двигатель» для покорения космоса создан в России

Человечество веками мечтало о покорении космического пространства и полетах к звездам. Однако до недавних пор не было создано двигателей для космических аппаратов и самих ракет-носителей, которые донесли бы человека до ближайших звезд не за десятки тысяч лет, а хотя бы в течение его жизни. В настоящее время проект космического корабля с ядерной энергоустановкой мегаваттного класса, который сможет осуществить планы покорения звезд, разработан Государственным научным центром ФГУП «Центр Келдыша».

Как все начиналось

Convair NB-36H, самолет-лаборатория для испытания атомных реакторов в полете

Сергей Павлович Королев, один из основоположников отечественной космонавтики, давно мечтал о мощной силовой атомной установке для ракет. Не дремали и ученые на Западе, в частности в США. Ими в 1950—1960 годах был разработан «Орион» — проект пилотируемого реактивно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвездного пространства, разрабатывавшийся в США.

Впервые идею «Ориона» предложили Станислав Улам и Корнелиус Эверетт в Лос-Аламосе в 1955 году. Их концепция заключалась в следующем: взрывы водородных бомб, выбрасываемых из корабля, вызывали испарение дисков, выбрасываемых вслед за бомбами. Расширяющаяся плазма толкала корабль. По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Это были летные испытания моделей, движимых химическими взрывчатыми веществами. Модели называли put-puts или hot rods. Несколько моделей было разрушено, но один 100-метровый полет в ноябре 1959-го был успешен и показал, что импульсный полет мог быть устойчивым.

Первоначально «Орион» предполагалось запускать с Земли, с атомного полигона Джекесс-Флетс, расположенного в Неваде. Аппарат должен был иметь форму пули для преодоления атмосферы Земли. Корабль устанавливался на восьми стартовых башнях высотой 75 метров для того, чтобы уберечь персонал от возможного взрыва ядерного устройства у поверхности Земли. При запуске каждую секунду должен был производиться один взрыв мощностью 0,1 кт (для сравнения: мощность бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки, была равной 20 кт, то есть в 200 раз мощнее). После выхода из атмосферы каждые десять секунд должна была взрываться одна 20-кт бомба.

Основной целью проекта было создание корабля для исследования Солнечной системы. Проект «Орион» был закрыт в 1965 году. Дальнейшим развитием идей, заложенных в основу «Ориона», можно считать межзвездный зонд «Дедал». Это был один из первых детальных технических проектов по созданию возможного непилотируемого межзвездного космического аппарата. Он проводился с 1973 по 1977 год группой из одиннадцати ученых и инженеров Британского межпланетного общества. Проект предусматривал строительство на орбите Юпитера мощного двухступенчатого беспилотного корабля с термоядерными двигателями.

Проект «Дедал»

По расчетам, «Дедал» должен был за 50 лет долететь до звезды Барнарда (одна из ближайших звезд), не тормозясь пройти мимо нее по пролетной траектории, собрать сведения о звезде и планетах и затем по радиоканалу передать результаты исследований на Землю. Реальной заслугой проекта «Дедал» явилось то, что он сломал стереотипное представление о звездолетах как о чем-то далеком и сверхфантастическом.

А в это время в Советском Союзе мечты С. П. Королева о ядерном ракетном двигателе (ЯРД) начали осуществляться лишь за два года до запуска первого человека в космос. Именно тогда произошла определяющая во всех отношениях встреча «трех К», трех выдающихся ученых: Курчатова Игоря, «отца» нашей атомной бомбы, Келдыша Мстислава, главного теоретика космонавтики и математики, и Королева Сергея, главного конструктора ракет. Именно на этой встрече и было принято решение о создании атомного ракетного двигателя. И он был создан в короткое время.

Испытания реактора проводили в 1978—1981 годах на атомном полигоне в Семипалатинске, а самого двигателя — на стенде в Подмосковье, в Загорске. Всего было проведено более 250 испытаний двигателей, в результате которых был создан самый настоящий и работоспособный двигатель, отвечавший всем предъявленным требованиям. Но наступила перестройка, и проект отложили до лучших дней.

Новая жизнь ядерного двигателя

Мощный импульс для создания ЯРД получили ученые в наши дни. Когда Дмитрий Медведев еще был президентом России, он заявил в одном из своих выступлений, что «космос является одним из приоритетов России». «Сворачивать здесь мы никуда не будем», — сказал он. Также он отметил, что необходимо «продолжить работу над новым проектом исследовательского центра имени М. В. Келдыша по созданию космического транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки».

Тогдашний генеральный директор этого центра академик Коротеев в свою очередь подтвердил информацию о том, что «эскизный проект космического корабля с ядерной энергоустановкой мегаваттного класса будет в ближайшее время создан на основе ядерной энергодвигательной установки». В транспортно-энергетический модуль (ТЭМ) войдет газоохлаждаемый атомный ректор с турбомашинным преобразованием тепловой энергии в электрическую и высокоэффективные электроракетные двигатели. ТЭМ — это качественно новое космическое средство. Он сможет обеспечить длительные экспедиции в дальний космос, рост экономичности транспортных операций в 20 раз, рост электрической мощности в космосе более чем в 10 раз, эффективную межорбитальную транспортировку.

