Общество

14 мая 2020, 14:52

Россия готовит принципиально новые двигатели для космических кораблей

Фото: NASA/wikimedia.org

Исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко заявил, что для скоростных перемещений человечества в космосе потребуется разработка двигателей, основанных на новых физических принципах. О чем идет речь, какими будут космические двигатели будущего и какие разработки на эту тему ведутся в России и в мире?

Начать придется издалека, с самой простой теории.

Наша планета Земля – удобное место для жизни, но и столь же неудобное для начала космической экспансии. Дело в том, что среди планет земной группы Земля имеет самое высокое ускорение свободного падения. С одной стороны, это позволяет нашей планете удерживать возле себя плотную атмосферу, но с другой – создает неудобный гравитационный «колодец», выход из которого на орбиту стоит немалых усилий.

Из-за наличия такого колодца, того самого притяжения Земли, для стартовых ракетных двигателей очень важным становится параметр отношения реактивной тяги двигателей к массе всей ракеты. Именно поэтому для стартов с поверхности Земли мы до сих пор используем ракеты на химическом топливе. Да, неэффективно, но зато тяги получается вполне достаточно, чтобы вытолкнуть космический аппарат на орбиту, за пределы атмосферы Земли. А вот масса очень интересных двигателей – ионных, плазменных, солнечных парусов, которые имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, совсем не годятся для старта с планеты. Они просто не могут вытащить нас из земного гравитационного колодца. Тяга их слишком слаба для того, чтобы поднять корабль на орбиту.

Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: либо экономичные и слабосильные – для космоса, либо мощные и прожорливые – для старта. В мире космических ракет экономичный и эффективный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы. И это – ключевое понятие для понимания всей проблематики создания новых космических двигателей, на новых физических принципах.

Магия удельного импульса

Удельный импульс двигателя – это, можно сказать, «святой Грааль» космического двигателестроения. Измеряется удельный импульс в метрах в секунду, и его физический смысл прост – это скорость истечения рабочего тела. От чего, в свою очередь, прямо зависит и скорость космического корабля. Фраза о «рабочем теле» вместо «продуктов сгорания» химического двигателя взялась неслучайно – во многих космических двигателях ничего не горит, а кинетическая энергия и импульс «закачиваются» в рабочее тело иными способами. Например, в ионном или плазменном двигателе рабочее тело разгоняется в электромагнитном поле. А в солнечном парусе импульс и вовсе передается в обратную сторону – от фотонов солнечного ветра на конструкции паруса, закрепленного на космическом корабле.

Чем выше удельный импульс двигателя – тем большее приращение скорости можно получить за счет эквивалентного количества рабочего тела. А рабочее тело, напомним, нам надо каким-то образом еще вывести на околоземную орбиту вместе с космическим кораблем. Ну или добыть на какой-нибудь негостеприимной Луне, Марсе или астероидах, тоже с немалыми затратами. Приращение космических скоростей обозначают символом Dv и считают в его балансе как ускорения, так и торможения – ведь на каждое из таких действий в космосе требуется расходы рабочего тела.

Удельный импульс лучших кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, которые пригодны для старта с Земли, составляет около 4500 м/с. Кажущаяся громадной цифра скорости истечения (без малого 4,5 километра в секунду) оказывается предельно скромной для обеспечения выхода из гравитационного колодца Земли – ракета буквально «выползает» на орбиту, да еще и сбрасывая ступени. Напомним, огромная американская лунная ракета «Сатурн-5» при стартовой массе 3000 тонн выводила на орбиту всего лишь 140 тонн полезной нагрузки, менее 5% от своего общего веса. А к Луне получалось отправить и того меньше – всего около 65 тонн.

Еще печальнее становилась ситуация, если на химических двигателях просчитывали полет куда-то дальше, чем Луна, например, к Марсу. Когда американцы в 1960-х годах посчитали стоимость полета на Марс на химическом топливе, они ужаснулись. Получалось, что от Земли надо стартовать кораблем массой 4000 тонн, для вывода которого на околоземную орбиту потребуется минимум 40 ракет, эквивалентных «Сатурну-5».

