Рубрика "Технологии из книги"

И так, продолжим рубрику "технологии из книги". В данном посте я поведаю о двигателях для космических кораблей. Я не буду погружаться в инженерные дебри, так как не каждый воспримет такую информацию, поэтому расскажу простым языком. Так же не буду рассматривать способы вывода грузов на орбиту Земли и других небесных тел, об этом в следующих постах. Затрону только тему о перелетах между орбитами разных тел.

Допустим вы оказались на орбите в джинсах, футболке, с кирпичом в руке и каким то чудом не померли, дыша вакуумом полной грудью)). Ваша масса в невесомости 100 кг, а кирпича 1 кг. Ваша скорость на орбите около 8 000 м/с(8 км/с). Вы чувствуете себя почти что халком и бросаете кирпич в противоположную сторону от своего движения со скоростью 100 м/с. Происходит таинство реактивного движения, которое означает движение всего тела за счет отделения от него части. И действительно, в момент, когда вы бросили кирпич, помимо приобретения скорости кирпичом он сообщит скорость и вам. Какую именно скорость он сообщит, можно вычислить по формуле реактивного движения. Массу кирпича делим на вашу массу и умножаем на скорость кирпича относительно вас - получим 1 м/с. Т.е. теперь вы по орбите движетесь со скоростью 8001 м/с, а кирпич 7900 м/с. Дальше вступают чудеса орбитальной механики и кирпич, казалось бы имея меньшую скорость, вас обгонит)), но об этом потом.

Вы проснулись в холодном поту от приснившегося кошмара и переходим непосредственно к двигателям и кораблям. Если проводить аналогию, то вы с кирпичом в руке - это корабль с топливом, кирпич это топливо, а скорость с которой вы его бросили - это скорость истечения этого топлива в виде газа из сопла двигателя. Не сложно заметить, что основной критерий эффективности двигателя , - это как раз и есть скорость истечения газов. Причем не важно, какую массу топлива, двигатель выбрасывает в секунду. он все равно потратит все топливо хоть за 10 секунд хоть за час, и сообщит вам одну и ту же скорость. Скорость которую получит корабль будем называть приращенной скоростью. Маленькая оговорка, я намеренно упрощаю физику процесса, например для расчета скорости корабля, в формулу добавляется логарифм отношений масс топлива и корабля. Так как в массу корабля входит и топливо и с каждой секундой эта масса уменьшается но количество выброшенного газа(тяга) и скорость истечения газов не меняется то конечная скорость будет отличатся от упрощенной. Но для понимания процесса упрощенного варианта достаточно.

Что же мы сейчас имеем из семейства двигателей. Самые современные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) имеют скорость истечения газов в пределах 4,5 км/с. ЖРД двигатели используются повсеместно, имеют различное назначение и конструкцию. Работают на разнообразном топливе, в основном двухкомпонентном. Обладают приличной тягой и скоростью истечения газов. Способны оторвать ракету от земли и подходят для освоения околоземного пространства.

Твердотопливные двигатели (РДТТ). Самые мощные но и самые низко эффективные двигатели. Имеют скорость истечения газов в пределах 2,5-2,7 км/с. Из-за тяговой мощности их используют только на начальном разгонном участке траектории при старте с Земли. Не пригодны для орбитальных маневров, слишком тяжелые и бесполезные.

Следующие двигатели это твердотельные ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Принцип такой же как и у ЖРД, только газы предварительно проходят через сердечник ядерного реактора, где разогреваются до больших температур что позволяет увеличить скорость истечения газов до 8,5-9,5 км/с. Эффективность в два раза выше чем у ЖРД, обладают сопоставимой тягой, но очень опасны с точки зрения радиационной защиты. Если с таким двигателем стартовать с Земли, то получим радиоактивное облако из остатков продуктов горения. Подходят для межпланетных перелетов.

И наконец рекордсмены по скорости истечения газов, — это электрические реактивные двигатели(ЭРД). Их конструкции разнообразны, но выделяются два основных типа, — это ионный двигатель и плазменный(хотя они все плазменные). Их особенностью является то, что для разгона газа используется электричество и вот электроэнергии они жрут как не в себя. Но вот скорость истечения газов в современных образцах достигает 70 км/с, в некоторые лабораторные образцы достигли 100 км/с. Они компактны и имеют небольшую массу, что позволяет увеличить полезную нагрузку. Изюминкой является то, что теоретически, газ в таких двигателях можно разогнать, внимание!!!, — до скорости света.

Слева ионный двигатель, справа плазменный.