Академик Коротеев

Также ТЭМ сможет осуществить эффективную реализацию экспедиций на другие небесные тела, например Луну или Марс, промышленное производство в космосе, создание эффективных систем очистки космоса от мусора, борьбу с астероидной опасностью. Как заявил нынешний генеральный директор «Центра Келдыша» доктор технических наук Владимир Кошлаков, источник энергии такой установки — это ядерный реактор, который нагревает рабочее тело. Оно поступает на турбину, на одном валу с которой находится электрогенератор. Вращением турбины генерируется электрический ток, который необходим для обеспечения работы космического аппарата в целом и электроплазменных двигателей в частности. Тяга электроплазменного двигателя — это движущая сила космического аппарата как транспортной системы. В качестве теплоносителя используется гелий-ксеноновая смесь. Его основное преимущество — химическая нейтральность по отношению к материалам. Ведь аппарат должен длительное время работать при запредельно высоких и низких температурах. Плюс ряд других теплофизических характеристик, которые позволяют создавать оптимально эффективный контур, снизить массу и габариты реактора, теплообменных агрегатов. И уже есть практические результаты.

В конце прошлого года было сообщено, что в России завершились наземные испытания системы охлаждения космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса. «Работы выполнены в полном объеме. Результаты соответствуют требованиям технического задания», — говорится в акте приемки работ. Летный образец космического аппарата с ЯЭДУ в России планируется создать к 2025 году. Посмотрим, что будет дальше, время покажет.

Двигательная установка космического аппарата

Маршевый двигатель транспортной системы «Спейс шаттл» во время огневых испытаний в «Космическом центре имени Джона Стенниса»

Двигательная установка космического аппарата — Привод, система космического аппарата, обеспечивающая его ускорение. Преобразует различные виды энергии в механическую, при этом могут отличаться как источники энергии, так и сами способы преобразования. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки, их исследования и поиск новых вариантов продолжаются по сей день. Наиболее распространенный тип двигательной установки космического аппарата — химический ракетный двигатель, в котором газ с высокой скоростью истекает из сопла Лаваля.

Кроме этого, распространение получили реактивные установки без сжигания топлива, в том числе электроракетные двигатели и другие. Перспективными двигателями являются установки на основе солнечного паруса.

Назначение

После выведения космического аппарата в космос его положение в пространстве нуждается в корректировке. На начальном этапе это может быть связано с необходимостью переведения аппарата на заданную орбиту или траекторию, а также с обеспечением максимальной освещенности солнечных батарей, направленности антенн и систем наблюдения. В дальнейшем могут проводиться орбитальные манёвры, связанные как с использованием аппарата по назначению, так и вызванные технической необходимостью, например, в случае уклонения от других объектов. Низкоорбитальные системы, кроме того, подвержены торможению атмосферой, из-за чего поддержание их орбиты в течение долгого времени требует наличия у аппарата двигательной установки. После исчерпания возможностей манёвра период активной жизни аппарата считается завершённым.

Задачей двигательной установки межпланетных аппаратов может являться разгон до второй космической скорости (иногда для этого используется последняя ступень ракеты-носителя). Корректировка траектории обычно осуществляется серией коротких запусков двигателя, между которыми аппарат находится в свободном полете. Наиболее эффективным способом перемещения космического аппарата с одной круговой орбиты на другую является эллиптическая переходная орбита, касательная к обеим круговым. Для её формирования на начальном участке используется серия ускорений, а на конечном — серия торможений, остальное время аппарат перемещается по инерции. Иногда для торможения используются особые методы — например, за счёт аэродинамического сопротивления атмосферы планеты.

Рисунок солнечного паруса

Некоторые типы двигательных установок, например, электроракетные двигатели или солнечный парус, обеспечивают малое приращение скорости при длительном действии. В этом случае траектория межпланетного аппарата будет иной: постоянное ускорение в первой части пути и постоянное торможение во второй. Солнечный парус в качестве движителя был успешно испытан на японском аппарате «IKAROS».

Для межзвездных перелётов также требуются свои двигательные установки. В настоящее время таких устройств не существует, но ведётся обсуждение их возможных вариантов. Расстояние до ближайших к Солнцу звёзд чрезвычайно велико, и достижение цели за приемлемое время требует высокой скорости полёта. Разгон и торможение межзвёздного корабля является непростой задачей для конструкторов.

Эффективность

Основная задача двигательной установки — изменять скорость космического аппарата. Поскольку требуемая для этого энергия зависит от массы аппарата, конструкторы используют понятие импульса, равного произведению массы на скорость. Таким образом, двигательная установка изменяет импульс космического аппарата.

Для аппаратов, двигательная установка которых работает на участке выведения (как, например, у транспортной системы «Спейс шаттл»), выбранный способ ускорения должен обеспечить преодоление земного притяжения — придать аппарату первую космическую скорость, которая для Земли составляет около 7,9 км/с. При движении вокруг планеты воздействие двигательной установки приводит к изменению орбиты аппарата.

Достижение заданной скорости может быть обеспечено короткими периодами включения двигательной установки при больших ускорениях либо длительными периодами включения с малыми ускорениями. При этом второй метод малопригоден для выведения аппарата в космос, так как требует непомерных затрат энергии на преодоление планетарной гравитации. Однако тело, выводимое в космос, на начальном этапе траектории может, аналогично самолёту, использовать подъёмную силу крыла, пока не достигнет менее плотных слоёв атмосферы.

