Космические движители для фантастических миров ближнего прицела. Часть 1.

Вступление:

Тишина космодрома всегда обманчива. За секунду до старта здесь царит гулкая пустота — словно сама Вселенная затаила дыхание, наблюдая за человеком в тесной кабине, который щелкает тумблером зажигания. Потом — рев двигателей, дрожь металла, перегрузка, вжимающая в кресло... И вот уже стальная громадина отрывается от земли, оставляя за собой шлейф плазмы и пыльное облако байконурской степи. Так начинается половина космических романов.

Но задумывался ли читатель, на чем именно летит герой?
Писатели часто рисуют корабли как безликий инструмент: капсула с креслом, педалью «газа» и кнопкой «гиперпрыжок». Но разве космические суда — это просто стальные коробки с двигателями?

Нет. Каждый звездолет — отражение эпохи, технологий и мечты. Одни похожи на акульи плавники, рассекающие пространство алмазными гранями. Другие — на пауков-людоедов, опутанных паутиной охлаждающих трубок. Третьи парят на солнечных парусах, словно бабочки, пойманные в ловушку лазерного ветра.

В этой серии статей мы разберемся, почему корабль — это не просто транспорт, а один из фокусов повествования. Как форма корпуса, тип двигателя и даже цвет реактивной струи рассказывают историю грядущих столетий. И почему, услышав в следующей книге фразу «Запускаем двигатели!», вы уже не сможете представить их... обычными.

Для начала разберем то что и как летает сейчас, а именно химические и ионные двигатели. 

Принципиальная схема химического реактивного ракетного двигателя. 

Немного теории:

Ранние космические корабли и их двигатели характеризуют в первую очередь три параметра: 

Тяга ракетного двигателя — это сила, создаваемая за счёт реактивного движения, возникающего при выбрасывании рабочего тела (например, продуктов сгорания топлива или ионизированного газа) из сопла двигателя. Она обеспечивает ускорение ракеты или космического аппарата в соответствии с третьим законом Ньютона: «Действие равно противодействию».

Тяга (FF) определяется как: F=M⋅Ve+(Pe−Pa)⋅Ae, 

где:

• M— массовый расход рабочего тела (кг/с),
• Ve — скорость истечения струи из сопла (м/с),
• Pe — давление газа на срезе сопла (Па),
• Pa — давление окружающей среды (Па),
• Ae—  площадь выходного сечения сопла (м²).

В космическом вакууме (pa=0pa=0) формула упрощается до: F=M⋅Ve

Ключевые особенности

1. Источник тяги:
   Возникает за счёт ускорения рабочего тела (топлива) и его выбрасывания в      направлении, противоположном движению ракеты.
2. Зависимость  от параметров:
   • Чем больше массовый расход топлива (M) и скорость  истечения (Ve), тем выше тяга.
   • В химических двигателях тяга достигает меганьютонов (например, у двигателей SpaceX Raptor — ~2300 кН), но при этом они расходуют тонны топлива в секунду.
   • В ионных двигателях тяга составляет миллиньютоны (например, 237 мН у NASA NEXT), но за счёт крайне малого расхода топлива они могут работать годами.
3. Роль  в преодолении гравитации:
   Для старта с Земли требуется высокая тяга, чтобы:
   • Победить силу тяжести (F>m⋅gF>m⋅g).
   • Обеспечить необходимое ускорение (a=Fma=mF).

Удельный импульс (Isp) — это ключевой параметр, характеризующий эффективность ракетного двигателя. Он показывает, как долго двигатель может создавать тягу, расходуя единицу массы топлива. Чем выше удельный импульс, тем экономичнее двигатель использует топливо.

Как это работает?

• Физический смысл:
  Удельный импульс связан со скоростью истечения реактивной струи из двигателя. Чем быстрее выбрасывается рабочее тело (например, продукты      сгорания топлива или ионизированный газ), тем выше удельный импульс.
  Формула: Isp=Ve/g

где Ve — скорость истечения струи, g — ускорение свободного падения (≈9.81 м/с²).

• Единицы измерения:
  • В секундах (наиболее распространено): показывает, сколько секунд двигатель сможет создавать       тягу, равную весу израсходованного топлива.
  • В метрах в секунду (реже): численно равен скорости истечения струи (veve).

Принципиальная схема большей части остальных актуальных и перспективных двигателей. 

Почему это важно?

Экономия топлива:
Чем выше IspIsp, тем меньше топлива требуется для достижения нужной скорости. Например:

• Химический двигатель (Isp≈300 сIsp≈300с): Чтобы разогнаться на 1 км/с, нужно израсходовать около 30% массы аппарата в топливе.
• Ионный двигатель (Isp≈3000 сIsp≈3000с): Для такого же ускорения потребуется всего ~3% массы.

Почему ионные двигатели не могут вывести космический аппарат на орбиту, несмотря на высокий удельный импульс?

1. Низкая тяга — ключевая проблема

Ионные двигатели создают очень слабую тягу (миллиньютоны — ньютоны). Для вывода на орбиту нужно быстро преодолеть силу тяжести и сопротивление атмосферы, что требует мощного и кратковременного импульса.

