Без русского движка. На чём теперь будут летать в космос американцы? | Наука | Общество

14.04.2022 12:36

Дмитрий Писаренко

Примерное время чтения: 6 минут

8173

Сюжет Санкции в отношении России и ответные меры РФ

Ракетный двигатель РД-180 для РН «Атлас — 5» во время сборки в цехе Научно-производственного объединения энергетического машиностроения имени академика В. П. Глушко. / Сергей Гунеев / РИА Новости

События на Украине серьёзно повлияли на мировую космическую отрасль. За прошедшее с 24 февраля время руководителями крупнейших космических агентств было сделано множество заявлений, приостановлены контракты и совместные проекты, прекращены запуски космических аппаратов и различные поставки. 

Наиболее чувствительным для США стал отказ Роскосмоса обслуживать оставшиеся у американцев ракетные двигатели РД-180 и поставлять новые РД-181. А ведь именно эти движки, считающиеся лучшими в мире, много лет обеспечивали NASA наиболее интересные и стратегически важные космические миссии. На чём же они будут летать теперь? 

Выводили даже их военные спутники

Ракетный двигатель РД-180 был разработан в середине 1990-х в НПО Энергомаш на основе советского РД-170. С 1997 года эти двигатели поставлялись в США — тогда они понадобились для американских ракет «Атлас-3» и «Атлас-5» и были разработаны специально под них. Контракт не раз продлевался: хотя заокеанские «партнёры» давно пытаются избавиться от тягостной для них зависимости от российского производителя, создать полноценный аналог собственными силами они не могут. 

На РД-180 в космос отправлялись такие миссии, как New Horizons, InSight, Lunar Reconaisance Orbiter, Solar Orbiter, Juno и многие другие. Стоит сказать, что на протяжении четверти века российские двигатели, установленные на ракетах «Атлас-3» и «Атлас-5», выводили на орбиту в том числе и американские военные спутники. Причём ракеты всегда запускали только при участии российских представителей — разработчиков РД-180. Наши инженеры на всех этапах подготовки к старту проверяли двигатели: осуществляли так называемый авторский надзор.

С 2014 года на Россию начали оказывать санкционное давление, и некоторые эксперты полагали, что поставки РД-180 за океан прекратятся. Вопреки ожиданиям, в декабре 2014-го с американцами был подписан очередной контракт — на этот раз на поставку двигателей РД-181. Это экспортный вариант, разработанный для ракет «Антарес». На этих носителях NASA отправляет на орбиту космические грузовики Cygnus.

Тяга будет почти в два раза меньше

Как уже сказано, заменить российские двигатели американцы пытаются давно. И кое-какие варианты у них есть, пусть и не такие надёжные и дешёвые. Хвалёный Илон Маск ставит на свои ракеты различные модификации двигателя Merlin, который разработан его компанией SpaceX и эксплуатируется с 2006 года. Правда, для того чтобы хоть как-то сравняться по характеристикам и эффективности с РД-180, на одной ракете приходится использовать несколько двигателей. Так, на первой ступени Falcon 9 их стоит девять штук. А на ракете-носителе сверхтяжёлого класса «Falcon Heavy» — аж 27! Кроме того, компания Маска продолжает работу над двигателем Raptor, который планируется применять на космическом корабле Starship.

Сначала в качестве альтернативы РД-180 американцы рассматривали двигатель AR1 от компании Aerojet Rocketdyne. Его планировалось устанавливать на всё те же «Атласы», но, когда подошёл срок, выяснилось, что разработка находится в сыром состоянии. Огневые испытания отложены как минимум до конца 2022 года.

Сейчас наиболее подходящим вариантом замены российскому движку считают BE-4, который создаётся компанией Джеффа Безоса Blue Origin. Его тяга будет больше, чем у двигателя Илона Маска Merlin, но почти в два раза меньше, чем у РД-180. Принципиальное отличие этого двигателя в том, что он метановый. Однако важнее то, что BE-4 до сих пор не испытан в полётах: его производство и ввод в эксплуатацию отстают от запланированных сроков.  

А вот заменить РД-181, на которых летали ракеты «Антарес», сейчас вообще нечем. О таких разработках ничего не известно, а между тем отправлять к МКС грузовые корабли Cygnus американцам как-то придётся. Во всяком случае, два запуска на ближайшие пару лет в их планы входят.

Что потеряет Роскосмос

Что будут делать в такой ситуации NASA и Европейское космическое агентство? И какими финансовыми потерями это обернётся для российской стороны? Об этом АиФ.ru спросил у научного руководителя Института космической политики Ивана Моисеева:

«Во время наиболее интенсивного использования американцами РД-180 он покрывал 10% потребностей США в ракетных двигателях первых ступеней ракет-носителей. Всего американцам были поставлены 122 таких двигателя. Контракт по РД-180 был завершён в прошлом году — он принёс НПО Энергомаш более миллиарда долларов.

В настоящее время у США есть запас РД-180 — около 20 двигателей. Их с лихвой хватит на все оставшиеся запуски ракеты-носителя “Атлас-5”, на которой этот тип двигателей используется. Потом “Атлас-5” будет заменена на более совершенную ракету “Вулкан-Кентавр”, на первой ступени которой будут стоять двигатели BE-4, которые разрабатывает компания Джеффа Безоса. Первый пуск “Вулкана” ожидается уже в этом году.

Второй двигатель, который мы поставляли в США — РД-181 для ракеты-носителя “Антарес”. Всего было запущено 11 ракет с такими двигателями. В среднем они летали два раза в год, что приносило НПО Энергомаш доход в 40 миллионов долларов. Теперь, когда по инициативе Роскосмоса поставки двигателя РД-181 прекращены, у американской корпорации Northrop Grumman, которая его закупала, есть два варианта действий. Первый: она может вообще отказаться от запусков ракет “Антарес”. Для функционирования МКС это не будет критичным, так как все необходимые функции сможет выполнять компания SpaceX со своими кораблями. Второй: запускать грузовики к МКС на ракетах “Атлас-5”, как уже было после аварии 2014 года. К этим ракетам двигатели РД-180 у американцев ещё имеются, о чём я уже сказал.