Для человека привычно воздействие гравитации, характеризуемой ускорением свободного падения примерно 9,8 м/с², или 1 g. Для пилотируемого аппарата идеальной двигательной установкой была бы система, обеспечивающая постоянное ускорение, равное этой величине, что устранило бы неприятные явления у экипажа: тошноту, ослабление мышц, вымывание кальция из костной ткани, потерю чувства вкуса. Однако обеспечить такое ускорение затруднительно: при выведении это привело бы к неэффективному расходу горючего, а в космосе не соответствовало бы основным задачам аппарата или приводило бы к слишком долгому времени полёта.

Закон сохранения импульса устанавливает, что при изменении импульса космического аппарата должен меняться импульс чего-то ещё, чтобы общий импульс системы был постоянным. Для двигательных установок, использующих энергию магнитных полей или давления света, этой проблемы не существует, но большинство космических аппаратов вынуждены иметь на борту запас рабочего тела, за счет отбрасывания которого может меняться импульс самого аппарата. Двигательные установки, работающие на этом принципе, называются реактивными.

Для ускорения рабочего тела нужна энергия, которую можно получить из различных источников. В твердотопливных, жидкостных и гибридных ракетных двигателях энергия выделяется при химической реакции компонентов, а рабочим телом является образовавшийся в результате газ, под высоким давлением истекающий из сопла. В ионном двигателе для разгона частиц рабочего тела используется электрическая энергия, получаемая от солнечных батарей, ядерной силовой установки или из других источников.

При оценке эффективности реактивных двигательных установок используют понятие удельного импульса, равного отношению создаваемого импульса к расходу рабочего тела. В системе СИ удельный импульс имеет размерность «метр в секунду», но на практике чаще используется размерность системы МКГСС — «секунда».

Более высокий удельный импульс соответствует более высокой скорости истечения рабочего тела, однако энергия, требуемая для ускорения рабочего тела, пропорциональна квадрату скорости, из-за чего с увеличением удельного импульса падает энергетическая эффективность двигательной установки. Это является недостатком двигателей большой мощности, в результате чего большинство двигателей с высоким удельным импульсом имеют малую тягу, как, например электроракетные двигатели.

Типы двигательных установок

Двигательные установки подразделяются на несколько типов в зависимости от физических принципов, лежащих в их основе.

Реактивные двигатели

Основная статья: Реактивный двигатель

Реактивная двигательная установка изменяет скорость космического аппарата за счет отбрасывания рабочего тела. При этом движение аппарата подчиняется закону сохранения импульса и следствиям из него.

Примерами реактивных двигателей могут служить ракетные двигатели, в том числе электрические, двигатели с использованием сжатого газа, а также экзотические варианты на основе электромагнитных ускорителей. На участке выведения космические аппараты могут использовать реактивные двигатели, работающие на атмосферном кислороде.

Химический ракетный двигатель

Основная статья: Ракетный двигательИспытания двигателя «Кестрел» компании «SpaceX»

Большинство ракетных двигателей является двигателями внутреннего сгорания. Рабочим телом в них является горячий газ, который образуется при реакции горючего с окислителем в камере сгорания.l. В некоторых случаях в качестве топлива используются один или более двух компонентов. Продукты химической реакции из камеры сгорания попадают в сопло Лаваля, обеспечивающее максимальное преобразование тепловой энергии в кинетическую. Скорость газа на выходе обычно десятикратно превышает скорость звука на уровне моря.

Химические ракетные двигатели являются самыми мощными среди всех видов двигателей космических аппаратов. Они используются в том числе при выводе аппаратов в космос.

Проект ионного ракетного двигателя предполагает разогрев плазмы или ионизированного газа внутри «магнитной бутылки» и выпуск его через «магнитное сопло». При этом плазма не контактирует с частями аппарата. Создание подобного двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу, но его принципы уже используются в ядерной физике или проходят апробацию в лабораторных условиях.

Электрический ракетный двигатель

Основная статья: Электрический ракетный двигательИспытания ионного двигателя

Помимо ускорения рабочего тела за счёт газодинамических сил, возможно использование прямого воздействия на его частицы. Для этого используются электромагнитные силы, а в качестве рабочего тела выбирается, как правило, газ. За счет электрической энергии газ сначала ионизируется, а затем ускоряется электрическим полем и с высокой скоростью выбрасывается из двигателя.

Возможность создания такого двигателя в 1906 году впервые упомянул Роберт Годдард в своей записной книжке. В 1911 году подобную идею опубликовал Константин Циолковский.

Для электрических ракетных двигателей энергетическая эффективность обратно пропорциональна скорости истечения рабочего тела и создаваемой тяги. Из-за этого при современном развитии энергетики двигательные установки такого типа являются маломощными, но при этом расходуют очень малое количество рабочего тела.

При полётах на относительно близких расстояниях от Солнца энергию для электрических ракетных двигателей можно получать с помощью солнечных батарей. При полетах в дальний космос требуется использовать другой источник энергии — например, ядерный реактор.

Возможности энергетической установки являются основным сдерживающим фактором при использовании электрических ракетных двигателей, так как вместе с количеством вырабатываемой энергии растет и масса самой установки, что повышает массу космического аппарата и требуемую тягу для его ускорения.

Существующие ядерные силовые установки примерно в два раза легче солнечных батарей той же мощности при работе в окрестностях земной орбиты. Химические генераторы не используются из-за более короткого времени работы. Одним из перспективных вариантов электропитания космического аппарата является передача энергии в виде луча, но потери на рассеивание делают такой способ неподходящим для дальних перелетов.