Немного улучшить ситуацию могли ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Разработки, проведенные в СССР и США в 1960-х годах, показали, что ЯРД могут иметь удельный импульс в пределе 8500-9500 м/с – вдвое больше, чем у лучших ЖРД. Но даже уникальный ЯРД не обеспечивал настоящего освоения Марса – на орбите Земли пришлось бы все равно собирать громадного «марсианского монстра» весом больше 1200 тонн, а результатом бы была двухлетняя экспедиция на Марс трех космонавтов, причем на Марсе они бы провели всего 30 суток.

Так что, всё, Марс недостижим? Нет, не так. Ведь ЯРД – отнюдь не рекордсмен в части величины удельного импульса, а разгонятся к Марсу или другим планетам можно медленно и не спеша. Но в итоге получить впечатляющую скорость перелета и прилететь даже быстрее корабля с ЯРД.

Первое крыло – высокий удельный импульс

Несмотря на то, что скорость истечения рабочего тела у ЯРД всего лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, поднять ее выше уже было практически невозможно. Все дело в том, что и в ЖРД, и в ЯРД скорость истечения задается температурой рабочего тела, а обеспечить дополнительный нагрев внутри корпуса ЯРД было нереально – разрушался сам реактор, который не мог нагреваться выше 3000 градусов К.

Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования ЯРД, стало разделение процессов получения энергии и последующего нагрева рабочего тела. Вместо прямого теплообмена с нагретыми конструкциями реактора рабочее тело решили греть с использованием промежуточного носителя энергии – электричества. В силу этого, уже начиная с начала 1970-х годов, усилия конструкторов пошли по двум независимым направлениям. С одной стороны, началось конструирование максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей. С другой стороны, стартовала разработка столь же компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля.

Наиболее доведенными высокоимпульсными космическими двигателями пока что являются ионные. Им сегодня принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: еще в 1998 году ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space-1 массой 374 килограмма на Dv, равную 4,3 км/c, потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона. Аналогичное приращение Dv, если бы его пришлось обеспечивать за счет химического топлива, потребовало бы разгонного блока весом в добрую тонну.

Однако у ионных двигателей есть и неустранимое слабое место – электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает его ресурс. Сегодня лучшие образцы ионных двигателей работали в космосе не более трех лет и не более пяти лет на земных стендах. Кроме того, конструкция с погруженными в плазму электродами ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-40 км/c. Увеличить ее затруднительно по тем же причинам – электроды разрушатся еще быстрее. Самый совершенный ионный двигатель NEXT в арсенале НАСА на сегодняшний день имеет удельный импульс, равный 41,9 км/c. Но за такие рекордные параметры ионным двигателям приходится платить малой тягой – NEXT обеспечивает лишь 327 мН (32,7 грамма тяги) при потребляемой мощности в 7,7 кВт.

Справедливые надежды возлагаются на еще одну разработку – двигатель VASIMR, магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом.

Внутри VASIMR плазму, которая выступает в качестве рабочего тела, помещают в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счет высокой температуры.

Разработки VASIMR ведутся в США уже более 20 лет и за это время были достигнуты впечатляющие успехи. В августе 2019 года очередной прототип VX-200SS продемонстрировал тягу в 5,4 Н (540 граммов тяги) на мощности 200 кВт и при удельном импульсе в диапазоне от 50 до 300 км/c, на порядок больше ионных двигателей. Такой импульс в идеале позволит с помощью VASIMR добраться до Марса всего лишь за 39 дней вместо 250 суток, как в случае использования ЖРД или ЯРД.

Но для этого, конечно, тяга плазменных двигателей должна измеряться сотнями килограммов, а не сотнями граммов. Впечатляющим должен быть и источник электричества на борту такого гипотетического марсианского корабля – он должен иметь мощность около 200 МВт.

Второе крыло – энергетическая установка

Немалые электрические «аппетиты» ионных и особенно плазменных двигателей наглядно можно показать на примере VASIMR. Достаточно небольшой плазменный двигатель VX-200SS давно хотят отправить для испытаний на МКС. Если установить его на станцию, то можно радикально сократить расходы на постоянные усилия по поддержанию орбиты МКС. Ведь плазменный двигатель нуждается лишь в 1-2% рабочего тела по сравнению с ЖРД, что сегодня используют для подъема орбиты МКС.

