Новые программы освоения космоса требуют разработки более совершенных двигателей. Конструкторам всегда хотелось уменьшить их массу, увеличить тягу и повысить экономичность. Сейчас это стало не простым стремлением сделать лучше, а необходимым условием для будущих пилотируемых миссий и доставки научной аппаратуры к другим планетам в разумные сроки. Какие технические решения выглядят заманчиво в отдалённой перспективе, а какие реализуются прямо сейчас?
С движением мы сталкиваемся ежедневно и привыкли к нему настолько, что не слишком задумываемся о его природе. В обычных условиях всегда есть какая-то среда и возможность взаимодействовать с ней. Ноги и колёса автомобиля отталкиваются от твёрдой поверхности дороги, гребной винт лодки увлекает воду, а турбина самолёта – воздух. Отсутствие привычной среды в космосе не даёт столь богатых возможностей.
Испытания двигателя LYNX (фото: XCOR)Единственный освоенный принцип движения космических аппаратов (КА) был и остаётся прежним: реактивная струя выбрасывается в одну сторону, создавая тягу в противоположном направлении. Вся соль в том, из чего формируется и что представляет собой сама реактивная струя.
Независимо от типа в ракетных двигателях “рабочим телом” принято называть то, что покидает сопло на большой скорости. Для разгонных блоков ракет-носителей это продукты сгорания топлива, для ионных двигателей спутников – ионизированный газ. Во всех случаях время работы двигателя ограничено имеющимся на борту запасом вещества, используемого при создании реактивной тяги.
Для вывода спутника на орбиту Земли и отправки автоматических межпланетных станций (АМС) за её пределы двигатель ракеты-носителя должен обеспечить тягу в сотни и тысячи килоньютон, но ему достаточно проработать несколько минут. Самим космическим аппаратам вне гравитационного поля планеты достаточно тяги в доли ньютона, но эксплуатироваться их двигатели будут годами. Пока даже на одном КА приходится использовать несколько разных типов двигателей в качестве маршевых и корректирующих, но всё может измениться.
Недавно в рамках проекта HyperV были собраны через Kickstarter средства на доработку импульсного плазменного двигателя. В качестве рабочего тела сгодятся практически любые газы. Сам двигатель обещает быть гораздо дешевле в производстве и эксплуатации, чем имеющиеся аналоги.
Испытательный стенд двигателя HyperV (фото: Nancy Atkinson, Universe Today)Главное преимущество заключается в универсальности. За счёт регулирования соотношения тяги к удельному импульсу один двигатель можно использовать для разных задач.
Ядерные двигатели разрабатываются с пятидесятых годов прошлого века и актуальны до сих пор. Изначально их предполагалось делать импульсными – ядерные взрывы малой мощности должны были придавать ускорение огромному космическому кораблю. Грандиозный проект Orion был рассчитан на пилотируемую миссию с командой в 200 человек, но его так и не удалось воплотить по техническим и экономическим причинам.
Проект “Орион” в представлении художника (изображение: Joe Bergeron)Позже предпочтение отдали менее экстремальному режиму работы ЯРД – реактивному, в котором ядерный реактор используется для контролируемого нагрева рабочего тела. Следующий проект (Daedalus) предполагал строительство на орбите Юпитера автономного зонда. Аппарат длиной почти в полкилометра должен был разогнаться термоядерными ракетными двигателями и достичь через 49 лет звезды Барнарда в созвездии Змееносца. Проект был свёрнут в 1977 году из-за недостаточных знаний об устройстве Солнечной системы вблизи её внешних границ.
Проект Daedalus – принципиальная схема (изображение: Adrian Mann)В конце восьмидесятых NASA вернулось к идее межзвёздных полётов космических кораблей. Проект Longshot выглядел более реалистично и основывался на использовании лазерно-термоядерного двигателя. В качестве цели была выбрана звезда альфа Центавра B. Время полёта увеличилось до века, а миссия не предполагала возвращения. В отличие от проекта Daedalus, Longshot опирался преимущественно на существующие, а не на перспективные технологии. На последнем этапе стало очевидно, что кораблю потребуется порядка 264 тонн смеси гелия-3 и дейтерия, которых получить в таких количествах ценой разумных затрат не удастся.
Проект Longshot (изображение: Beals, K.A.)Несмотря на серию неудачных проектов, ядерные ракетные двигатели не теряют актуальности. Глава Роскосмоса Владимир Поповкин сообщил в интервью “Российской газете”, что опытный образец ядерной установки мегаваттного класса для межпланетных полётов появится в России в 2017 году.