К электрическим ракетным двигателям относятся:

  • Ионный двигатель (ускорение ионов с последующей нейтрализацией потоком электронов)
    • Электростатический ионный двигатель
    • Электростатический ракетный двигатель
    • Двигатель на эффекте Холла
    • Коллоидный двигатель
  • Электротермический двигатель (разогрев рабочего тела электромагнитным полем до состояния плазмы и выпуск через сопло)
    • Электротермический двигатель на постоянном токе
    • Микроволновой электротермический двигатель
    • Пульсирующий плазменный двигатель
    • Геликоидальный двигатель с двойным слоем плазмы
  • Электромагнитный двигатель (ускорение ионов силой Лоренца или электромагнитным полем, в котором электрическое поле не совпадает с направлением ускорения)
    • Магнитоплазмодинамический двигатель
    • Безэлектродный плазменный двигатель
    • Пульсирующий индуктивный двигатель
    • Электромагнитный ракетный ускоритель

В электротермических и электромагнитных двигателях ионы и электроны ускоряются одновременно, что устраняет необходимость нейтрализации потока.

Двигатели без рабочего тела

По данным NASA, размер космического паруса должен быть порядка полукилометра

Закон сохранения импульса устанавливает, что без отбрасывания рабочего тела изменить положение центра масс космического аппарата невозможно. Однако в космосе действуют гравитационные силы, магнитные поля и солнечная радиация. Несколько двигательных установок основаны на их использовании, но из-за распределённости этих сил в пространстве установки имеют большой размер.

Существует несколько двигателей, не требующих рабочего тела или требующих крайне малое его количество. К ним относятся тросовые системы, солнечные паруса, использующие давление света, и магнитные паруса, отражающие солнечный ветер с помощью магнитного поля.

Космический аппарат подчиняется закону сохранения момента импульса, поэтому вместо вращения вокруг центра масс в качестве двигательной установки может быть использована часть этого аппарата, поворачиваемая в противоположную сторону. При этом не требуется расхода рабочего тела, однако на аппарат влияют внешние силы, например, гравитационные или аэродинамические, из-за чего периодически требуется «разгрузка» основной двигательной установки другим способом, например, за счет реактивных двигателей. Реализацией данного принципа являются силовые гироскопы (гиродины).

Ещё одним способом использования гравитационного поля планеты является инерционный двигатель. Он основан на изменении момента инерции аппарата на различных участках орбиты, однако для получения ощутимого эффекта размеры системы должны быть достаточно большими.

Также для изменения траектории космического аппарата используется гравитационный манёвр. В этом случае для разгона или торможения используется гравитация небесных тел. При использовании ракетного двигателя эффективность гравитационного манёвра можно повысить.

Гипотетические двигатели

Полет через червоточину в представлении художника

Существует несколько гипотетических вариантов двигательных установок космических аппаратов, основанных на новых физических принципах и, возможно, не реализуемых на практике. К настоящему моменту особый интерес вызывают следующие:

  • EmDrive — пытается обойти закон сохранения импульса
  • Квантовый двигатель Леонова
  • Гравитационный двигатель
  • Гиперпространственный двигатель
  • Кротовая нора
  • Дифференциальный парус
  • Инерцоиды — противоречат закону сохранения импульса

Сравнение двигательных установок

Ниже приведена сравнительная таблица различных типов двигательных установок, включающая как проверенные, так и гипотетические варианты.

В первой колонке указан удельный импульс (равный скорости истечения рабочего тела), или эквивалентная ему величина для нереактивных двигателей, во второй колонке — тяга двигателя, в третьей — время работы двигателя, в четвёртой — максимальное приращение скорости (для одноступенчатой системы), при этом:

  • если приращение скорости много больше удельного импульса, требуется огромное количество топлива;
  • если приращение скорости много меньше удельного импульса, требуется пропорционально большее количество энергии, а при её отсутствии — времени.

В пятой колонке указан уровень готовности технологии:

  • 1 — известны только основные физические принципы;
  • 2 — сформулирована теория;
  • 3 — теория подтверждена экспериментально;
  • 4 — компоненты испытаны в лаборатории;
  • 5 — компоненты испытаны в вакууме;
  • 6 — проведены наземные испытания / компоненты испытаны в космосе;
  • 7 — проведены испытания в космосе;
  • 8 — допущено к лётным испытаниям;
  • 9 — проведены лётные испытания.
Двигательные установки

