Космические двигатели будущего

О ПРАВЕ РОДИТЬСЯ И ВЫЖИТЬ

Путь к реализации новых типов двигательных систем долог и труден, и создаются они, как правило, лишь в том случае, когда их преимущества по отношению к существующим выражаются не в единицах процентов, а существенно меняют ситуацию. Либо при этом кардинально улучшаются экономические показатели транспортных операций, либо они позволяют решить задачи, которые не решаются уже имеющимися средствами.

Каковы же возможности различных двигательных систем при решении проблем, наиболее остро стоящих перед космонавтикой?

Организация больших грузопотоков с поверхности Земли на низкие орбиты. Задача решается только с применением двигателей большой тяги, поэтому целесообразно рассматривать такие средства ее решения, как химические двигатели, тепловые ядерные и термоядерные и двигатели большой тяги с дистанционной передачей энергии. Из указанных двигателей основная роль в решении задачи вывода на низкую орбиту принадлежит и долгое время будет принадлежать химическим двигателям. По энергетическим и тяговым характеристикам для решения этой задачи подходят газофазные ядерные двигатели и термоядерные двигатели, однако опасность радиоактивного заражения атмосферы при этом слишком велика.

Вообще следует отметить, что по мере интенсификации грузопотоков с поверхности Земли на низкие орбиты вопросы минимизации воздействия на природные процессы со стороны средств выведения будут приобретать все большее значение. При достаточно низкой интенсивности пусков и относительной «маломощности» средств выведения естественные процессы в атмосфере и ионосфере в состоянии компенсировать локальные возмущения параметров, образующиеся при пусках ракет. В качестве примера можно привести процесс затягивания «окна», возникающего в слое озона при взаимодействии последнего с факелом ракеты. Однако компенсирующие возможности природной среды не безграничны, и с этим нельзя не считаться.

Требование минимального воздействия на природные процессы, видимо, послужит дополнительным стимулом для создания средств выведения, использующих внешние источники энергии. В силу того, что в двигателях с внешними источниками энергии (в частности, с лазерными источниками) в качестве рабочего тела могут применяться самые различные вещества, появляется возможность выбора рабочего тела с минимальным влиянием на природные процессы.

Другой привлекательной стороной использования двигателей с внешними источниками в средствах выведения на орбиту является то обстоятельство, что наиболее сложная часть оборудования (источник энергии и лазерный передатчик) находится вне аппарата, не подвергается воздействиям, характерным для этапа выведения (перегрузки, вибрации и т. д.), и доступна для обслуживания и ремонта. Наконец, такая система выведения является системой многократного пользования (во всяком случае в смысле использования оборудования наземной части системы), что очень важно для организации интенсивных грузопотоков.

По этим причинам двигатели, использующие энергию лазеров, расположенных на Земле или околоземной орбите, в перспективе составят серьезную конкуренцию традиционному способу выведения, особенно в задачах массового вывода относительно небольших грузов. Появление таких систем следует ожидать в начале следующего века, тогда же, когда предполагается реализовать первые ССЭ, имеющие промышленное значение.

Транспортировка крупногабаритных грузов с низких орбит на высокие и обратно, транспортировка аналогичных грузов с орбиты Земли к Луне. В отличие от вывода грузов на низкую орбиту эта операция может производиться двигателями как большой, так и малой тяги. При использовании двигателей большой тяги аппарат достигает высокой орбиты или окрестностей Луны значительно быстрее, чем при использовании двигателей малой тяги (единицы и десятки килограммсилы). Однако доля полезного груза, доставленного на высокую орбиту, зависит от скорости истечения рабочего тела, и здесь двигатели малой тяги могут иметь преимущества по сравнению с некоторыми типами двигателей большой тяги.

В частности, сравнительный анализ возможностей решения этой задачи с помощью ЖРД и электрореактивных двигателей с ядерными энергоустановками показывает, что если в первом случае доля груза, доставляемого с низкой орбиты на стационарную, составляет около 30 %, то во втором — 60–65 %. Это обстоятельство может иметь решающее значение при выборе средств доставки для транспортировки крупногабаритных грузов, когда определяющим фактором является количество груза, транспортируемого за один перелет, а не продолжительность последнего.