Что касается Европы, то с ней у нас было два больших коммерческих проекта — запуски спутников OneWeb и запуски с космодрома Куру спутников различных иностранных заказчиков. Сейчас оба проекта прекращены. Планируемые к запускам полезные нагрузки уйдут на европейские ракеты-носители “Вега” и “Ариан”, а также на ракеты фирмы SpaceX.

Что в результате потеряет Роскосмос? Доход от запусков OneWeb должен был составить 1 миллиард долларов, и на момент прекращения этот проект выполнен на 60%. C космодрома Куру наши “Союзы” летают с 2011 года, всего совершено 27 запусков. Потери России из-за отказа от этого проекта составят примерно 200 миллионов долларов в год».

космоссанкции против РФкосмическая промышленность

Следующий материал

Новости СМИ2

США «убили» производство двигателя РД-180 в России

31 октября 2022

Закупки самого продаваемого российского двигателя для ракет не ведутся с лета, и, кажется, не будут возобновлены. Причин для этого несколько, а у двух из них есть имя и фамилия.

Почему американцы покупали РД-180?

В апреле 2021 года Россия отгрузила последнюю партию ракетных двигателей РД-180 в США. Эта поставка может стать последней в череде многолетних контрактов на закупку ракетных двигателей в интересах американских компаний. 26 августа гендиректор компании ULA Тони Бруно сообщил, что компания прекращает продажу своих ракет Atlas V заказчикам, а это значит, что после того, как будет израсходован весь запас двигателей РД-180, для NASA и Космического командования настанет пора перевернуть страницу.

Отказываться от ракет Atlas V и российских РД-180 будут не сразу. Все ракеты-носители этого типа продадут заказчикам и запустят примерно до середины 20-х годов — США предусмотрительно закупили российских двигателей про запас, и потребность в новых вряд ли появится. РД-180 стал популярен в США сразу по нескольким причинам. Он оказался дешевле всех возможных двигателей образца конца 90-х, его было просто купить и стоил он недорого — от 10 до 12 млн долларов. Все американские аналоги стоили значительно дороже, и с их помощью холдинг ULA не смог бы продать Пентагону пуски, стоимость которых и на российских двигателях переваливала за 380 млн долларов.

Ракета-носитель Atlas V. Фото: Wikimedia / NASA/Tom Farrar, Kevin O'Connell

Кто «‎убил» российский РД-180?

‎

Считается, что основных причин отказа США от российских двигателей РД-180 три. Первая — неумение ULA конкурировать на мировом рынке пусковых услуг. Их, по некоторым данным, со всех насиженных мест выдавливает компания, которая числится второй в списке причин отказа США от российских двигателей.

Во-вторых, компания SpaceX Илона Маска разработала двигатели Raptor c топливной парой метан/кислород. Эти агрегаты приближены по своим характеристикам к РД-180, а также целиком и полностью разработаны в США, что в условиях санкционных войн является определяющим фактором. При этом стоимость производства двигателя до сих пор не раскрыта. На двигателях Raptor ракеты SpaceX будут летать следующие несколько десятков лет. Считается, что топливная пара газ-газ позволяет достичь оптимальных динамических характеристик и неплохо экономит деньги тем, кто проводит запуски.

В-третьих, в США успешно работает и другая космическая компания Blue Origin, которой руководит основатель Amazon Джефф Безос. Двигатель BE-4, спроектированный для полетов на метане и жидком кислороде, как и SpaceX Raptor, планируют продавать для ракеты Vulcan. Помимо Vulcan, двигатели BE-4 планируют использовать для вывода спутников на орбиту Земли в рамках использования ракеты New Glenn, которую компания разработала с нуля.

Ракетный двигатель Raptor. Фото: Wikimedia / Brandon De Young @brandondeyoung / CC BY-SA 4.0

Рынок в депрессии, но он все еще жив

Поначалу можно подумать, что рынок для российских ракетных двигателей потерян, но это не совсем так. Во-первых, ракеты Vulcan, в которой будут использовать двигатели BE-4, еще нет, и неизвестно, какими будут результаты первых запусков. Во-вторых, США не могут взять и отказаться от российских ракетных технологий. Хотя бы потому, что американская Orbital Sciences Corporation (OSC) уже планирует закупать РД-181М. Их хотят устанавливать на ракеты Antares. Ракеты этого типа используют для многих проектов, в частности, на этих носителях к МКС летают грузовые корабли Cygnus.

Главным камнем преткновения в истории с российскими РД-180 были военные программы США. На российских двигателях ракеты Atlas V выводили в космос военные разведывательные спутники. Операторы Antares должны исправить ситуацию: в соглашение между РФ и производителем ракет может быть включен пункт, запрещающий выведение военных систем на российских ракетных двигателях.

Ракетный двигатель РД-180. Фото: Wikimedia / Igel B TyMaHe / CC0

Второй заход с новым товаром: как РД-0169 будет спасать Россию

Формальной причиной для перехода на полностью американские ракетные двигатели могла стать экология. Метан/кислородные ракетные двигатели считаются менее вредными для окружающей среды, однако забота о собственной природе не самая важная причина перехода на другую технологию. Главная причина — деньги. В перспективе BE-4 и Raptor могут сэкономить американским SpaceX и Blue Origin по 300−500 долларов с каждого килограмма полезной нагрузки. Их дешевле заправлять, проще делать, а в многоразовой конфигурации ракетные двигатели практически перестают быть расходной частью бюджета компании, поскольку после каждого полёта требуется не создание нового агрегата, а обслуживание уже имеющегося.

Собственные кислород/метановые двигатели, способные конкурировать с Raptor и BE-4 у России уже есть. Их первое применение может состояться в 2026 году на ракете «Союз-7» — многоразовой версии самой популярной российской ракеты. Если всё пройдёт успешно, то двигатели для этих ракет могут быть отгружены на экспорт. По предварительным оценкам двигатели РД-0169 могут оказаться «в несколько раз» дешевле американских Raptor и BE-4. Если всё пройдёт по плану, то Россия получит все шансы заново завоевать американский рынок пусковых услуг, за которым в очередь на российские двигатели могут встать и европейцы.

Посмотрите на новые космические фото, которые раньше были доступны только ученым. На них видны галактики, различные виды туманностей, а также скопления звезд причудливой формы — например, сферической или шаровой.