Тип Эквивалентный
удельный
импульс (км/с)
Тяга
(Н)
Время
работы
Макс.
приращение
скорости
(км/с)
Уровень
готовности
Твердотопливный ракетный двигатель 1 — 4 103 — 107 минуты ~ 7 9
Гибридный ракетный двигатель 1,5 — 4,2 <0,1 — 107 минуты > 3 9
Однокомпонентный ракетный двигатель 1 — 3 0,1 — 100 миллисекунды/минуты ~ 3 9
Жидкостный ракетный двигатель 1,0 — 4,7 0,1 — 107 минуты ~ 9 9
Ионный двигатель 15 — 210 10−3 — 10 месяцы/годы > 100 9
Двигатель на эффекте Холла 8 — 50 10−3 — 10 месяцы/годы > 100 9
Резисторный ракетный двигатель 2 — 6 10−2 — 10 минуты ? 8
Электрический ракетный двигатель термический 4 — 16 10−2 — 10 минуты ? 8
Электростатический ракетный двигатель 100 — 130 10−6 — 10−3 месяцы/годы ? 8
Пульсирующий плазменный двигатель ~ 20 ~ 0.1 ~2 000-10 000 ч ? 7
Двухрежимный ракетный двигатель 1 — 4,7 0.1 — 107 миллисекунды/минуты ~ 3 — 9 7
Солнечный парус 300 000 (давление света)
145 — 750 (солнечный ветер)
9 на 1 а. е.
230 на 0,2 а. е.
10−10 на 4 св. годах
(для паруса площадью 1 км²)
неограниченно > 40 9,
6,
5
Трехкомпонентный ракетный двигатель 2,5 — 5,3 0,1 — 107 минуты ~ 9 6
Магнитоплазмодинамический двигатель 20 — 100 100 недели ? 6
Ядерный ракетный двигатель 9 107 минуты > ~ 20 6
Электромагнитный ускоритель 0 — ~30 104 — 108 месяцы ? 6
Тросовая система 1 — 1012 минуты ~ 7 7
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель 5 — 6 0.1 — 107 секунды/минуты > 7? 6
Двигатель с ожижением атмосферного воздуха 4,5 103 — 107 секунды/минуты ? 6
Пульсирующий индуктивный двигатель 10 — 80 20 месяцы ? 5
Электромагнитный ракетный ускоритель 10 — 300 40 — 1,200 дни/месяцы > 100 5
Плазменный двигатель 10 — 130 0.1 — 1 дни/месяцы > 100 5
Солнечный ракетный двигатель 7 — 12 1 — 100 недели > ~ 20 4
Радиоизотопный ракетный двигатель 7 — 8 1.3 — 1.5 месяцы ? 4
Ядерный электрический ракетный двигатель переменная переменная переменная ? 4
Проект «Орион» (ядерный «взрыволёт») 20 — 100 109 — 1012 несколько дней ~ 30 — 60 3
Космический лифт неограниченно > 12 3
Ракетный двигатель SABRE 30/4,5 0.1 — 107 minutes 9,4 3
Магнитный парус 145 — 750 70/40 тонн неограниченно ? 3
Мини-магнитосферный плазменный двигатель 200 ~1 Н/кВт месяцы ? 3
Лучевой (лазерный) двигатель переменная переменная переменная ? 3
Пусковая петля/космический мост ~104 минуты ≫ 11 — 30 2
Проект «Дедал» 20 — 1000 109 — 1012 годы ~ 15 000 2
Газофазный ядерный реактивный двигатель 10 — 20 103 — 106 ? ? 2
Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива 100 103 — 107 полчаса ? 2
Парус на частицах ядерного распада ? ? ? ? 2
Ракетный двигатель на частицах ядерного распада 15 000 ? ? ? 2
Фотонный двигатель 300 000 10−5 — 1 годы/десятилетия ? 2
Термоядерный ракетный двигатель 100 — 1000 ? ? ? 2
Каталитический ядерный импульсный ракетный двигатель на антиматерии 200 — 4000 ? дни/недели ? 2
Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда 2.2 — 20 000 ? неограниченно ~30 000 2
Варп-двигатель > 300 000 ? ? неограниченно 1
Тип Эквивалентный
удельный
импульс (км/с)
Тяга
(Н)
Время
работы
Максимальное
приращение
скорости
(км/с)
Уровень
готовности