2. Энергетические ограничения

Ионные двигатели требуют электрической энергии для работы (обычно от солнечных батарей).

• Для создания тяги, сравнимой с химическими двигателями, потребовалась бы нереально большая мощность.
  Например, чтобы достичь тяги в 10 000 Н (минимум для старта потребуется: 150 МВт

3. Время набора скорости

Даже если предположить, что ионный двигатель может работать бесконечно, вывод на орбиту занял бы годы:

Для достижения первой космической скорости (~7.8 км/с) при тяге 237 мН и массе аппарата 1000 кг ускорение составит: 0.000237м/с2, а время разгона до 7.8 км/с: ≈381 день

Вот детализированный список досветовых и околосветовых двигателей с расчетом времени преодоления 1 астрономической единицы (1 а.е. ≈ 149.6 млн км), расходом топлива, примерами кораблей и жалобами капитанов. Для простоты: скорость света (c) ≈ 299,792 км/с, время прохождения 1 а.е. на скорости света ≈ 499 сек (~8.3 мин).

4. Что будет, если дать ионному двигателю объём рабочего тела, как у химического?

Даже при равном объёме топлива ионный двигатель проиграет химическому из-за:

• Меньшей плотности рабочего тела: Химические двигатели работают с жидкостями, а      ионные с газами. 
• Невозможности быстро израсходовать топливо: (мы же все еще помним про низкую мощность.      

Зачем вообще нужны ионные двигатели? Они очень экономичны и позволяют в вакууме спокойно и экономично набирать скорость. 

Вот парочка примеров космических аппаратов на ионных двигателях: 

1. Deep Space 1 (NASA, 1998–2001)

• Двигатель: NSTAR (ксенон).
• Топливо: 81.5 кг ксенона.
• Скорость:
  • Ионный двигатель обеспечил приращение скорости (Δv) ~4.3 км/с.
  • Максимальная  скорость относительно Солнца: ~56 000 км/ч.
• Миссия: Технологический демонстратор, пролёт мимо астероида и кометы.

2. BepiColombo (ESA/JAXA, 2018–...)

• Двигатель: 4 × T6 (ксенон).
• Топливо: 581 кг ксенона.
• Скорость:
  • Планируемое суммарное Δv: ~15 км/с (для выхода на орбиту Меркурия).
  • Текущая скорость: ~120 000 км/ч (относительно Солнца).
• Миссия:  Исследование Меркурия.

Итог: Ионные двигатели — это «марафонцы» космоса: медленно, но невероятно экономично. Их скорость и возможности определяются временем работы, а не мгновенной мощностью.

Примеры:

Вот примеры современных ракет с химическими реактивными двигателями, их параметры топлива и скорости:

1. SpaceX Starship (Super Heavy + Starship)

• Двигатели:
  • Ускоритель Super Heavy: 33 × Raptor 2 (метан/кислород).
  • Корабль Starship: 6 × Raptor       2 + 3 × Raptor Vacuum.
• Топливо:
  • Жидкий метан (CH₄) и жидкий кислород (LOX).
  • Масса топлива: ~4,600 тонн (Super Heavy: 3,400 т, Starship: 1,200 т).
  • Объём: ~3,500 м³ (метан: ~1,200 м³, кислород: ~2,300 м³).
• Скорость:
  • Вторая космическая скорость (~11.2 км/с) для полётов к Луне и Марсу.
  • Максимальная скорость (в вакууме): ~30,000 км/ч (для межпланетных       миссий).

2. Роскосмос «Ангара-А5»

• Двигатели:
  • Первая ступень: РД-191 (керосин/LOX).
• Топливо:
  • Керосин и LOX.
  • Масса топлива: ~460 тонн.
  • Объём: ~400 м³ (керосин: ~150 м³, LOX: ~250 м³).
• Скорость:
  • Вывод 24  тонн на НОО (7.8 км/с).

3. Китайская Long March 5

• Двигатели:
  • Основные: 2 × YF-77 (водород/LOX).
  • Боковые ускорители: 4 × YF-100 (керосин/LOX).
• Топливо:
  • Керосин, водород и LOX.
  • Масса топлива: ~800 тонн.
  • Объём: ~600 м³ (керосин: ~200 м³, водород: ~300 м³, LOX: ~100 м³).
• Скорость:
  • Вывод 25 тонн на НОО (7.8 км/с), используется для лунных миссий.

Почему химические двигатели остаются ключевыми?

• Высокая тяга: Позволяют преодолевать земную гравитацию за минуты (например,      Starship развивает тягу 75,000 кН).
• Скорость выведения: Достигают первой космической скорости (7.8 км/с) за      8–12 минут.
• Топливная эффективность в атмосфере: Химические реакции обеспечивают энергию без      внешних источников.

Итог: несмотря на прорывы в ионных двигателях, химические ракеты незаменимы для старта с Земли и быстрых миссий. Их скорость и мощность пока не имеют альтернатив.