Космическая гонка

Огромные расстояния, которые нужно преодолеть, и отсутствие привода для их преодоления за разумное время — вот с чего начинается длинный список проблем космических путешествий. Итак, чтобы начать серьезно беспокоиться о радиации или скуке во время путешествия по дальним пространствам, нужно сначала решить эту всеобъемлющую проблему.

Парадоксально, но поскольку межзвездные путешествия сегодня кажутся наименее реальными из всех, именно в этой сфере нет недостатка в нестандартных идеях. Думая о путешествии к ближайшей звезде, трудно принять во внимание известные нам ракетные методы. Поэтому ищут что-то совершенно другое. Пример Projekt , совместная инициатива известного физика и российского миллиардера, тоже физика по образованию, Юрий Мильнер. Цель состоит в том, чтобы отправить зонды к ближайшей планетарной системе. Система Альфа Центавра. Точнее, это серия миниатюрных зондов, предназначенных для достижения пункта назначения с помощью солнечных парусов, фотографирования и отправки их на Землю. Паруса будут приводиться в движение лазерными лучами, излучаемыми с поверхности Земли. При хорошем ветре транспортные средства могли бы разогнаться до 20% скорости света, что позволило бы им достичь Альфы Центавра «едва ли» за тридцать лет. Если бы идея сработала, отчет о миссии оказался бы на Земле четыре года спустя. Так что команда исследователей получила бы его еще при жизни…

Визуализация автомобиля из проекта

Перед путешествием к звездам уже проводятся испытания миниатюрных объектов. Первые космические зонды Sprite только что прибыли на орбиту.

Если бы сама концепция лазерного привода оказалась осуществимой, ее можно было бы использовать для пилотируемых межпланетных путешествий. По мнению экспертов, автоматический космический корабль сможет достичь Марса всего за три дня полета.

Проект лазерного фотонного привода включает в себя, среди прочего, Филип Любин, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Он и его команда получили около 100 XNUMX. долларов для проведения предварительного исследования своего проекта, известного как (DEEP-IN). В конечном итоге это включает в себя строительство полностью функционального космического корабля, работающего на фотонном пучке. Также здесь в рамках проекта должны быть созданы микрозонды, которые будут быстро достигать места назначения и выполнять научные задачи, оперативно отправляя данные на Землю.

Цель проекта Любина — разместить на орбите Земли лазер, мощность которого достаточна для того, чтобы довести до Марса даже XNUMX-килограммовый корабль. В дальнейших планах есть более крупные объекты, даже пилотируемые, хотя конечно такая масса не долетит до Марса всего за три дня. Любин также отмечает, что мощность орбитального лазера можно использовать для борьбы с астероидами, угрожающими Земле.

Мчащиеся ионы

Однако это все туманное будущее. W по-прежнему широко используется химический привод, то есть, например, ракеты, работающие на жидком водороде и кислороде или другом топливе. Максимальная скорость, которая в настоящее время достигается благодаря им, составляет примерно 10 км/с. Мы обычно также используем в дальнейших космических миссиях гравитация помогает Объекты Солнечной системы, позволяющие транспортному средству с химическим ракетным двигателем разгоняться со скоростью до понад 100 км/с. Если учесть максимальную близость Земли и Марса, то при такой скорости путешествие между двумя объектами займет всего несколько дней! Однако это только теория, потому что ускорение с помощью силы тяжести занимает многие месяцы и годы.

Что у нас есть кроме химии? Используем и работаем над улучшением все чаще и чаще ионный привод, т.е. ракетные двигатели, в которых носителем являются ионы, разгоняемые в результате электромагнитного взаимодействия. Ионные нагреватели в десять раз эффективнее химических ракетных двигателей. Работа над этим типом привода началась в середине прошлого века. В первых версиях для привода использовались пары ртути. Сегодня обычно используется благородный газ ксенон, иногда аргон.