22фотографии

Это тоже интересно:

Автор: Георгий Шамуев

космос

США

Подпишитесь на нас

Новости Hi-Tech Mail.ru

Нажимая «Подписаться» вы соглашаетесь с условиями использования

• Mail.Ru
• О компании
• Реклама

• Редакция
• Условия использования материалов
• Обратная связь

Ракетный двигатель, который может изменить космические путешествия

— Плазменный ракетный двигатель, который в настоящее время проходит испытания, несет новые надежды для планов НАСА по исследованию космоса.

— НАСА получит увеличение бюджета в соответствии с новым планом расходов Дома , включая его возвращение на Луну.

— Космическая аналитическая компания наняла команду опытных сотрудников, чтобы поднять свой авторитет на Капитолийском холме.

ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В ПОЛИТИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО, наш обязательный к прочтению брифинг о политике и личностях, формирующих новую космическую эру в Вашингтоне и за его пределами. Напишите нам по адресу [email protected] с советами, предложениями и отзывами, а также найдите нас в Твиттере по адресу @bryandbender. И не забудьте посетить страницу астрополитики POLITICO, где вы найдете статьи, ответы на вопросы и многое другое.

«ПОЛНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ»: Это то, чего ракетная компания Ad Astra в конечном итоге надеется достичь в дальнем космосе, продолжая тестировать свой плазменный двигатель VASIMR в выходные — с целью достижения 100 часов, установленных НАСА.

«Это электрическая силовая установка, выведенная на новый уровень мощности», — сказал нам в четверг из Хьюстона генеральный директор компании Франклин Чанг-Диас. «Мы шли к этой цели уже много лет. Если предположить, что все остается вместе, ракета кажется удобной, а все температуры стабильными. Кажется, все работает. Для нас это большое дело».

Как это работает? Чанг-Диас, инженер-механик и бывший астронавт НАСА, называет двигатель с температурой выхлопа 5 миллионов градусов «буквенным супом из сверхзаряженных частиц». Это то, из чего сделаны солнце и звезды».

Он добавил, что «нет другой электрической ракеты, у которой есть такая возможность. Самая мощная действующая электрическая ракета — 5 киловатт. У нас сейчас 80 киловатт, и мы работаем уже более трех дней. Никто никогда не запускал ракету на таком уровне».

В конечном счете, идея заключается в том, чтобы «по сути объединить ядерно-электрический источник энергии с двигателем», добавил он. «Мы считаем, что атомная энергетика — это конечная цель».

Почему это может изменить правила игры: Ad Astra была единственной из трех компаний, получивших контракты НАСА в 2015 году в рамках государственно-частного партнерства NextSTEP, которое все еще действует. Если он сможет успешно завершить инженерную фазу, утверждает Чанг-Диас, двигатель может способствовать «полной трансформации транспортной схемы».

«Мы можем видеть миссии на Марс, которые могут длиться от двух до трех месяцев в одну сторону и даже быстрее по мере развития технологий», — пояснил он, по сравнению с «семью-восемь месяцами, а может быть, и дольше. Это полностью изменит способ транспортировки».

Это также означает «перемещение вещей с низкой околоземной орбиты в окрестности Луны, сбор мусора, перестановку спутников, транспортировку припасов, в основном поддержку системы логистики», — сказал он.

Что касается полетов человека в космос? «Меньше радиации, меньше расходных материалов, все лучше», — сказал Чанг-Диас. Ядерно-электрический двигатель также означает, что космонавтам будет легче повернуть назад или изменить курс, если это необходимо, в отличие от традиционных космических кораблей, которые, по сути, предназначены для движения по инерции к месту назначения. «Когда у вас есть такая ракета, как наша, вы действительно постоянно работаете», — сказал Чанг-Диас.

Что его больше всего беспокоит? щас не вопрос будет ли двигатель работать; «На это почти скучно смотреть», — сказал он. Вопрос в том, сможет ли предприятие компании выдержать испытание. «Требования к вакууму чрезвычайно высоки. В камеру уходит много выхлопа. Вы должны удалить его», — сказал он. «Электричество, которое мы должны подавать на объект, очень дорогое. Объект является проблемой, по крайней мере, сейчас. Возможно, год назад я бы сказал, что ракета — это вызов. Теперь объект — это вызов».

ПОВЫШЕНИЕ БЮДЖЕТА НАСА: Комитет по ассигнованиям Палаты представителей на этой неделе внес поправки в свою версию бюджета НАСА на 2022 финансовый год, призвав к увеличению финансирования пилотируемых космических исследований, включая увеличение на 150 миллионов долларов программы Human Landing System для возвращения Американские астронавты на поверхности Луны.

Но достаточно ли этого, чтобы профинансировать второй проект HLS, , как хочет Конгресс? Единственная награда космического агентства SpaceX в апреле вызвала волну взаимных обвинений и пару протестов со стороны команд во главе с Blue Origin и Dynetics. SpacePolicyOnline больше рассказывает о том, что все это может означать для возвращения на Луну, называя предложение комиссии по выбору параллельного проекта «скучным».

В целом комиссия по ассигнованиям Палаты представителей утвердила для космического агентства на следующий год 25,04 миллиарда долларов, что почти на 2 миллиарда больше бюджета этого года.

Прочтите: Полный отчет комитета по торговле, науке, правосудию и связанным с ними законопроектам о расходах и законопроекта.

NRO УДВАИВАЕТСЯ: Planet Labs объявила в четверг, что Национальное разведывательное управление продлило свой контракт на несекретные спутниковые снимки для оборонных и разведывательных миссий.

Сверхсекретная NRO, которая строит и управляет национальными спутниками-шпионами, в последние годы все больше полагалась на коммерческие изображения, открывая новые возможности для компаний дистанционного зондирования, таких как Planet Labs, BlackSky Global, HySpecIQ и Maxar. В прошлом году агентство заявило, что планирует заключить несколько таких контрактов в будущем.

«Это самостоятельная награда, присуждаемая непосредственно Planet, но мы также ожидаем проведения конкурса на коммерческие услуги изображений, который будет открыт для участия нескольких компаний», — сказал нам представитель Planet. Сумма контракта не разглашается.