Примечания

  1. Olsen, Carrie Hohmann Transfer & Plane Changes. NASA (21 сентября 1995). Дата обращения 30 июля 2007. Архивировано 15 июля 2007 года.
  2. Hess, M.; Martin, K. K.; Rachul, L. J.. Thrusters Precisely Guide EO-1 Satellite in Space First, NASA (7 февраля 2002). Архивировано 6 декабря 2007 года. Дата обращения 30 июля 2007.
  3. Phillips, Tony Solar S’Mores. NASA (30 мая 2000). Дата обращения 30 июля 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  4. Doody, Dave. Chapter 4. Interplanetary Trajectories, Basics of Space Flight, NASA JPL (7 февраля 2002). Архивировано 17 июля 2007 года. Дата обращения 30 июля 2007.
  5. Hoffman, S. (August 20–22, 1984). «A comparison of aerobraking and aerocapture vehicles for interplanetary missions». AIAA and AAS, Astrodynamics Conference: 25 p., Seattle, Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics. Проверено 2007-07-31. Архивная копия от 27 сентября 2007 на Wayback Machine
  6. Anonymous. Basic Facts on Cosmos 1 and Solar Sailing (недоступная ссылка). The Planetary Society (2007). Дата обращения 26 июля 2007. Архивировано 8 февраля 2006 года.
  7. Japan Aerospace Exploration Agency (9 July 2010). About the confirmation of photon acceleration of «IKAROS», the small solar-sail demonstrating craft (на японском языке). Пресс-релиз. Проверено 2010-07-10.
  8. Rahls, Chuck Interstellar Spaceflight: Is It Possible?. Physorg.com (7 декабря 2005). Дата обращения 31 июля 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  9. Zobel, Edward A. Summary of Introductory Momentum Equations. Zona Land (2006). Дата обращения 2 августа 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  10. 1 2 Benson, Tom Guided Tours: Beginner’s Guide to Rockets. NASA. Дата обращения 2 августа 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  11. Choueiri, Edgar Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956) (англ.) // Journal of Propulsion and Power : journal. — 2004. — Vol. 20, no. 2. — P. 193—203. — DOI:10.2514/1.9245.
  12. Drachlis, Dave. NASA calls on industry, academia for in-space propulsion innovations, NASA (24 октября 2002). Архивировано 6 декабря 2007 года. Дата обращения 26 июля 2007.
  13. King-Hele, Desmond. Satellite orbits in an atmosphere: Theory and application. — Springer, 1987. — ISBN 978-0-216-92252-5.
  14. Tsiotras, P.; Shen, H.; Hall, C. D. Satellite attitude control and power tracking with energy/momentum wheels (англ.) // Journal of Guidance, Control, and Dynamics (англ.)русск. : journal. — 2001. — Vol. 43, no. 1. — P. 23—34. — ISSN 0731-5090. — DOI:10.2514/2.4705.
  15. John J. Dykla1, Robert Cacioppo2 и Asim Gangopadhyaya1. Gravitational slingshot (англ.) // American Journal of Physics. — 2004. — Vol. 72, iss. 5. — P. 619. — DOI:10.1119/1.1621032.
  16. ESA Portal — ESA and ANU make space propulsion breakthrough
  17. Hall effect thrusters have been used on Soviet/Russian satellites for decades.
  18. A Xenon Resistojet Propulsion System for Microsatellites (недоступная ссылка) (Surrey Space Centre, University of Surrey, Guildford, Surrey)
  19. 1 2 3 4 Alta — Space Propulsion, Systems and Services — Field Emission Electric Propulsion Архивировано 7 июля 2011 года.
  20. RD-701 Архивировано 10 февраля 2010 года.
  21. Google Translate
  22. 1 2 3 RD-0410 Архивировано 8 апреля 2009 года.
  23. Young Engineers’ Satellite 2
  24. Gnom Архивировано 2 января 2010 года.
  25. NASA GTX Архивировано 22 ноября 2008 года.
  26. 1 2 3 The PIT MkV pulsed inductive thruster
  27. Pratt & Whitney Rocketdyne Wins $2.2 Million Contract Option for Solar Thermal Propulsion Rocket Engine Архивная копия от 28 апреля 2019 на Wayback Machine (Press release, June 25, 2008, Pratt & Whitney Rocketdyne)
  28. Operation Plumbbob (July 2003). Дата обращения 31 июля 2006. Архивировано 4 июля 2012 года.
  29. Brownlee, Robert R. Learning to Contain Underground Nuclear Explosions (June 2002). Дата обращения 31 июля 2006. Архивировано 4 июля 2012 года.
  30. アーカイブされたコピー. Дата обращения 27 февраля 2009. Архивировано 27 февраля 2009 года.
  31. MagBeam

Ссылки

Ядерный ракетный двигатель

Классификация ядерных ракетных двигателей

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

ЯРД NERVA

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

В СССР развёрнутое постановление правительства по проблеме создания ЯРД было подписано в 1958 году. Этим документом руководство работами в целом было возложено на академиков М. В. Келдыша, И. В. Курчатова и С. П. Королёва. К работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. ЯРД активно разрабатывались КБХА в Воронеже и испытывались в СССР (см. РД-0410) и США (см. NERVA) с середины 1950-х годов. Исследования ведутся и в 2018 году.

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

ТфЯРД

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки. Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 8000—9000 м/с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей. Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

> Жидкофазный ядерный ракетный двигатель

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Основная статья: Газофазный ядерный реактивный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30—50 тыс. м/с. Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счёт излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлёте корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

Космический корабль проекта «Орион», рисунок художника

По проекту «Орион» проводились не только расчёты, но и натурные испытания. Лётные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок. Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповреждёнными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

Программа развития проекта «Орион» была рассчитана на 12 лет, расчётная стоимость — 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollo»). Интересно, что разработчики проводили предварительные расчёты постройки на базе этой технологии корабля поколений с массой до 40 млн тонн и экипажем до 20 000 человек. Согласно их расчётам один из уменьшенных вариантов такого ядерно-импульсного звездолёта (массой 100 тыс. т) мог бы достичь Альфы Центавра за 130 лет, разогнавшись до скорости 10 000 км/с. Однако приоритеты изменились, и в 1965 году проект был закрыт.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30—40 км от поверхности Земли; затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель. Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершён. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Другие разработки

В 1960-х годах США были на пути к Луне. Менее известным является тот факт, что в Зоне 25 (рядом со знаменитой Зоной 51) на полигоне Невады учёные работали над одним амбициозным проектом — полётом на Марс на ядерных двигателях. Проект был назван NERVA. Работая на полную мощность, ядерный двигатель должен был нагреваться до температуры в 2000 °C. В январе 1965 года были произведены испытания ядерного ракетного двигателя под кодовым названием «КИВИ» (KIWI).

В ноябре 2017 года Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation, CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017—2045 годы. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе.

В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю.

Ядерная электродвигательная установка

Основная статья: Ядерная электродвигательная установка Основная статья: Ядерная электродвигательная установка мегаваттного класса

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем. По словам директора и генерального конструктора ОАО «НИКИЭТ» Юрия Драгунова, чьё предприятие конструирует реакторную установку, согласно плану ЯЭДУ должна быть готова в 2018 году. На начало 2016 года завершено эскизное проектирование, проектная документация, завершены испытания системы управления реактором, проведены испытания ТВЭЛ, корпуса реактора, полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки.

