53 201 subscriber

Какие ракетные двигатели будущего для освоения Солнечной системы создаются уже сегодня?

2,9k full reads
5,1k story viewsUnique page visitors
2,9k read the story to the endThat's 57% of the total page views
7,5 minutes — average reading time

Наша Солнечная система богата всевозможными ресурсами, способными обеспечить человеческую цивилизацию на десятки тысяч лет, а может быть, и больше. Планы по освоению Солнечной системы серьёзно обсуждаются на самом высоком уровне. Так, президент США Дональд Трамп даже подписал соответствующий указ о начале коммерциализации космического пространства.

Какие ракетные двигатели будущего для освоения Солнечной системы создаются уже сегодня?

Лететь к другим звёздам - это очень заманчиво, но для начала давайте хотя бы отправим человека на Марс, Титан (спутник Сатурна). Давайте доберёмся до пояса Койпера и проверим, существует ли облако Оорта.

Вот на этом мы сегодня и остановимся. Так как ближайшая перспектива – это не полёты к другим звёздам, а освоение Солнечной системы.

На что способны существующие ракетные двигатели? Какое время потребуется на то, чтобы покорить с помощью них Солнечную систему?

Схема расстояний в Солнечной системы.
Схема расстояний в Солнечной системы.
Схема расстояний в Солнечной системы.

Если учитывать опыт путешествий космических зондов, то их скорость совсем невелика по меркам космического пространства, но стоит принимать во внимание их малое энергопотребление, отсутствие систем жизнеобеспечения и т.п., так как они являются беспилотниками.

Но всё равно, учитывая скорость современных космических аппаратов, за 4-5 месяцев можно долететь до Венеры, а за 5-6 - до Меркурия. С Марсом уже сложнее - до него лететь от полугода до 9 месяцев, и это при самом близком орбитальном сближении с Землёй. Если сближение не учитывать, то путешествие может занять до двух лет. До пояса астероидов между Марсом и Юпитером, который является богатым источником ресурсов, лететь придётся около 2-3 лет. До Юпитера лететь почти 5 лет, до Сатурна - почти 7 лет, к Урану - 9 лет, к Нептуну - 11 лет. К Плутону аппарат «Новые горизонты» целенаправленно летел 9,5 лет. Пояс Койпера тот же аппарат достиг спустя 13 лет. Для подтверждения существования облака Оорта придётся проделать путешествие длительностью 3-5 тысяч лет. А чтобы преодолеть сферу Хилла, которая определяет гравитационную границу Солнечной системы, придётся лететь около 10 тысяч лет. Ну и до ближайшей к нам звезды "Проксима Центавра" лететь 20-80 тысяч лет.

Понятное дело, что никакой коммерческой выгоды от освоения Солнечной системы без применения новых технологий перемещения в космосе мы не получим.

На сегодняшний день разрабатывается несколько проектов, направленных на значительное сокращение времени полёта до любого объекта Солнечной системы. И в основе этих проектов лежит реактивная тяга.

В отсутствие точки опоры в космосе, передвижение там представляется проблематичным, так как мы не можем, как на Земле, отталкиваться от суши, воды, или воздуха. Своеобразную точку опоры для движения в космосе нужно создавать принудительно.

Уже сегодня ракетные двигатели работают на максимальном пределе прочности современных материалов, и сколь-нибудь существенно увеличить их эффективность не получится (всё, на что мы можем ещё рассчитывать - это 1-3%). Далее наступает физический предел.

Есть надежны на детонационные каретные двигатели, но там есть свои большие нерешенные проблемы.

Прототип импульсного детонационного ЖРД испытали в России в 2016 году.
Прототип импульсного детонационного ЖРД испытали в России в 2016 году.
Прототип импульсного детонационного ЖРД испытали в России в 2016 году.

Так что удел таких двигателей – это вывод на орбиту полезного груза, полёты до Луны и, может быть, до Марса.

Следующие используемые двигатели в космосе являются тоже реактивными, но реактивная тяга непосредственно создаётся электричеством.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД) - это целый класс реактивных двигателей, которые впервые использовали в 1964 году на советском межпланетном космическом аппарате «Зонд-2» в его системе ориентации.