Проведение стендовых испытаний ядерного реактора запланировано в Сосновом Бору Ленинградской области. По сравнению с прямоточным ядерным двигателем температура нагрева рабочего тела должна снизиться до 1500 градусов, а создаваемая реактивная струя не будет радиоактивной. Второе свойство позволит использовать двигатель уже на ранних этапах полёта без риска радиационного загрязнения атмосферы Земли. Подобная программа NASA “Прометей” была закрыта в 2006 году из-за недостаточного финансирования.
Другим многообещающим проектом является разработка электромагнитного ускорителя с изменяемым удельным импульсом (в англоязычной литературе – VASIMR). Рабочее тело (аргон) ионизируется радиоволнами, и полученная плазма затем разгоняется в электромагнитном поле, создавая реактивную тягу.
Впервые появившись в 1979 году, идея стала по-настоящему революционной и сейчас близка к воплощению. Такой двигатель был бы крайне востребован в системе орбитального и межпланетного транспорта. Для начала “космический буксир” мог бы перемещать многотонные грузы между орбитами Земли и Луны. Модель VASIMR VF-200 производства Ad Astra Rocket Company планируется разместить на борту МКС.
Макет двигателя VASIMR VF-200-1 представлен в ролике ниже.
В конце 2012 года профессор Академии наук Китая Ян Цзюань представила перевод своей статьи, описывающей прототип уникального электромагнитного ракетного двигателя. На бумаге он выглядит гораздо интереснее имеющихся сегодня ионных двигателей хотя бы потому, что не требует расхода рабочего тела, но в этом и главная причина сомнений. Совсем недавно о таком типе электрического ракетного двигателя можно было только мечтать.
В отличие от всех иных типов ракетных двигателей, здесь ускорение должно достигаться за счёт направленного микроволнового излучения. О том, что электромагнитные волны создают давление, было известно ещё со времён Максвелла, однако описание принципов работы EmDrive вызывает множество вопросов.
Образно говоря, такой двигатель похож на микроволновку, к которой добавили резонирующую полость в виде замкнутого усечённого конуса. По идее, излучаемые микроволны оказывают давление на внутреннюю полость, которое не компенсируется только в одном направлении. Так (по мнению госпожи Цзюань) у EmDrive возникает реактивная тяга.
К сожалению, такой принцип работы EmDrive вызывает множество сомнений и напоминает печальный опыт установки экспериментального “движителя без выброса реактивной массы” на спутник “Юбилейный” в 2008 году.
Радует то, что EmDrive хотя бы не относится к пресловутым инерциоидам – типу устройств, работоспособность которых без взаимодействия с внешней средой невозможна. Сомнения касаются и большинства заявленных характеристик. Помимо того что в сравнении с лучшими ионными двигателями EmDrive обещает обеспечить больший срок службы, декларируется примерно в десять раз меньшая масса при той же мощности и большей (720 мН) тяге. Подробнее об истории разработки EmDrive смотрите статью Евгения Золотова.
Схема электромагнитного двигателя (изображение: peswiki.com)При исследованиях дальнего космоса энергию для EmDrive, скорее всего, будут вырабатывать привычные модули РИТЭГ. Во внутренней области Солнечной системы (условно – до главного пояса астероидов) можно ограничиться солнечными батареями. Срок автономной работы КА с электромагнитным двигателем и солнечными батареями будет практически ограничен только износом, так как у него на борту нет расходуемых компонентов.
www.computerra.ru
Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) провело цикл испытаний для ракетного двигателя AR-22 фирмы Aerojet Rocketdyne. Цель тестов — подтвердить, что агрегат подойдет для космических аппаратов нового поколения. Как сообщают в DARPA, все испытания прошли успешно.
10 запусков (100-секундных прожигов двигателя) провели за 240 часов. Как прокомментировали инженеры DARPA, AR-22 создан на базе RS-25, главного двигателя «Шаттлов», и в его конструкцию внесены лишь небольшие изменения. В частности, агрегат получил новый контроллер. Инженеры подчеркивают, что конструкция не устарела (об этом говорит успех испытаний), а её надежность прошла проверку космосом. При этом использование готовых компонентов позволило собрать двигатель гораздо быстрее и дешевле, чем при разработке его с нуля.