См. также

  • Ракетный двигатель
  • РД-0410 — первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель.
  • Атомолёт
  • Термоядерный ракетный двигатель
  • Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива
  • NERVA
  • Supersonic Low-Altitude Missile
  1. Паневин, Прищепа, 1978.
  2. Центр Келдыша, 2003, с. 192.
  3. Энергомаш, 2008, Очерк разработки ядерных ракетных двигателей в КБ Энергомаш.
  4. Роскосмос занялся разработкой ядерного космического корабля, Lenta.ru, 28.10.2009.
  5. Багров А. В., Смирнов М. А., Смирнов С. А. Межзвездные корабли с магнитным зеркалом // Труды Двадцатых чтений К. Э. Циолковского. — Калуга, 1985.
  6. Багров А. В., Смирнов М. А. Каравеллы для звездоплавателей // Наука и человечество. 1992—1994. — М.: Знание, 1994.
  7. Багров А. В., Смирнов М. А. XXI век: строим звездолет // Международный ежегодник «Гипотезы, прогнозы, наука и фантастика». — 1991.
  8. http://www.astronautix.com/lvs/oritsink.htm Orion Starship — Heat Sink, Encyclopedia Astronautica www.astronautix.com
  9. http://www.astronautix.com/lvs/oriative.htm Orion Starship — Ablative, Encyclopedia Astronautica www.astronautix.com
  10. Looking Back at Orion by Paul Gilster on September 23, 2006, Centauri Dreams (centauri-dreams.org)
  11. Российские ядерные двигатели могут быть использованы при полёте на Марс
  12. Andrew Jones //China sets out long-term space transportation roadmap including a nuclear space shuttle. gbtimes.com. 2017-11-16.
  13. NASA Is Bringing Back Nuclear-Powered Rockets to Get to Mars//Fortune, новостной портал, по информации Bloomberg. 15 февраля 2018.
  14. Даниил Ревадзе//NASA возвращается к идее ядерного двигателя для космических кораблей. Портал hightech.fm. 17 февраля 2018.
  15. Loura Hall. «Nuclear Thermal Propulsion: Game Changing Technology for Deep Space Exploration». nasa.gov. 2018-05-25.
  16. В России создается принципиально новая энергодвигательная установка для космических миссий
  17. Росатом: разработка новой космической ядерной установки идет по плану
  18. В России собрали первый в мире ТВЭЛ для космической энергоустановки. // Lenta.ru
  19. Завершены испытания системы управления реактором космической ЯЭДУ
  20. Первая часть проекта ядерного двигателя для корабля будет заверена в 2012 г.
  21. В 2016 году Росатом приступит к созданию космического реактора
  22. Завершены испытания регулирующего органа реактора ЯЭДУ мегаваттного класса
  23. Космические ядерные энергодвигательные установки сейчас возможны только в России
  24. В России успешно завершены испытания корпуса ядерного реактора для космоса
  25. АО «НИКИЭТ» успешно завершило испытания полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки для транспортно-энергетического модуля

Литература

  • Паневин И. Г., Прищепа В. И. Космические ядерные ракетные двигатели. — М.: Знание, 1978. — 64 с.
  • Коротеев А. С., Конюхов Г. В., Демянко Ю.Г. Ядерные ракетные двигатели. — М.: Норма-Информ, 2001. — 415 с.
  • Демянко Ю. Г., Конюхов Г. В., Коротеев А. С., Кузьмин Е. П., Павельев А. А. Ядерные ракетные двигатели. 2001.
  • Акимов В. Н., Коротеев А. С., Гафаров А. А. и др. Ядерные ракетные двигатели: воспоминания о будущем // Исследовательский центр имени М. В. Келдыша. 1933-2003 : 70 лет на передовых рубежах ракетно-космической техники. — М: Машиностроение, 2003. — С. 190—209. — 439 с. — ISBN 5-217-03205-7.
  • Коротеев А. С. Ракетные двигатели и энергетические установки на основе ядерного реактора.
  • Письма и документы В. П. Глушко из архивов РКК «Энергия» им. С. П. Королёва (1944-1980 гг). Очерк разработки ядерных ракетных двигателей в КБ Энергомаш. 26.07.1973 г. // Избранные работы академика В. П. Глушко / В. С. Судаков. — Химки: НПО «Энергомаш», 2008. — Т. 1. — 419 с. — 250 экз.
  • Космические двигатели третьего тысячелетия
  • Звёздный ЯРД России
  • РД-0410 (на английском языке)
  • НАСА переосмысливает ядерные и солнечные направления космической энергетики
  • Ядерный ракетный двигатель времен СССР
низковысотные ЖРД

НК-9 • НК-15 • НК-31 • НК-33 • НК-39 • РД-107 • РД-108 • РД-170 • РД-171 • РД-173 • РД-171МВ • РД-175 • РД-180 • РД-191 • РД-193 • РД-253 (РД-275) • РД-270 • РД-701 • С2.253

высотные ЖРД

НК-43 • РД-8 • РД-0110 • РД-0120 • РД-0124 • РД-0146 • РД-0150 • РД-0237 • РД-210 • РД-211 • РД-213 • РД-214 • РД-120 • РД-250 • РД-301 • КДУ-414 • РД-857

ЯРД

1 · 2 · 3 · 4

По корпусу:

Корпусной ядерный реактор · Канальный ядерный реактор · Гомогенный

По регуляции:

  • Вода — Сверхкритический водоохлаждаемый · Водо-водяной (Кипящий) · на растворах солей
  • Тяжёлая вода — Тяжеловодный
  • Графит — Графито-газовый (Магноксовый · С гранулированным топливом · Сверхвысокотемпературный) · Графито-водный (С водой под давлением/Кипящий) · на расплавах солей
  • Саморегуляция активного вещества: Реактор на быстрых нейтронах (с жидкометаллическим теплоносителем (Со свинцовым) · На бегущей волне · Газоохлаждаемый · SSTAR · Интегральный)

Инерциальный синтез

Инженерия Ядерная физика · Деление ядра · Термоядерная реакция · Излучение · Ионизирующее излучение · Атомное ядро · Ядерная безопасность · Ядерная химия
Материалы Ядерное топливо (Отработанное · Сырье) · Ядерный топливный цикл
Торий · Уран (Обогащение урана • Обеднённый уран) · Плутоний · Дейтерий · Тритий · Гелий-3 · Литий-6
Ядерная энергетика Главные темы Поколения реакторов Типы реакторов
Ядерная медицина Медицинская визуализация Терапия
Ядерное оружие

К 2025 году Россия построит космический аппарат с ядерным двигателем (4 фото)

С атомным реактором для космического применения нет принципиальных затруднений. В период с 1962 по 1993 год в нашей стране был накоплен богатый опыт производства аналогичных установок. Похожие работы велись и в США. С начала 1960-х годов в мире было разработано несколько типов электрореактивных двигателей: ионный, стационарный плазменный, двигатель с анодным слоем, импульсный плазменный двигатель, магнитоплазменный, магнитоплазмодинамический.
Работы по созданию ядерных двигателей для космических аппаратов активно велись в СССР и США в прошлом веке: американцы закрыли проект в 1994 году, СССР — в 1988-м. Закрытию работ во многом способствовала чернобыльская катастрофа, которая негативно настроила общественное мнение в отношении использования ядерной энергии. К тому же испытания ядерных установок в космосе не всегда проходили штатно: в 1978 году советский спутник «Космос-954» вошел в атмосферу и развалился, разбросав тысячи радиоактивных осколков на территории в 100 тыс. кв. км в северо-западных районах Канады. Советский Союз выплатил Канаде денежную компенсацию в объеме более $10 млн.
В мае 1988 года две организации — Федерация американских ученых и Комитет советских ученых за мир против ядерной угрозы — сделали совместное предложение о запрещении использования ядерной энергии в космосе. Формальных последствий то предложение не получило, однако с тех пор ни одна страна не производила запусков космических аппаратов с ядерными энергетическими установками на борту.
Большими достоинствами проекта являются практически важные эксплуатационные характеристики — высокий ресурс (10 лет эксплуатации), значительный межремонтный интервал и продолжительное время работы на одном включении.
В 2010 году были сформулированы технические предложения по проекту. С этого года началось проектирование.
ЯЭДУ содержит три главные устройства: 1) реакторную установку с рабочим телом и вспомогательными устройствами (теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор); 2) электроракетную двигательную установку; 3) холодильник-излучатель.
Реактор.
С физической точки зрения это компактный газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах.
В качестве топлива используется соединение (диоксид или карбонитрид) урана, но, поскольку конструкция должна быть очень компактной, уран имеет более высокое обогащение по изотопу 235, чем в твэлах на обычных (гражданских) атомных станциях, возможно, выше 20%. А оболочка их — монокристаллический сплав тугоплавких металлов на основе молибдена.
Этому топливу придется работать при очень высоких температурах. Поэтому необходимо было выбрать такие материалы, которые смогут сдерживать негативные факторы, связанные с температурой, и в то же время позволят топливу выполнять его основную функцию — нагревать газовый теплоноситель, с помощью которого будет производиться электроэнергия.
Холодильник.
Охлаждение газа в процессе работы ядерной установки совершенно необходимо. Как же сбрасывать тепло в открытом космосе? Единственная возможность — охлаждение излучением. Нагретая поверхность в пустоте охлаждается, излучая электромагнитные волны в широком диапазоне, в том числе видимый свет. Уникальность проекта в использовании специального теплоносителя — гелий-ксеноновой смеси. В установке обеспечивается высокий коэффициент полезного действия.
Двигатель.
Принцип действия ионного двигателя следующий. В газоразрядной камере с помощью анодов и катодного блока, расположенных в магнитном поле, создается разреженная плазма. Из нее эмиссионным электродом «вытягиваются» ионы рабочего тела (ксенона или другого вещества) и ускоряются в промежутке между ним и ускоряющим электродом.
Для реализации задуманного в период с 2010 по 2018 год было обещано 17 млрд рублей. Из этих средств 7,245 млрд рублей предназначались госкорпорации «Росатом» на создание самого реактора. Другие 3,955 млрд — ФГУП «Центр Келдыша» на создание ядерной — энергодвигательной установки. Еще 5,8 млрд рублей — для РКК «Энергия», где в те же сроки предстоит сформировать рабочий облик всего транспортно-энергетического модуля.
По планам, к концу 2017 года будет осуществлена подготовка ядерной энергодвигательной установки для комплектации транспортно-энергетического модуля (перелетного межпланетного модуля). К концу 2018 года ЯЭДУ будет подготовлена к летно-конструкторским испытаниям. Финансирование проекта осуществляется за счет средств федерального бюджета.

7 космических двигателей будущего

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

masterok

Ядерный ракетный двигатель — ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород.

Давайте разберем варианты и принципы из действия…

Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела — порядка 8—50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.

Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.

Их разделяют на два типа — твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.

В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.

Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.

В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.

На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым — режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.