• РЕГИСТРАЦИЯ

Россия готовит принципиально новые двигатели для космоса

1 331

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. 

https://vz.ru/society/2020/5/1...


    27 Планет Солнечной Системы

    На долю Солнца, масса которого в - 740 раз больше общей массы планет солнечной системы известных сегодня науке, приходится всего 2% общего момента системы, а остальные 98% на - 0,001 об...

    США не смогли перекрыть доступ «неправильным» странам к Starlink

    Согласно исследованию, проведенному изданием Bloomberg терминалы Starlink не просто используются в странах, где их использование может быть запрещено или ограничиваться, в том числе находящихся по...

    • 1 января 1970 г.
    • Промо

    Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

    0 новых комментариев

      Недорейх планирует мобилизацию с 18 лет. "Гитлерюгенд"?

      Вчера вечером Верховный подвел самые первые итоги расследования теракта, мигом разлетевшиеся на множество цитат: было подчеркнуто, что видом исполнителей обмануть себя не дадим, организаторов и заказчиков установим и выпотрошим. Но один нюанс в словах Верховного остался как-то не в фокусе. То место, где он говорил о затеваемом бандеровцами втором издани...
      726

      Терракт в "Крокусе" в вопросах и ответах

      В этом разборе мы постараемся изучить некоторые обстоятельства событий вечера 22 марта. В своих наблюдениях мы главным образом будем опираться на то, что можно документально подтвердить: на кадры очевидцев, которые удалось проанализировать, а также на другие заявления и цепочки обстоятельств. Причина нападенияПоскольку роль ГУР Украины (и курирующей её ...
      262

      Вот этот таджик и русский офицер останется в нашей памяти

      Хушбахт Турсунов – уроженец Таджикистана, окончил Сызранское высшее военное авиационное училище в качестве иностранного курсанта.Получил гражданство России и подписал контракт с Министерством обороны, русский офицер, лётчик-штурман. Отстреливался из табельного оружия от укронацистов. Убит своим же командиром вертолета Максимом Кузьминовым - вырусем и из...
      187

      К 140-летию со дня рождения Александра Беляева — oсновоположника советской фантастики

      Как и положено автору фантастических произведений жизнь и смерть писателя Александра Беляева (1884-1942) которого считают основоположником советской фантастики и даже называли российским «Жюлем Верном», окутана тайнами и мифами. До сих пор неизвестно в точности, где он похоронен, а также что искало гестапо в его доме в оккупированном Пушкине (Царском Се...
      118

      Комбинированный ракетный удар по территории Украины: что известно на данный момент

      Примерно в 02:00 дроны-камикадзе «Герань-2» начали атаковать цели в различных городах Украины. Ещё через два часа к ударам подключились, предположительно, от девяти до 12 ракетоносцев дальней авиации Ту-95МС. Предположительно, для массированного удара по территории Украины применялись крылатые ракеты Х-101/Х-555. Это второй массированный удар подряд. Пе...
      227

      Реплика о боях на границе и обстрелах Белгорода

      Убеждён — соберу кучу негатива, но выскажусь. Слишком много под вчерашней статьёй появилось нервных граждан, никак не желающих расстаться с эмоциональными качелями. На третий год ведения военных действий. Никого не осуждаю, склад характера и степень внутренней дисциплины, умение работать с информацией и не становиться жертвой психологических операций — ...
      98

      В атаке

      Сегодня, 14 марта, 110 лет со дня рождения поэта, майора Красной армии, участника Отечественной и Советско-японской - Павла Николаевича Шубина.В АТАКЕПогоди… Дай припомнить… Стой, —Мы кричали “ура”, потомЯ свалился в окоп пустойС развороченным животом.Крови красные петушкиВыбегали навстречу дню,Сине-розовые кишкиВыползали на пятерню.И с плеча на плечо б...
      77

      Тайны семейства Ротшильдов

      На днях СМИ лаконично сообщили о кончине в возрасте 87 лет британского инвестиционного банкира, барона Джейкоба Ротшильда, прапрапраправнука основателя некогда самой могущественной финансовой династии Майера Амшеля Ротшильда. Все его должности, титулы и компании, которыми он владел, перечислять можно долго.Он создал J. Rothschild Assurance Group, котора...
      1515

      Военкуры о высказывании директора "Ростеха" об "Армате"

      На протяжении дня наблюдаем, как военблогеры один за другим трактуют в вольном стиле слова С.В. Чемезова на тему стоимости танка Т-14 «Армата» и делают выводы относительно возможной судьбы машины в будущем и на современном поле боя, то есть в СВО на Украине. Вместо того чтобы учить УВЗ работать, а руководство армии — планировать программы развития ВиВТ ...
      2124

      «Суррогат»: автономный и сверхтяжёлый. Стало известно о новом российском подводном БПЛА

      АО «Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин» (г. Санкт-Петербург) разработало сверхтяжелый подводный беспилотник «Суррогат-В» («Ведомый»), способный взять на себя функции организации связи и поиска цели, ранее выполнявшиеся подводными лодками, что негативно сказывалось на скрытности их передвижений.Кроме того, в функционал нового подводн...
      177