Первоначальный контракт с Planet Labs был подписан в 2019 году.

Плюс: Сотрудник Национального разведывательного управления выбран для управления закупками космических сил через Space News.

INTO THE WILD BLUE YONDER: Полет Ричарда Брэнсона к краю космоса на борту корабля SpaceShipTwo компании Virgin Galactic в воскресенье прошел без сучка и задоринки. Но еще большим испытанием для растущей индустрии космического туризма является «первый полет человека», запланированный на 9 утра вторника из Западного Техаса на New Shepard Blue Origin с экипажем, в который входит основатель компании Джефф Безос.

Кто еще идет? Blue Origin в четверг назвала последнего члена экипажа, 18-летнего Оливера Деймена, который станет самым молодым человеком, отправившимся в космос.

Прощальный подарок: Основатель Amazon, которому также принадлежит The Washington Post, на этой неделе обязался пожертвовать 200 миллионов долларов на ремонт Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне и строительство нового образовательного центра. Это крупнейшее пожертвование с момента основания учреждения в 1846 году Джеймсом Смитсоном.

«Мы рады, что Джефф взял на себя обязательство помочь нам расширить охват и влияние Смитсоновского института, поскольку мы стремимся вдохновлять следующее поколение ученых, астронавтов, инженеров, педагогов и предпринимателей», — Стив Кейс, председатель Смитсоновского института. Попечительский совет, говорится в сообщении.

Подробнее: Virgin Galactic и Blue Origin привнесут науку в свои путешествия через Popular Science.

И: Глава космического ведомства России желает, чтобы его олигархи инвестировали в космос, такие как Брэнсон и Маск, через ArsTechnica.

Звонок для пробуждения? Мы связались с рядом экспертов по космической политике для информационного бюллетеня POLITICO China Watcher на этой неделе о том, что недавние крупные успехи Китая означают для будущего космической торговли и исследований.

О чем беспокоиться : «[Коммунистическая партия Китая] контролирует огромные государственные ресурсы и может планировать на долгосрочную перспективу, какие секторы финансировать», — говорит Намрата Госвами, специалист по космической политике и соавтор книги «Борьба за Небеса: Соревнование великих держав за контроль над ресурсами космического пространства».

Эти сектора, по ее словам, включают в себя использование космических ресурсов, таких как добыча полезных ископаемых на Луне и разработка возобновляемых источников энергии с помощью космической солнечной энергии, а также прорыв в высокотехнологичных областях, таких как искусственный интеллект, робототехника и квантовые вычисления.

«США политики не смогли понять, что это часть создания Китаем космической инфраструктуры, которая принесет пользу и поможет ему обогнать США к 2049 году», — сказала она. «Президент Си Цзиньпин включил космос в свою задачу по превращению Китая из производства в сектор высоких технологий и инноваций, ориентированный на услуги».

Что может быть дальше? «Они проведут испытания космического излучения, приземлят многоразовые ракеты, создадут лунную исследовательскую станцию, построят прототип спутника на солнечной энергии, протестируют лунную трехмерную печать, захватят небольшой астероид и вернут его на Землю, а также полетят на ядерных двигателях. космический корабль», — сказал подполковник ВВС в отставке Питер Гарретсон, космический стратег, который сейчас является старшим научным сотрудником по оборонным исследованиям в Американском совете по внешней политике.

Эти предприятия «нацелены на создание строительных блоков для независимой от Земли цепочки поставок, чтобы стать космическим промышленным гигантом и доминирующей космической державой», — добавил он.

Будет ли Китай относиться к космосу по-другому? Скотт Пейс, который до января занимал пост исполнительного секретаря Космического совета Белого дома, говорит, что у него мало иллюзий относительно того, что Пекин будет относиться к космосу иначе, чем его агрессивное поведение в сфере экономики и безопасности здесь, на Земле. «Будет ли поведение Китая в коммерческом космосе заметно отличаться от поведения в других коммерческих секторах?» — спросил Пейс. «Возможно нет. Будет ли поведение Китая в космосе отличаться от поведения в других общих областях, таких как океаны? Может быть.»

Похоже, не все так обеспокоены. «Китай определенно наращивает свои возможности, и относительный баланс сил меняется», — сказал нам Брайан Уиден, директор по программному планированию Фонда «Безопасный мир». «Но это, как правило, потому, что они начали с гораздо более низкой точки, чем США».

«Я не совсем разделяю шумиху вокруг Китая, — добавил он, — но я обеспокоен».

ОБУЧАЮЩИЙ МОМЕНТ: Kayrros, аналитическая компания по наблюдению за Землей, специализирующаяся на энергетическом секторе, с офисами в Нью-Йорке и Хьюстоне, недавно привлекла влиятельную группу лоббистов из S-3 Group «для обучения работе с Kayrros, геопространственной платформой». которая использует спутники для предоставления глобальных, детальных измерений в режиме реального времени, чтобы лучше понять энергетический рынок и связанные с ним изменения в инфраструктуре», — говорится в недавнем публичном заявлении.

Команда лоббистов Кайрроса включает Майка Ференса, , который был помощником бывшего члена палаты представителей Эрика Кантора и сенсаторов Джима Инхоуфа и Роя Бланта; Мэтт Браво, , работавший на представителя Стива Скализа; Кевин Кейси , бывший старший политический директор Демократического собрания; Оливия Курц , бывший начальник штаба сенатора Сьюзен Коллинз, которая также работала на бывшего члена палаты представителей Майка Касла; и Хосе Себальос, бывший сотрудник Министерства транспорта.

TRIVIA

Поздравляем Кевина Кэнола , старшего специалиста по программам Управления международных и межведомственных отношений в штаб-квартире НАСА, за то, что он первым правильно ответил, что астронавты Аполлона-13 путешествовали дальше всех людей от Земли.

Вопрос этой недели: Сколько лун в нашей Солнечной системе? И какая из них самая большая и какая луна самая маленькая?

Первый человек, отправивший электронное письмо [email protected] с правильными ответами, получит право похвастаться и похвалиться в следующем информационном бюллетене!