Но установить VASIMR на МКС оказалось отнюдь не просто. Вся доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, хотя станция сегодня обладает самой внушительной площадью солнечных батарей и является самым энергетически мощным объектом человечества в космосе. Поэтому в проект МКС-VASIMR включили еще целую дополнительную систему солнечных батарей, которая будет часами накапливать энергию на 15-минутные циклы включений плазменного двигателя.

Следующий, напрашивающийся шаг после испытаний на МКС – это использование VASIMR для целей орбитального буксира. Например, если мы хотели бы достичь Луны за короткий промежуток времени, сопоставимый с временем полета миссии «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы пять двигателей VХ-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии. Чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна-5», сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, такой буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Однако получить 1,5 МВт электроэнергии за счет солнечных батарей – это пока что очень сложная задача. Для получения 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной 71 метр, гораздо больше любых существующих конструкций, включая МКС.

И вот здесь как раз и может сыграть роль опыт России в создании космических ядерных энергетических установок. Еще в 2009 году Роскосмосом была начата программа создания транспортно-энергетического модуля, ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) которого должна была обеспечивать около 1 МВт электрической мощности, чего бы хватило не только для околоземного, но и в перспективе – для лунного буксира. За прошедший период времени был выполнен значительный объем уникальных работ по конструкции космического ядерного реактора. Были созданы уникальные ионные двигатели ИД-500, чьи параметры оказались не хуже разработок НАСА.

При мощности 32-35 кВт российские двигатели ИД-500 обеспечили тягу в 375-750 мН и удельный импульс в 71 км/с.

К сожалению, в конце апреля 2020 года Роскосмос заявил, что приостанавливает создание космического буксира с ядерным двигателем из-за недостроенного стенда для его испытаний. Формально виноватым был назначен ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», который не смог обеспечить постройку испытательного стенда, где можно было бы проверить работоспособность действующего макета ЯЭДУ в условиях вакуума. Пока что дальнейшая судьба уникальных российских разработок неизвестна, хотя еще в январе 2020 года транспортно-энергетический модуль с ЯЭДУ фигурировал в презентации первого заместителя генерального директора Роскосмоса Юрия Урличича. Представленный на Королевских чтениях доклад сообщал о планах запустить в 2030 году на орбиту космический ядерный буксир для проведения его летных испытаний.

Насколько декларации Урличича и Блошенко соотносятся с реальными действиями представляемого ими Роскосмоса – вопрос открытый. Да, человечеству нужна новая космическая скорость. Да, у России есть уникальные наработки. И только от руководителей космической отрасли России зависит, насколько быстро все эти разработки воплотятся в новую реальность. В ту самую «птицу феникс», которая домчит людей и до Луны, и до Марса, и даже дальше.

Текст: Алексей Анпилогов

Вам может быть интересно

За время спасательной операции в Старобельске 15 раз объявляли угрозу новых ударов
Темы дня

Киев наказан за Старобельск

В ночь на 24 мая Вооруженные силы России нанесли массированный удар по территории Украины. Наблюдатели фиксируют значительный ущерб военной инфраструктуре в Киеве, однако точных данных до сих пор нет. Эксперты отмечают, что теракт ВСУ в луганском Старобельске продемонстрировал: диалог с Киевом возможен только на языке силы. Вразумит ли офис Владимира Зеленского одна из наиболее масштабных атак на Украину в рамках СВО?

США и Израиль нашли в Иране своего Керенского

На фоне новостей о «прорыве» на переговорах между Вашингтоном и Тегераном, американские СМИ выяснили, кого именно США хотели поставить во главе Ирана – экс-президента этой страны Махмуда Ахмадинежада. Этот политик считал своим главным достижением отрицание Холокоста, но американцам понадобился по другой причине.

Сенатор Джабаров оценил кандидатуру Стубба на роль переговорщика с Россией

Пашинян заявил об отмене виз с ЕС через два года

Президент Чехии предложил НАТО отключить интернет в России

Новости

По Украине нанесен удар ракетами «Орешник», «Искандер», «Кинжал» и «Циркон»

В ответ на атаки гражданских объектов армия нанесла комплексный удар гиперзвуковым и баллистическим оружием по украинской военной инфраструктуре, сообщили в Минобороны России.