Но у ЭРД есть один недостаток, — это очень маленькая тяга. Приведу пример: Исследовательский центр им. М.В. Келдыша, разработал ионный двигатель ИД-500, скорость истечения газов которого 70 км/с, при потребляемой электрической мощности 35 кВт. Именно пачку таких двигателей собираются ставить на ядерном буксире от Роскосмоса. Такой двигатель обеспечивает тягу 0,75 Н (75 грамм). И казалось бы, что может сделать двигатель с такой малой тягой, но загвоздка заключается в том, что эти двигатели могут непрерывно работать сутками и чем дольше он работает тем выше скорость корабля. А учитывая их экономичность и эффективность, ЭРД являются главными кандидатами для межпланетных перелетов. Пока, что на данном этапе их развития они подходят только для дальних перелетов, на которых они с легкостью обгоняют корабль на ЖРД. Ионный двигатель установленный на Deep Space 1 смог разогнать аппарат еще на 4,3 км/с, потратив на это всего 74 кг ксенона. Если не учитывать массы двигателей то ЖРД, со скоростью истечения газов 4,5 км/с, использовав ту же массу топлива смог бы дополнительно разогнать аппарат всего на 0,98 км/с. Тяга ионного двигателя составляла всего 9 гамм. Данные типы двигателей ограничены конструкцией, как исходящий газ соприкасается с частями двигателя и со временем разрушает его. Плюс ограничение по увеличению их размеров и тяги. Поэтому наиболее перспективным из семейства ЭРД, я считаю двигатель VASIMR, но о нем немного дальше. 

Сейчас рассмотрим беспощадную математику на примере корабля для полета к Марсу и обратно. Для полета к иным телам Солнечной системы используют так называемые гомановские траектории. Это самые экономичные в плане топлива траектории. Ниже приведен пример полета к Марсу, если бы он состоялся в 2014 году.

Как видим, мягко говоря, это не фантастика. Да можно сократить миссию до 545 дней если совершить гравитационный маневр у Венеры, но для космических боев этого скажем маловато))). И еще более удручающей картиной выглядит соотношение массы полезной нагрузки, топлива и типа применяемого двигателя для этой миссии. 

Я думаю, из инфографики понятно почему мы до сих пор не сажаем картоху на Марсе. Это масса корабля для старта именно с орбиты Земли, а еще все это нужно туда поднять)). Как я уже говорил, что наиболее приемлемыми выглядят именно ЭРД двигатели, и опираясь на предыдущий пост, в связке с ядерной электростанцией на борту. И это уже достижимая цель в ближайшем будущем. 

Но нам же нужны космические баталии из фантастических книг и фильмов, поэтому гомановские траектории не подходят, а подходят гиперболические траектории. Такие траектории в нашей Солнечной системе начинаются с приращенной скорости в 16,65 км/с. С учетом того, что наша Земля имеет орбитальную скорость 29,78 км/с, а Марс 24,13 км/с, то начальная и конечная скорости должны соответствовать скоростям планет «отправления» и «назначения». Т.е. нашему кораблю нужно прирастить скорость на 16,65 км/с, — она станет равной 46,43 км/с, а потом сбросить лишние 22,3 км/с, что в целом выводит нас на дельту скорости в 39 км/с. Ни один ЖРД или ЯРД на такое не способен. Поэтому я возвращаюсь к уже упомянутому VASIMR. Ниже его принцип работы.

Данный двигатель имеет значительное преимущество перед другими конструкциями ЭРД и оно заключается в том, что плазма не касается элементов конструкции двигателя, а удерживается в канале с помощью электромагнитов, что значительно продлевает срок службы. Плюс данный тип двигателя легко масштабируется и его возможности по скорости истечения газов лежат в пределах от 30 км/с и фантастических 300 км/с. В качестве топлива он использует аргон. Но и конечно он жуть как прожорлив по энергии. Например разрабатываемый прототип VASIMR VT-200 имеет скорость истечения газов равной 50 км/с и тягу в 0,5 кг, при этом потребляя 300 кВт электроэнергии (у МКС 110 кВт))). Если VASIMR будет мощностью 6 МВт, то сможет обеспечить тягу в 40 кг. Для сравнения, третья ступень «Сатурн V» сжигала 60 тонн топлива чтобы отправить корабль «Аполон» к Луне. Для выполнения той же работы и за сопоставимое время, понадобится 5 двигателей VT-200 суммарной потребляемой мощностью 1,5 МВт (что в принципе достижимо для космических ядерных реакторов), при этом будет затрачено всего 8 тонн топлива. Это позволяет отказаться от монструозных ракет типа «Сатурн V», «SLS» или того же «StarShip», достаточно ракет средней грузоподъемности (20-30 тонн) чтобы выводить полезный груз и топливо для буксира. Именно двигатель типа VASIMR может обеспечить гиперболические траектории. Для полета к Марсу по такой траектории за 40 дней, понадобится VASIMR мощностью 200 МВт и его 100 часов работы на участке разгона и 100 часов на участке торможения. И тут действительно актуальны слова множества героев фантастических романов— «Всю мощность на двигатели»)), чем больше энергии на двигатели тем быстрее полетит))

Подводим итоги. У нас действительно есть наметки космических кораблей из фантастических книг. Ядерная энергетическая установка от Роскосмоса и VASIMR от компании «Ad Astra Rocket Company» дают надежды, что когда нибудь такие корабли появятся. В книгах серии «Стальные Волки» я использовал данные технологии и изложил свое виденье их развития в течении 100 лет.