Энергия, которая выбрасывает газ из двигателя, поступает из внешнего источника (либо от солнечных батарей, либо от реактора, вырабатывающего электричество). Атомы газа превращаются в положительные ионы, а затем ускоряются электрическим или магнитным полем, достигая скорости даже сделать 36 км/с. Высокая скорость выбрасываемого фактора дает тягу на единицу массы выбрасываемого вещества. Однако из-за малой мощности системы питания масса выбрасываемого газа невелика, и поэтому тяга ракеты остается не очень внушительной.

Визуализация движка VASIMR от Ad Astra

Продолжаются работы над проектами по увеличению мощности ионного двигателя. Европейское агентство ESA работает над HDLT — электромагнитный ионный двигатель. НАСА работает со строящейся ракетной компанией Ad Astra. плазменный двигатель названный VASIMR (). По словам создателей привода, он способен работать без перерыва сто часов и генерировать мощность 100 кВт. В июле 2017 года Ad Astra представила двигатель 200SSTM на основе аргона, который обеспечивал именно такую ​​мощность в течение десяти часов. Однако теперь компании нужно работать над материалами, которые выдержат непрерывную работу двигателя на полной мощности и при температурах до 3 миллионов градусов Цельсия.

Ионный электростатический двигатель использовался для продвижения зонда Deep Space 1998, запущенного в 1 году, к комете Боррелли. Привод рассчитан на двести часов работы. Он работал более чем в пятьдесят раз дольше. Разновидность ионообменника, называемая Двигатель Холла, использовался в зонде SMART-1 Европейского космического агентства. Ионные двигатели теперь служат главным двигателем японского зонда «Хаябуса» и американского «Рассвета» (миссия на карликовую планету Церера).

Лучше взять реактор

Альтернатива, которая дает больше энергии, чем ионные нагреватели, заключается в том, что реактор используется для нагрева газа, или использование ядерного топлива в качестве газа, или ядерный реактор вырабатывает электричество для питания ионного двигателя. Недавно аналитики НАСА возобновили концептуальную работу по использованию ядерного ракетного двигателя в межпланетных полетах, которая велась более полувека. Если концепция окажется жизнеспособной, полет астронавтов с Земли на Марс может быть осуществлен. сократить до четырех месяцев.

Специалисты США работали над возможностью использования ядерного ракетного двигателя (- НТП) еще в 1955-1972 гг. в рамках программы. В настоящее время американское космическое агентство возвращается к этой идее в проекте, направленном на более широкое использование решений, предоставляемых промышленностью и научным сообществом в освоении космоса.

В случае с ядерным реактором он используется как источник тепла. Он нагревает накопившийся в баке жидкий водород до температуры, достаточно высокой, чтобы он превратился в ионизированный газ — плазму, которая, протекая через сопло, придает кораблю тягу (3). Работы по строительству НТП в настоящее время должны выполняться компанией BWXT Nuclear Energy для НАСА, принадлежащей BWX Technologies. Она работает над ядерным реактором, работающим на основе реакции деления ядер низкообогащенного урана.

В НАСА все чаще говорят о так называемом бимодальные ракеты () — многоступенчатые транспортные средства, один сегмент которых будет приводиться в движение НТП, а остальные — традиционными химическими двигателями. Ракета в стадии строительства Космическая стартовая система будет иметь нижнюю ступень с химическим двигателем и верхнюю ступень с ядерным ракетным двигателем. Верхний сегмент SLS будет активирован только после того, как аппарат достигнет орбиты и отсоединится от ненужного нижнего сегмента ракеты.

Одна из визуализаций проекта ракетоплана XS-1.

Шаттлы и космические самолеты

Когда дело доходит до путешествий на низкой околоземной орбите (НОО), возвращаются концепции космических челноков и самолетов, хотя, очевидно, они не так дороги в эксплуатации, как списанные космические челноки. Агентство DARPA будет реализовывать проект совместно с Boeing ракетоплан XS-1, предназначенных в случае конфликтов для военного применения, а в повседневной жизни — для гражданского использования. Boeing будет осуществлять это предприятие с Blue Origin, принадлежащей генеральному директору Amazon. Это легкое беспилотное судно, способное к частым орбитальным полетам, с полезной нагрузкой до 1,8 тонны. Он должен взлететь благодаря собственным двигателям Aerojet Rocketdyne AR-22, доставить полезную нагрузку в космос, а затем самостоятельно приземлиться. НАСА хочет, чтобы полеты на орбиту стоили менее 5 миллионов долларов. Планируется, что ракетоплан будет введен в эксплуатацию к 2020 году.