Летчик раскрыл подробности первого полета истребителя Су-57Д

Поведение двухместного истребителя пятого поколения Су-57Д в воздухе неотличимо от одноместной версии, рассказал Герой России, заслуженный летчик-испытатель Сергей Богдан, который совершил первый полет на самолете.

Журналист Боуз показал итальянскую деталь дрона на месте теракта в ЛНР

Ирландский журналист Чей Боуз посетил разрушенный колледж в луганском Старобельске и обратился к гражданам Италии, продемонстрировав часть дрона Вооруженных сил Украины.

Каллас назвала удар «Орешником» по Киеву «балансированием на грани ядерной войны»

Европейские министры иностранных дел планируют рассмотреть новые меры воздействия против Москвы после недавнего применения ракетной системы «Орешник» по Киеву, сообщила глава европейской дипломатии Кая Каллас.

Погибших в Старобельске студенток решили похоронить в подвенечных платьях

Большинство несовершеннолетних жертв атаки на колледж Старобельска в Луганской народной республике предадут земле в свадебных нарядах из-за их юного возраста, рассказала уполномоченный по правам человека в РФ Яна Лантратова.

Григорьев: Вразумляющие удары – единственный способ воздействия на Киев

ВСУ руководствуются двумя мотивами: желанием прорекламировать свои возможности в европейских медиа, а также искренней ненавистью к русским. Поэтому трагедию в Старобельске они как теракт не воспринимают, в связи с чем вразумляющие удары по противнику становятся единственным способом достучаться до Киева, сказал газете ВЗГЛЯД член ОП Максим Григорьев. Ранее ВС РФ нанесли массированный удар по Украине.

Макрон призвал Лукашенко не вмешиваться в конфликт на Украине

Президент Франции Эммануэль Макрон обратился к президенту Белоруссии Александру Лукашенко с призывом не вмешиваться в российско-украинский конфликт, сообщает канал TF1.

Фицо предупредил об угрозе мировой войны из-за заблудившегося дрона

Глава словацкого правительства Роберт Фицо подчеркнул острую необходимость переговоров для урегулирования украинского кризиса, предупредив о высоких рисках случайной глобальной эскалации в новых условиях ведения боевых действий с помощью дронов.

European Gymnastics допустило российских атлетов к турнирам

Решение European Gymnastics о допуске российских атлетов к турнирам является важным шагом к восстановлению единого спортивного пространства, заявил министр спорта и председатель Олимпийского комитета России Михаил Дегтярев.

«Спартак» стал пятикратным обладателем Кубка России

Московский «Спартак» в серии послематчевых пенальти одержал победу над «Краснодаром» в суперфинале Кубка России по футболу.

При атаке ВСУ на колледж в Старобельске пострадали 65 детей

В результате обстрела учебного заведения в Старобельске ЛНР получили различные ранения 65 несовершеннолетних, сообщил глава ЛНР Леонид Пасечник.

Зеленский пожаловался Макрону на массированный удар по Киеву

После ночной атаки на Киев Владимир Зеленский позвонил французскому президенту Эммануэлю Макрону и премьер-министру Норвегии Йонасу Гару Стере для обсуждения «дальнейших действий союзников».
Мнения

Ярослав Игнатовский: Мир подошел к глобальному цифровому перелому

Мир отказывается от модели, где цифровое пространство регулировали частные корпорации. Это был режим корпоративного суверенитета, при котором правительства оказались отстранены от регулирования ключевой инфраструктуры.

Андрей Манчук: Почему американцы ненавидят Рауля Кастро

Фигура Рауля Кастро имеет гигантские масштабы по сравнению с политическими пигмеями, которые в очередной раз пытаются уничтожить его вместе с наследием революции. И чтобы ответить на нелепые обвинения американских прокуроров, ему достаточно повторить знаменитые слова старшего брата – «история меня оправдает».

Игорь Караулов: Враги России стали мимикрировать под патриотов

Следя за новостями в интернете, нужно проявлять ту же степень бдительности, что и в разговоре с мошенниками. Важно, читая текст, спрашивать себя: кто это пишет? почему он это пишет? к чему клонит? Важно научиться различать патриотов и тех, кто под них мимикрирует.
Вопрос дня

Что за ветеран сидел рядом с Путиным на параде Победы