      Нервно ждут

      Нам кажется, мы примерно понимаем, почему от одного лишь анонса этого интервью так заискрили западные либералы и их средства массового оболванивания.По своему содержанию, полагаем, это интервью вообще не должно быть каким-то невероятным, сногсшибательным, сенсационным или открывающим глаза. Для россиян, по крайней мере.А вот западных либералов заранее н...
      847

      Антихрист как технология

      ВОЙНА ЗАПАДА C МИРОМСоциальное насилие и его крайняя форма — война — базовые технологические платформы политической стратегии Запада, стремящегося сохранить и усилить гегемонию над миром.Формы насилия и содержание войны меняются.Важнейшая цель войны 21 века — контроль и подчинение ментальной сферы противника. Победа здесь — эффективнее захвата территори...
      137

      Ольга Берггольц, 27 января 1944, Ленинград

      ...И снова мир с восторгом слышитСалюта русского раскат!О, это полной грудью дышитОсвобожденный Ленинград!Мы помним осень, сорок первый,Прозрачный воздух тех ночей,Когда, как плети, часто, мерноСвистели бомбы палачей. Но мы, смиряя страх и плач,Твердили, диким взрывам внемля:— Ты проиграл войну, палач,Едва вступил на нашу землю!А та зима... Ту зиму кажд...
      214

      Ближневосточный кризис снова высветил "узкие места" глобальной логистики

      В своей статье в журнале Communications in Transportation Research Линкольн Пратсон из Университета Дьюка тщательно описывает модели торговли, морские маршруты и кратчайшие пути через океаны, чтобы оценить потенциальные последствия закрытия любого из 13 узких мест, которые он определил по всему миру. Пратсон использовал данные за 2019 год, доковидное вр...
      117

      В Британии поняли: русская Одесса неминуемо вернется в Россию

      В Великобритании внезапно вспомнили, что Одесса была «русским городом». Об этом бывшим колонизаторам из Лондона напомнили слова президента России Владимира Путина.В Великобритании, которая является одной из двух основных стран-локомотивов кризиса на Украине, внезапно высказали предположение, что уже в 2024 году Одесса может перейти под контроль сил СВО ...
      1136

      В ночь седьмую...

      В ночь седьмую, в синь густую, опустив на землю небо,серебром во льду струилась сверху Млечная река.В ночь седьмую синь густую соткала из неба Вегасинь густую, синь такую, что укрыла берега.И случилось, что приснилось, что явилось не отсюда,время влёт остановилось, как застывшая вода.Над землёй любовь кружилась первозданная, как чудо,появляясь ниоткуда,...
      159
      Vindobona/Нелли Абылхожина 28 декабря 2023 г. 19:28

      Генерал Келлер: «Объединение России — великое дело». Исполнилось 105 лет со дня убийства в Киеве русского военачальника

      Вмерзшая в лед рядом с памятником Богдану Хмельницкому кровь генерала Келлера через несколько дней оттаяла, и по Киеву стала распространяться легенда, что, умирая, граф проклял своих палачей и пролитая кровь падет на их голову. В тот смутный 1918-й год ужас нарастал стремительно, и уже скоро стали говорить, что эта кровь впредь «не высохнет и ляжет на г...
      201
      Vindobona/Нелли Абылхожина 28 декабря 2023 г. 13:18

      Прививка от нытья и лени от Бернарда Шоу

      • Мир состоит из бездельников, которые хотят иметь деньги, не работая, и придурков, которые готовы работать, не богатея.• Ненависть — месть труса за испытанный им страх.• Мы не имеем права потреблять счастье, не производя его. • Легче жить со страстной женщиной, чем со скучной. Правда, их иногда душат, но редко бросают. • Тот, кто умеет, тот делает, кто...
      274
      Vindobona/Нелли Абылхожина 27 декабря 2023 г. 10:03

      Фразы дирижёров, или как ругаются интеллигентные люди

      • Перестаньте пялиться в декольте флейтистки, там нет нот, ваша партия на пюпитре!• Была б моя воля, я воспользовался этой палочкой так, чтобы у вас возобновилась проходимость воздуха в организме!• Я cкажу вам сейчас, какие тут ноты, – вы очень удивитесь. • У вас очень красивые, сильные руки. Положите инструмент и задушите себя ими, не глумитесь над муз...
      250
      Vindobona/Нелли Абылхожина 19 декабря 2023 г. 21:25

      Солнечный свет Леонида Быкова. Популярному актёру и кинорежиссёру исполнилось бы 95

      Стена дома по ул. Сумской в Харькове, с огромным граффити, на котором Леонид Быков изображён в советской военной лётчицкой форме, ныне закрашена вандалами-десоветизаторами, как и муралы лётчицы Гризодубовой, певицы Шульженко, физика Ландау — личностей, чья жизнь была связана с Харьковом. Закрашены даже граффити с Пушкиным...Актёр Михаил Ульянов писал о ...
      656
      Служба поддержи

      Яндекс.Метрика