Схема работы ЭРД. (1 из 2)

ЭРД имеет много преимуществ перед классическими РД: это и длительный импульс работы, и на порядок более высокая скорость истечения вещества в реактивной струе, и повышенная надёжность. Однако, тяга таких двигателей в сотни тысяч раз меньше, чем у РД. Естественно, использовать ЭРД как маршевые двигатели просто так не получится. Но если бы это стало возможным, то до Плутона мы могли долететь всего за 1 год, а до Марса - всего 40 дней!

Современным ионным двигателям (разновидность ЭРД), требуется 4 дня непрерывной работы, чтобы разогнать космический аппарат с нуля до 100 км/час.
Современным ионным двигателям (разновидность ЭРД), требуется 4 дня непрерывной работы, чтобы разогнать космический аппарат с нуля до 100 км/час.
Современным ионным двигателям (разновидность ЭРД), требуется 4 дня непрерывной работы, чтобы разогнать космический аппарат с нуля до 100 км/час.

И такие проекты есть. И они даже находятся в активной фазе разработок.

В России разрабатывается Безэлектродный Плазменный Ракетный Двигатель (БПРД), а в США – VASIMR. Обе разработки представляют собой перспективный плазменный двигатель, который должен быть основным (маршевым) на космическом корабле.

Прототип VASIMR «VX-200SS» в 2019 году продемонстрировал тягу в 0,55 кгс, имея мощность 200 кВт, с удельным импульсом от 50 до 300 м/с. Таким образом, двигатель МВт-класса уже будет способен эффективно работать в качестве маршевого двигателя, что сократит полёт до Марса до 2 месяцев.

Испытания прототипа  VASIMR «VX-200SS»
Испытания прототипа VASIMR «VX-200SS»
Испытания прототипа VASIMR «VX-200SS»

Российский прототип БПРД будет готов в 2021 году. В него заложены впечатляющие характеристики: Тяга в 0,3 кгс, при мощности в 100 кВт.

Десять таких двигателей могут обеспечат тягу до 3 кгс, чего будет более чем достаточно, для пилотируемых полетов к планетам Солнечной системы.
Концепт американского межпланетного космического корабля с мощными плазменными двигателями "VASIMR".
Концепт американского межпланетного космического корабля с мощными плазменными двигателями "VASIMR".
Концепт американского межпланетного космического корабля с мощными плазменными двигателями "VASIMR".

Помните, как в 2012 году Дмитрий Рогозин «пустозвонил» насчёт какого-то там мифического двигателя мегаваттного класса (якобы, Роскосмос его разрабатывает)? Никто тогда не воспринял его слова всерьёз, но как вышло – это оказалось правдой.

Роскосмос совместно с Росатомом с 2009 года занимается разработкой транспортно-энергетического модуля (ТЭМ). Фактически, это космический буксир, способный работать как на орбите Земли, так и доставлять грузы к другим планетам. В его основе лежат всё те же ЭРД, запитываемые от высокотемпературного ядерного реактора на быстрых нейтронах, работающего по замкнутому ядерному топливному циклу.

Космический транспортно-энергетический модуль
Космический транспортно-энергетический модуль
Космический транспортно-энергетический модуль

Суммарная тяга связки из 18-24 ЭРД составляет невообразимые (для космического корабля с ЭРД) 1,83 кгс! По состоянию на 2020 год "ТЭМ" проработан детальнее и не имеет каких-либо явных препятствий для воплощения, в отличие от плазменного двигателя "VASIMR".

Таким образом, Транспортно-Энергетический Модуль (ТЭМ) на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса не имеет аналогов в мире.

Запуск такой системы должен состояться в 2030 году.

Однако, никогда такого не было и вот опять…

В апреле 2020 года Рогозин сообщил, что Роскосмос приостанавливает создание «ТЭМ», системы которого находятся на финальной стадии испытаний, из-за недостроенного стенда для его испытаний.

Ну как так можно было обос*аться на финальной стадии?!?! Я не представляю...

Ааа, ну тогда всё понятно! Вопросов нет!
Ааа, ну тогда всё понятно! Вопросов нет!
Ааа, ну тогда всё понятно! Вопросов нет!

В общем, Роскосмос расторг государственный контракт с нерадивым "Главным военно-строительным управлением №12", которое не смогло построить специальную вакуумную камеру.

Роскосмос продолжил создавать "ТЭМ" своими силами, не перенося сроков реализации проекта (я расскажу об этом уникальном проекте в отдельной статье).