Серия из 10 прожигов в течение 10 дней — новое испытание. RS-25 таких тестов не проходил, старую версию двигателя запускали максимум дважды подряд. Многие эксперты космической индустрии высказывались скептически: говорили, что двигатель не выдержит такую нагрузку. Но тот показал отличный результат.
10 successful 100-second AR-22 engine firings in 240 hours! The @AerojetRdyne, @NASA, @BoeingSpace & DARPA team just proved the propulsion system is ready for our Experimental #Spaceplane program's goal to launch on demand with rapid turnaround. pic.twitter.com/yd8nx3aI6I
— DARPA (@DARPA) 6 июля 2018 г.
Это испытание — не просто проверка двигателя на прочность. Новый космический корабль станет частью программы XS-1: комплекса с возвращаемой первой ступенью, которую можно будет запускать ежедневно, и второй ступенью, выводящей на орбиту до 1360 килограммов. Boeing разрабатывает для этой программы новый прототип космического корабля с рабочим названием Phantom Express. Вероятно, для него и будет использоваться двигатель AR-22.
Как прокомментировали в Boeing, там работа тоже идет полным ходом: сейчас уже почти готов бак будущей ракеты, где будет храниться жидкий кислород. Срок завершения технического проекта — начало 2019 года, а уже весной Boeing и DARPA планируют начать сборку опытного образца. А первый полет Phantom Express с новым двигателем намечен на 2021 год.
Смотрите также: «DARPA показала испытания боевых дронов»
robo-hunter.com
Марс может стать ближе благодаря российским разработкам. Полтора месяца в пути — и вы на Красной планете. Звучит нереалистично, но первый опытный образец, который позволит осуществить полет, появится уже через два года.
«У нас есть совместный проект с Роскосмосом, который позволяет, например, в прогнозе, осуществлять полеты на Марс, — рассказывает Сергей Кириенко, гендиректор Государственной корпорации по атомной энергии „Росатом“. — Сегодняшние установки позволяют долететь до Марса за полтора года без возможности вернуться обратно и без возможности маневрирования. Корабль один раз разгоняется и дальше идет по траектории. Разрабатываемая нами установка с ядерным двигателем позволяет долететь до Марса за месяц-полтора и вернуться обратно, поскольку сохраняет возможность маневрирования».
Над подобным ядерным двигателем работали еще в шестидесятые годы и советские, и американские ученые. Даже проводили испытания. В XXI веке Роскосмос, НАСА, Европейское космическое агентство и частная компания SpaceX цель обозначили для себя четко: добраться до Марса любой ценой. И, если получится, колонизировать Красную планету.
Пока в блогах гадают: когда, как и зачем, в НАСА готовят экспедицию на Марс.
Она должна состояться в 2020 году. Восьмерых участников уже отобрали — поровну мужчин и женщин. Среди них — метеоролог, анестезиолог, хирург и летчики военно-морской авиации. Зачем? Непонятно. Ведь на Красной планете воды почти нет. Обнаружили — но соленую, а не пресную, как в земных водоемах. Да и атмосфера, вероятно, мало подходит для полетов на самолете. А зачем на Марсе специалист по разминированию — еще более острый вопрос.
«Когда НАСА заявило, что собирается отправить пилотируемую экспедицию на Марс, многие иностранные космические агентства дали понять, что им участие в подобной программе не по зубам, — говорит Скотт Пейс, директор американского Института космической политики в Вашингтоне. — В стратегическом смысле США выбрали направление исследований, исключающее возможность международного сотрудничества — наиболее важного ресурса в современном мире».
«По сути НАСА попало в зависимость от имиджа, который ему навязали в Белом доме, — считает Дэвид Бейкер, редактор журнала Spaceflight, бывший сотрудник НАСА. — Представления общества о том, какими возможностями располагает НАСА, весьма отличаются от реального положения дел. Новый пилотируемый корабль Orion рассчитан максимум на трехнедельный автономный полет. Он не сможет поддерживать жизнедеятельность астронавтов при многомесячном перелете к Марсу. Нынешние планы марсианской экспедиции опасны своей непродуманностью и несвоевременностью».
В Роскосмосе пока громких заявлений не делают, а скрупулезно трудятся. Планы строить будут, когда ядерный двигатель заработает, чтобы не повторять ошибок американских коллег, как из НАСА, так и из SpaceX.
В частной компании SpaceX о полете на Марс речь идет давно, но Raptor, ракетный двигатель, так и не готов. Его обещают разработать до 2018 года. Но в предыдущие сроки SpaceX не всегда укладывался.
Увидели опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter
www.uralweb.ru