— НАСА ищет предложения по развитию коммерческой космической станции: Space News

— НАСА и Northrop Grumman завершают заключение контракта на создание жилых помещений на лунном аванпосте: НАСА

— НАСА заявляет, что выяснило, что не так с Хабблом: футуризм

— НАСА идентифицирует , решение проблем разработки скафандров: Aviation Week

— Космический стартап Momentus нанимает бывшего чиновника Министерства обороны США в качестве генерального директора: Reuters

— Космический стартап Momentus обвиняется Комиссией по ценным бумагам и биржам во вводе инвесторов в заблуждение: The Verge

— Китай использует мифологию и научную фантастику, чтобы продавать миру свою космическую программу: The Space Review

— Израильская компания SpaceIL получает средства для новой лунной миссии: Associated Press

— Астероиды размером с город 10 раз сталкивались с древней Землей чаще, чем думали: Space. com

— варп-двигатель «Звездного пути» ведет к новой физике: Scientific American

СЕГОДНЯ: Новый космос Конференция о космической промышленной базе штата Нью-Мексико продолжается.

ВТОРНИК: Комитет Палаты представителей по науке, космосу и технологиям проводит слушание на тему «Потребность в спектре для наблюдений в науках о Земле и космосе» в 10:00 13:00

• Брайан Бендер @bryandbender
• Дэйв Браун @dave_brown24

Подписывайтесь на нас

Эффективное будущее путешествий в дальний космос — электрические ракеты

В одиночестве среди космической черноты космический зонд НАСА Dawn мчится за пределы орбиты Марса к поясу астероидов. Запущенный для поиска информации о рождении Солнечной системы, автоматический космический корабль находится на пути к изучению астероидов Веста и Церера, двух крупнейших остатков планетарных зародышей, которые столкнулись и объединились около 4,57 миллиарда лет назад, чтобы сформировать сегодняшние планеты. .

Но не только цели миссии делают этот полет примечательным. Dawn, стартовавший в сентябре 2007 года, оснащен своего рода космической силовой установкой, которая начинает занимать центральное место в дальних полетах — плазменным ракетным двигателем. Такие двигатели, которые в настоящее время разрабатываются в нескольких усовершенствованных формах, генерируют тягу за счет электрического производства и управления ионизированным газовым топливом, а не за счет сжигания жидкого или твердого химического топлива, как это делают обычные ракеты.

Разработчики миссии «Рассвет» из Лаборатории реактивного движения НАСА выбрали плазменный двигатель в качестве ракетной системы зонда, потому что он очень эффективен и требует только одной десятой топлива, которое потребовалось бы химическому ракетному двигателю для достижения пояса астероидов. Если бы планировщики проекта решили установить традиционный двигатель, транспортное средство смогло бы добраться либо до Весты, либо до Цереры, но не до обоих одновременно.

Действительно, электрические ракеты, как еще называют двигатели, быстро становятся лучшим вариантом для отправки зондов к дальним целям. Недавние успехи, ставшие возможными благодаря электрической силовой установке, включают посещение кометы аппаратом НАСА Deep Space 1 — бонусное путешествие, которое стало возможным благодаря топливу, оставшемуся после того, как космический корабль выполнил свою основную задачу. Плазменные двигатели также обеспечили движение при попытке посадки на астероид японского зонда «Хаябуса», а также при полете на Луну космического корабля SMART-1 Европейского космического агентства. В свете продемонстрированных преимуществ технологии планировщики миссий в дальний космос в США, Европе и Японии предпочитают использовать плазменные двигатели для будущих миссий, которые будут исследовать внешние планеты, искать внесолнечные планеты, подобные Земле, и использовать пустоту космоса. как лаборатория для изучения фундаментальной физики.

Хотя плазменные двигатели только сейчас внедряются в космические корабли большой дальности, технология для этой цели уже некоторое время разрабатывается и уже используется для других задач в космосе.

Еще в первом десятилетии 20-го века пионеры ракетостроения размышляли об использовании электричества для питания космических кораблей. Но покойный Эрнст Штульингер, член легендарной группы немецких ученых-ракетчиков Вернера фон Брауна, которая возглавляла космическую программу США, наконец, в середине 19-го века превратил эту концепцию в практическую технологию.50-е годы. Несколько лет спустя инженеры Исследовательского центра Гленна НАСА (тогда известного как Льюис) построили первую действующую электрическую ракету. Этот двигатель совершил суборбитальный полет в 1964 году на борту Space Electric Rocket Test 1, проработав полчаса, прежде чем корабль упал обратно на Землю.

Тем временем исследователи в бывшем Советском Союзе независимо друг от друга работали над концепциями электрических ракет. С 1970-х годов планировщики миссий выбрали эту технологию, потому что она может экономить топливо при выполнении таких задач, как поддержание ориентации и орбитальной позиции телекоммуникационных спутников на геосинхронной орбите.

Преимущества плазменных двигателей становятся особенно поразительными в свете недостатков обычных ракет. Когда люди представляют себе корабль, несущийся сквозь темную пустоту к далекой планете, они обычно представляют себе, как из его сопел тянется длинный огненный шлейф. Однако на самом деле все совсем иначе: экспедиции во внешние области Солнечной системы в основном проводились без ракет, потому что большая часть топлива обычно расходуется в первые несколько минут работы, и оставшуюся часть пути к цели космический корабль вынужден преодолевать по инерции. Правда, химические ракеты запускают все космические аппараты с поверхности Земли и могут вносить коррективы на полпути. Но они непрактичны для обеспечения исследований дальнего космоса, потому что они потребуют слишком много топлива, чтобы их можно было поднять на орбиту практически и по доступной цене. Размещение фунта (0,45 кг) чего-либо на околоземной орбите стоит до 10 000 долларов.

Чтобы достичь необходимых траекторий и высоких скоростей для длительных и высокоточных полетов без дополнительного топлива, многим зондам дальнего космоса в прошлом приходилось тратить время, часто годы, уклоняясь от своего пути к планетам или лунам, которые давали гравитационные толчки, способные чтобы разогнать их в нужном направлении (движения рогатки называются гравитационными маневрами). Такие окольные траектории полета ограничивают миссии относительно небольшим окном запуска; только взлет в течение определенного короткого промежутка времени обеспечит точное прохождение мимо космического тела, служащего усилителем гравитации.