Схема "ТЭМ"
Схема "ТЭМ"
Схема "ТЭМ"

Ещё один перспективный разрабатываемый ракетный двигатель представляет собой классический ядерный ракетный двигатель, всё с той же реактивной тягой. В 2018 году стало официально известно, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы в этом направлении.

Какой-либо детальной информации о конкретных разработках пока нет, однако обратимся к прошлым разработкам. ЯРД очень активно разрабатывались, исследовались и испытывались в СССР и США. Так, в 1978 году прошёл стендовые испытания советский ЯРД «РД-0410».

Сборка ядерного реактора для «РД-0410»
Сборка ядерного реактора для «РД-0410»
Сборка ядерного реактора для «РД-0410»

РД-0410 имел высоту 3,5 метра и диаметр 1,6 метра. Мощность составляла 196 МВт, удельный импульс - 8,9 км/сек, а тяга в вакууме - 3590 кгс. Рабочим телом, формирующим реактивную тягу, был жидкий водород. Масса двигателя с радиационной защитой - 2 тонны.

Американский ЯРД «NERVA» имел ещё бÓльшие размеры и тягу (1972 год). Однако оба проекта были преданы забвению в силу слишком больших финансовых затрат и смены приоритетов в освоении космоса.

Американский ЯРД семейства  «NERVA» в два раза превосходил по эффективности ракетные двигатели того времени, однако в отличии от советского «РД-0410» он имел радиоактивное загрязнение окружающей среды в ходе своей работы, был более массивным и уступал в удельном импульсе.
Американский ЯРД семейства «NERVA» в два раза превосходил по эффективности ракетные двигатели того времени, однако в отличии от советского «РД-0410» он имел радиоактивное загрязнение окружающей среды в ходе своей работы, был более массивным и уступал в удельном импульсе.
Американский ЯРД семейства «NERVA» в два раза превосходил по эффективности ракетные двигатели того времени, однако в отличии от советского «РД-0410» он имел радиоактивное загрязнение окружающей среды в ходе своей работы, был более массивным и уступал в удельном импульсе.

Но если сегодня реализовать ЯРД даже по устаревшим технологиям 70-х годов, то такие двигатели будут конкурировать с традиционными по доставке полезной нагрузки на орбиту, ведь они в 2 раза эффективнее химических по удельным показателям скорости и длительности полёта в космосе.

А зачем вообще возвращаться к разработкам ЯРД?

Ведь нам совсем не нужен новый «Чернобыль» в случае аварии такого двигателя в атмосфере Земли.

Но в космическом пространстве такой двигатель будет идеальным ускорителем/замедлителем космического корабля, наряду с плазменными двигателями. Так как в планах многих государств значится освоение Луны и создание на ней обитаемых баз к 2040-х годах, разработку эффективного ЯРД нужно начинать уже сегодня.

Согласно расчётам, эффективный ЯРД сможет долететь до Плутона за 2 месяца, затратив на это всего 38 тонн топлива. А до ближайшей звёздной системы доберётся за 12-30 лет.

Концепт космического корабля НАСА с ядерными ракетными двигателями
Концепт космического корабля НАСА с ядерными ракетными двигателями
Концепт космического корабля НАСА с ядерными ракетными двигателями

Это основные перспективные разрабатываемые двигатели для освоения Солнечной системы.

Если мы не откроем новые эффективные физические принципы перемещения в пространстве (или даже в гиперпространстве) или что-то подобное, с помощью чего можно путешествовать быстрее скорости света, то через 15-25 лет маршевые двигатели звездолётов будут плазменными и ядерными. Это позволит нам начать колонизацию Солнечной системы и разработку её полезных ресурсов.

В теоретической проработке находится ещё один проект двигателя с удельной тягой как у ядерного и импульсом как у электрического ракетного двигателя. Это прямоточные термоядерные двигатели, однако о каких-либо реальных перспективах таких двигателей говорить пока не приходится. Слишком много нерешённых проблем в понимании физики плазмы и обуздании управляемого термоядерного синтеза (УТС). Но есть надежда на то, что через 50-80 лет фантастика может стать реальностью, если мы успешно освоим УТС.

================================================================

Рекомендации:

Россия строит ядерный планетолёт. Ну и дальше что? США делали это уже 15 лет назад!