Это не единственный подобный проект. NASA совместно с корпорацией Sierra Nevada уже несколько лет разрабатывает концепцию. miniwahadłowca Dream Chaser. Ожидается, что всего через два года машина сможет доставлять на орбиту как полезные грузы, так и астронавтов. Его запустят в космос на ракете Атлас V. Предполагается, что это международный проект под эгидой ООН, позволяющий менее богатым странам размещать собственные спутники на орбите. В октябре 2013 года первый экземпляр был сильно поврежден, так как часть шасси не выдвигалась. Первый рабочий запуск усовершенствованной версии машины намечен на 2021 год.

Уже несколько лет мы также слышим о строительстве англичанами. Их машина должна быть более совершенной, чем конкурирующие космические аппараты, и предназначаться для перевозки астронавтов. Достижение высоких скоростей станет возможным благодаря новому SABRE привод (), над которым работают немецкие инженеры совместно с европейским агентством ESA и британской компанией Reaction Engines. Двигатель SABRE основан на двухфазном режиме работы — он работает на водородном топливе, сжигаемом воздухом, который проходит через впускные патрубки, где он сжимается и охлаждается до температуры, близкой к жидкому состоянию. Это возможно благодаря компрессору и компрессорной системе, работающей в замкнутом гелиевом контуре. Охлажденный воздух поступает в камеру сгорания, а тепло от процесса его охлаждения используется для нагрева жидкого водородного топлива перед его впрыском в камеру сгорания. Процесс занимает до 5,5 раз скорость звука и высоту, на которой воздух становится слишком разреженным. Форсунки автоматически закрываются, и машина переходит в «ракетный» режим с водородным топливом и жидким кислородом.

Работа над Skylon ведется уже несколько лет. Первоначально первые испытания были объявлены после 2025 года. Однако в настоящее время мы слышим, что первые испытательные полеты могут состояться уже в 2019 году. Машина будет принимать на борт максимум около 24 пассажиров. Длина конструкции составит 85 м, а размах крыла — 25 м. Транспортное средство будет взлетать и приземляться горизонтально, как самолеты.

В свою очередь, китайские инженеры работают над ракетой с полезной нагрузкой до 200 кг, которую можно было бы запускать с транспортного самолета Y-20 — в полете, а не с Земли. Это был бы шанс для дешевого и быстрого размещения малых спутников на низкой околоземной орбите (НОО), а рынок этого вида услуг в последние годы развивается очень динамично. Ракета должна быть размещена в фюзеляже самолета и запущена при достижении определенной высоты. После выхода из машины срабатывает ракетный двигатель и начинается полет на НОО (низкую орбиту). По мнению китайцев, это сэкономит много времени, необходимого для подготовки взлета с наземного космодрома, а следовательно, удешевит каждую экспедицию.

Однако запуск на низкую орбиту — это совсем другая область, чем полет в дальний космос. И совсем другие проблемы. Межзвездные и межпланетные полеты будут в основном связаны с увеличением скорости. Однако в непосредственной близости от Земли самое главное — это минимально возможные затраты. Запуск и цена запуска остаются самым большим барьером для компаний и небольших стран, которые рассматривают возможность размещения мини-спутников на НОО.

Постоянно появляется много новых идей. Ходят разговоры, например, об использовании сверхбыстрых сверхзвуковых самолетов, ПВРД и ГПВРД, но это пока в основном теоретические концепции. На практике затраты снижаются за счет Азии — т.е. Китая или Индии, которые в начале 2017 года сделали упор на массовость и запустили рекордное количество 104 малых спутника одной ракетой.

Фильм-визуализация миссии Skylon:

Космический самолет SKYLON: анимация миссии