Хуже того, после многих лет пути к месту назначения у транспортного средства с химическим ракетным двигателем обычно не остается топлива для торможения. Такому зонду потребуется возможность запустить свою ракету, чтобы он мог достаточно замедлиться, чтобы выйти на орбиту вокруг своей цели и, таким образом, проводить расширенные научные наблюдения. Неспособный затормозить, он ограничится лишь мимолетной встречей с объектом, который намеревается изучить. Действительно, после более чем девятилетнего путешествия «Новые горизонты», зонд НАСА для дальнего космоса, запущенный в 2006 году, получит лишь краткую встречу продолжительностью не более одного земного дня со своим конечным объектом изучения, недавно пониженным в должности «карликом». планета «Плутон».

Для тех, кто недоумевает, почему инженеры не смогли придумать способы отправки достаточного количества химического топлива в космос, чтобы избежать таких трудностей во время длительных миссий, позвольте мне пояснить, с какими огромными препятствиями они сталкиваются. Объяснение основано на так называемом ракетном уравнении, формуле, используемой планировщиками миссий для расчета массы топлива, необходимого для данной миссии. Русский ученый Константин Э. Циолковский, один из отцов ракетостроения и космонавтики, впервые ввел эту основную формулу в 1903.

Проще говоря, ракетное уравнение формулирует интуитивный факт: чем быстрее вы выбрасываете топливо из космического корабля, тем меньше вам нужно выполнять маневр ракеты. Подумайте о бейсбольном питчере (ракетном двигателе) с ведром бейсбольных мячей (топливо), стоящем на скейтборде (космическом корабле). Чем быстрее питчер отбрасывает мячи назад (т. е. чем выше скорость выхлопа), тем быстрее транспортное средство будет двигаться в противоположном направлении, когда будет брошен последний мяч, или, что то же самое, тем меньше бейсбольных мячей (меньше топлива) будет у питчера. нужно бросать, чтобы увеличить скорость скейтборда на желаемую величину в любой момент времени. Ученые называют это постепенное увеличение скорости скейтборда «дельта-V».

В более конкретных терминах уравнение связывает массу топлива, необходимого ракете для выполнения конкретной миссии в открытом космосе, с двумя ключевыми скоростями: скоростью, с которой выхлопные газы ракеты будут выбрасываться из корабля, и дельта- v насколько увеличится скорость автомобиля в результате выброса выхлопных газов. Delta-v соответствует энергии, которую корабль должен затратить, чтобы изменить свое инерционное движение и выполнить желаемый космический маневр. Для данной ракетной технологии (то есть той, которая обеспечивает заданную скорость выхлопа ракеты) уравнение ракеты переводит дельта-v для желаемой миссии в массу топлива, необходимого для ее выполнения. Таким образом, показатель дельта-v можно рассматривать как своего рода «ценник» миссии, поскольку в стоимости ее проведения обычно преобладает стоимость запуска необходимого топлива.

Обычные химические ракеты достигают только низкой скорости выхлопа (три-четыре километра в секунду, или км/с). Одна только эта особенность делает их проблематичными в использовании. Кроме того, экспоненциальный характер уравнения ракеты диктует, что доля начальной массы транспортного средства, состоящая из топлива, «массовая доля топлива» экспоненциально растет с дельта-v. Следовательно, топливо, необходимое для высокого дельта-V, необходимого для миссии в дальний космос, могло занять почти всю стартовую массу космического корабля, оставляя мало места для чего-либо еще.

Рассмотрим пару примеров: Для полета на Марс с низкой околоземной орбиты требуется дельта-v около 4,5 км/с. Уравнение ракеты гласит, что обычной химической ракете потребуется, чтобы более двух третей массы космического корабля составляло топливо для осуществления такого межпланетного перелета. Для более амбициозных полетов, таких как экспедиции к внешним планетам, для которых требуется дельта-v со скоростью от 35 до 70 км/с, химическим ракетам потребуется более 99,98% топлива. В такой конфигурации не останется места для другого оборудования или полезной нагрузки. По мере того, как зонды продвигаются дальше вглубь Солнечной системы, химические ракеты становятся все более бесполезными, если только инженеры не найдут способ значительно увеличить скорость их выхлопа.

До сих пор эта цель оказалась очень труднодостижимой, потому что создание сверхвысоких скоростей выхлопа требует чрезвычайно высоких температур сгорания топлива. Возможность достижения необходимых температур ограничивается как количеством энергии, которое может быть высвобождено в результате известных химических реакций, так и температурой плавления стенок ракеты.

Плазменные двигательные установки, напротив, обеспечивают гораздо большую скорость выхлопа. Вместо сжигания химического топлива для создания тяги плазменный двигатель разгоняет плазменные облака электрически заряженных атомов или молекул до очень высоких скоростей. Плазма создается путем добавления энергии к газу, например, путем облучения его лазерами, микроволнами или радиочастотными волнами или путем воздействия на него сильных электрических полей. Дополнительная энергия высвобождает электроны из атомов или молекул газа, оставляя последние с положительным зарядом, а первые могут свободно перемещаться в газе, что делает ионизированный газ гораздо лучшим проводником электричества, чем металлическая медь. Поскольку плазма содержит заряженные частицы, на движение которых сильно влияют электрические и магнитные поля, приложение электрических или электромагнитных полей к плазме может ускорить ее составляющие и выбросить их из задней части транспортного средства в виде выхлопных газов, создающих тягу. Необходимые поля могут создаваться электродами и магнитами, с помощью индукции с помощью внешних антенн или проволочных катушек или путем пропускания электрического тока через плазму.

Электроэнергия для создания и ускорения плазмы обычно поступает от солнечных панелей, собирающих энергию солнца. Но космические аппараты, летящие мимо Марса, должны полагаться на ядерные источники энергии, потому что солнечная энергия становится слишком слабой на больших расстояниях от Солнца. Сегодняшние небольшие роботизированные зонды используют термоэлектрические устройства, нагреваемые за счет распада ядерного изотопа, но для более амбициозных миссий будущего потребуются ядерные реакторы деления (или даже синтеза). Любой ядерный реактор будет активирован только после выхода корабля на стабильную орбиту на безопасном расстоянии от Земли. Его топливо будет находиться в инертном состоянии во время старта.

Три вида плазменных двигателей достаточно совершенны, чтобы их можно было использовать в дальних миссиях. Ионный двигатель наиболее часто используется и питает Рассвет.

Ионный двигатель, одна из наиболее успешных концепций электрического двигателя, восходит к идеям пионера американской ракетной техники Роберта Х. Годдарда, сформулированным, когда он еще был аспирантом Вустерского политехнического института сто лет назад. Ионные двигатели способны развивать скорость истечения от 20 до 50 км/с [см. рамку на следующей странице].

В своем наиболее распространенном воплощении ионный двигатель получает электроэнергию от фотогальванических панелей. Это приземистый цилиндр, немногим больше ковша, установленный за кормой. Внутри ведра газообразный ксенон из топливного бака поступает в ионизационную камеру, где электромагнитное поле отрывает электроны от атомов газообразного ксенона, создавая плазму. Затем положительные ионы плазмы извлекаются и разгоняются до высоких скоростей под действием электрического поля, которое прикладывается между двумя электродными сетками. Каждый положительный ион в поле чувствует сильное притяжение отрицательно заряженного электрода, установленного сзади, и поэтому ускоряется назад.

Положительные ионы в выхлопных газах покидают космический корабль с суммарным отрицательным зарядом, который, если оставить его накапливаться, притянет ионы обратно к космическому кораблю, тем самым нейтрализуя тягу. Чтобы избежать этой проблемы, внешний источник электронов (отрицательный катод или электронная пушка) вводит электроны в положительный поток, чтобы электрически нейтрализовать его, что оставляет космический корабль нейтральным.

Десятки ионных двигателей в настоящее время работают на коммерческих космических кораблях, в основном на спутниках связи на геостационарной орбите для «удержания» орбиты и управления ориентацией. Они были выбраны потому, что они экономят миллионы долларов на космическом корабле за счет значительного уменьшения массы топлива, необходимого для химической тяги.

В конце 20-го века Deep Space 1 стал первым в мире космическим кораблем, использующим электрическую двигательную установку, чтобы избежать гравитации Земли с орбиты. Затем зонд разогнался примерно до 4,3 км/с, израсходовав при этом менее 74 кг ксенонового топлива (около массы неиспользованной пивной бочки), чтобы пролететь сквозь пыльный хвост кометы Боррелли. Это самый высокий прирост скорости, полученный за счет движения (в отличие от гравитации) среди всех космических кораблей на сегодняшний день. Рассвет должен вскоре побить этот рекорд, прибавив к своей скорости 10 км/с. Недавно инженеры Лаборатории реактивного движения продемонстрировали ионные двигатели, способные безупречно работать более трех лет непрерывной работы.

Характеристики плазменной ракеты определяются не только скоростью частиц выхлопных газов, но и плотностью тяги, которая представляет собой величину тяги, создаваемую двигателем на единицу площади его выхлопного отверстия. Ионные двигатели и аналогичные электростатические двигатели страдают от основного недостатка, называемого ограничением пространственного заряда, который сильно снижает их плотность тяги: когда положительные ионы проходят между электростатическими сетками в ионном двигателе, в этой области неизбежно накапливается положительный заряд. Это накопление ограничивает достижимое электрическое поле для ускорения.

Из-за этого явления ионный двигатель Deep Space 1 создает силу тяги, которая примерно эквивалентна весу одного листа бумаги, вряд ли грохочущий ракетный двигатель из научно-фантастических фильмов и больше похож на автомобиль, которому требуется два дня, чтобы разгоняться с нуля до 60 миль в час. Однако, если кто-то готов ждать достаточно долго (как правило, много месяцев), эти двигатели могут в конечном итоге достичь высоких значений дельта-против, необходимых для дальних путешествий. Этот подвиг возможен, потому что в космическом вакууме, который не оказывает никакого сопротивления, даже крошечный толчок, если его постоянно применять, приведет к высокой скорости движения.

Плазменная двигательная установка, называемая двигателем Холла [см. рамку справа], позволяет избежать ограничения пространственного заряда и, следовательно, может быстрее разгонять судно до высоких скоростей (благодаря большей плотности тяги), чем ионный двигатель сопоставимого размера. Эта технология получила признание на Западе с начала 1990-х годов, после трех десятилетий стабильного развития в бывшем Советском Союзе. Двигатель Холла скоро будет готов к дальним миссиям.

Система основана на фундаментальном эффекте, открытом в 1879 году.Эдвин Х. Холл, в то время аспирант физики Университета Джона Хопкинса. Холл показал, что когда электрическое и магнитное поля расположены перпендикулярно друг другу внутри проводника, электрический ток (называемый током Холла) течет в направлении, перпендикулярном обоим полям.

В двигателе Холла плазма образуется, когда электрический разряд между внутренним положительным анодом и отрицательным катодом, расположенным снаружи устройства, прорывает нейтральный газ внутри устройства. Полученная плазменная жидкость затем ускоряется из цилиндрического двигателя силой Лоренца, которая возникает в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля и электрического тока (в данном случае тока Холла), который течет в азимутальном направлении, то есть по круговой «орбите» вокруг центрального анода. Ток Холла обусловлен движением электрона в магнитном и электрическом полях. В зависимости от доступной мощности скорость выхлопа может варьироваться от 10 до более чем 50 км/с.

Эта форма электрической ракеты позволяет избежать накопления пространственного заряда за счет ускорения всей плазмы (как положительных ионов, так и отрицательных электронов), в результате чего ее плотность тяги и, следовательно, ее сила тяги (и, следовательно, ее потенциал дельта-v) во много раз больше, чем у ионного двигателя того же размера. Более 200 двигателей Холла были запущены на спутниках на околоземной орбите. И это был двигатель Холла, который Европейское космическое агентство использовало для экономичного запуска своего космического корабля SMART-1 на Луну.

В настоящее время инженеры пытаются усовершенствовать современные довольно маленькие двигатели Холла, чтобы они могли работать с более высокой мощностью для создания более высоких скоростей выхлопа и уровней тяги. Работа также направлена ​​​​на продление срока их эксплуатации до многолетнего периода, необходимого для исследования дальнего космоса.

Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы сделали шаг к достижению этих целей, имплантировав сегментированные электроды в стенки холловского двигателя. Электроды формируют внутреннее электрическое поле таким образом, что помогают сфокусировать плазму в тонкий выхлопной пучок. Эта конструкция уменьшает бесполезную неаксиальную составляющую тяги и увеличивает срок службы системы, удерживая плазменный пучок на расстоянии от стенок двигателя. Немецкие инженеры добились аналогичных результатов, используя магнитные поля особой формы. Тем временем исследователи из Стэнфордского университета показали, что облицовка стен прочным синтетическим поликристаллическим алмазом существенно повышает устойчивость устройства к плазменной эрозии. Такие улучшения в конечном итоге сделают двигатели Холла пригодными для полетов в дальний космос.

Одним из способов дальнейшего повышения плотности тяги плазменного двигателя является увеличение общего количества плазмы, ускоряемой в двигателе. Но по мере увеличения плотности плазмы в холловском двигателе электроны все чаще сталкиваются с атомами и ионами, что затрудняет перенос электронами холловского тока, необходимого для ускорения. Альтернатива, известная как магнитоплазмодинамический двигатель (MPDT), позволяет получить более плотную плазму за счет отказа от тока Холла в пользу составляющей тока, которая в основном выровнена с электрическим полем [см. Вставку слева] и гораздо менее подвержена разрушению, чем ток Холла. атомными столкновениями.

Как правило, MPDT состоит из центрального катода, расположенного внутри более крупного цилиндрического анода. Газ, обычно литий, закачивают в кольцевое пространство между катодом и анодом. Там он ионизируется электрическим током, текущим радиально от катода к аноду. Этот ток индуцирует азимутальное магнитное поле (окружающее центральный катод), которое взаимодействует с тем же током, который индуцировал его, создавая силу Лоренца, создающую тягу.

Один двигатель MPD размером со среднее домашнее ведро может перерабатывать около миллиона ватт электроэнергии от солнечного или ядерного источника в тягу (достаточно для питания более 10 000 стандартных лампочек), что значительно превышает максимальную мощность пределы ионных или холловских двигателей того же размера. MPDT может развивать скорость выхлопа от 15 до 60 км/с. Это действительно маленький двигатель, который мог.

Эта конструкция также обеспечивает дросселирование; его скорость истечения и тягу можно легко регулировать, изменяя уровень электрического тока или расход топлива. Дросселирование позволяет планировщику миссии изменять тягу двигателя космического корабля и скорость истечения по мере необходимости для оптимизации его траектории.

Интенсивные исследования механизмов, снижающих производительность и срок службы устройств MPD, таких как эрозия электродов, нестабильность плазмы и рассеивание энергии в плазме, привели к созданию новых высокопроизводительных двигателей, использующих в качестве топлива пары лития и бария. Эти элементы легко ионизируются, обеспечивают более низкие потери внутренней энергии в плазме и помогают сохранять катод более холодным. Применение этих жидкометаллических ракетных топлив и необычной конструкции катода, который содержит каналы, изменяющие взаимодействие электрического тока с его поверхностью, привело к значительно меньшей эрозии катода. Эти инновации ведут к созданию более надежных MPDT.

Группа ученых и исследователей НАСА недавно завершила проектирование современного MPDT с литиевым питанием под названием 2, который потенциально может управлять атомным судном, перевозящим тяжелые грузы и людей на Луну и Марс. а также роботизированные миссии к внешним планетам.

Ионные двигатели, двигатели Холла и MPD — всего лишь три варианта технологии электроплазменных ракет, хотя и наиболее зрелые. За последние несколько десятилетий исследователи разработали множество других перспективных смежных концепций в разной степени готовности. Некоторые из них представляют собой импульсные двигатели, которые работают с перерывами; другие работают непрерывно. Некоторые генерируют плазму за счет электрического разряда на основе электродов; другие используют магнитную индукцию на основе катушки или излучение, генерируемое антенной. Механизмы, которые они применяют для ускорения плазмы, также различаются: некоторые используют силы Лоренца; другие ускоряют плазму, вовлекая ее в создаваемые магнитным полем токовые слои или бегущие электромагнитные волны. Один тип даже направлен на выпуск плазмы через невидимые «ракетные сопла», состоящие из магнитных полей.

Во всех случаях плазменные ракеты будут набирать скорость медленнее, чем обычные ракеты. И все же в том, что было названо «парадоксом медленнее, но быстрее», они часто могут быстрее добираться до удаленных пунктов назначения, в конечном итоге достигая более высоких скоростей космического корабля, чем могут стандартные двигательные установки, использующие ту же массу топлива. Таким образом, они избегают трудоемких обходных путей для повышения гравитации. Так же, как легендарная медленная и устойчивая черепаха побеждает периодически бегущего зайца, в марафонских полетах, которые станут все более частыми в грядущей эре исследования дальнего космоса, побеждает черепаха.

До сих пор самые передовые разработки могли придавать дельта-v 100 км/с, что было слишком медленно, чтобы доставить космический корабль к далеким звездам, но достаточно, чтобы посетить внешние планеты за разумное время. Одна особенно захватывающая миссия в дальний космос, которая была предложена, должна вернуть образцы с крупнейшего спутника Сатурна, Титана, который, по мнению космических ученых, имеет атмосферу, очень похожую на земную эоны назад.

Образец с поверхности Титана предоставит исследователям редкую возможность найти признаки химических предшественников жизни. Миссия была бы невозможна с химическим двигателем. И, без движения по курсу, путешествие потребовало бы нескольких планетарных гравитационных ассистентов, что добавило бы более трех лет к общему времени в пути. Зонд, оснащенный «маленьким плазменным двигателем, который мог бы» выполнить эту работу за значительно более короткий период времени.

Примечание. Первоначально эта статья была напечатана под названием «Новый рассвет для электрических ракет».

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Эффективное будущее дальнего космоса» в журнале Scientific American 300, 2, (февраль 2009 г.)

doi:10.1038/scientificamerican0209-58

Эдгар Ю. Чуэйри преподает космонавтику и прикладную физику в Принстонском университете, где он также руководит Лабораторией электрического двигателя и динамики плазмы (http://alfven.