Использование двигателей малой тяги имеет особенность, которая для ряда транспортируемых грузов может оказаться большим преимуществом: малые тяги создают и малые перегрузки. В связи с этим появляется возможность собирать крупногабаритные конструкции на низкой орбите и перемещать их затем на высокие, не предъявляя к созданной таким образом конструкции жесткие требования по перегрузкам, характерные при использовании двигателей большой тяги.

В ближайшие два десятилетия, видимо, только ЖРД и электрореактивные двигатели с солнечными батареями или ядерными энергоустановками будут использоваться для рассматриваемой операции.

В перспективе для целей транспортировки и пределах радиуса орбиты Луны могут быть использованы (и достаточно эффективно) двигатели с внешними искусственными источниками энергии. Так, луч лазера может применяться в качестве источника энергии для тех же электрореактивных двигателей, но, конечно, значительно эффективнее использовать его энергию непосредственно для ускорения рабочего тела

Естественный вопрос, который возникает при обсуждении проблемы использования лазерных двигателей на расстояниях до 300 тыс. км: каковы должны быть параметры установки, осуществляющей формирование луча, переносящего электромагнитную энергию на такое расстояние без значительных потерь?

Расчеты показывают, что при расстояниях 300 тыс. км необходимо иметь на аппарате и на энергетической станции антенны размером 30–40 м. Причем точность изготовления поверхности у этих антенн должна выдерживаться до 0,1 мкм. Отсюда ясно, что использовать получаемую таким способом энергию для создания большой тяги чрезвычайно сложно. С другой стороны, передавать по такому уникальному каналу относительно небольшие мощности (до нескольких мегаватт) вряд ли целесообразно хотя бы по той причине, что вместо приемной антенны на аппарате выгоднее поместить солнечную батарею.

Тем не менее, видимо, существуют варианты применения двигательных систем с использованием лазерного излучения для высокоорбитальных транспортных операций и транспортировки грузов к Луне, оправданные как с технической, так и с экономической точки зрения. На этом пути имеются технические трудности и проблемы, но они представляются вполне преодолимыми в рамках разумной экстраполяции современной технологии.

Пилотируемые межпланетные перелеты. Многочисленные полеты автоматических станций к Венере, Марсу и дальним планетам Солнечной системы создали впечатление, что это задача скорее сегодняшнего, чем завтрашнего дня. Во всяком случае, пилотируемые полеты к Марсу и Венере давно перестали быть объектом научно-фантастической литературы. Вместе с тем возможное решение этих задач в рамках современной технологии, т. е. с использованием только ЖРД, представляется крайне громоздким и чрезвычайна дорогим. Один из самых «скромных» вариантов экспедиции на Марс предусматривает при полезной нагрузке межпланетного корабля 50 т выведение на низкую орбиту элементов конструкции корабля и топлива общей массой 500–700 т пятью — семью пусками ракет типа «Сатурн-5».

Но пугает не сама начальная масса, а необходимость проведения большого объема сложных монтажных работ в космосе. Выведение же совокупного полезного груза массой 500 — 1000 т, как уже отмечалось, будет ординарной задачей для ведущих космических держав уже к концу 80-х годов. Следует отметить, что для решения задачи полета к Марсу с помощью электрореактивных двигателей малой тяги и ЯЭУ или при использовании твердофазного ядерного реактора со скоростью истечения около 9 км/с общая выводимая на опорную орбиту масса составит 150–200 т. Продолжительность марсианской экспедиции во всех случаях примерно одинакова — 2 года 8 месяцев.

Уменьшение продолжительности экспедиции в 2 раза потребует увеличения энергетических затрат на порядок. В то же время уменьшение срока экспедиций к планетам весьма желательно. Здесь открываются широкие перспективы перед двигателями с высокими энергетическими показателями, в частности, газофазными ядерными двигателями, термоядерными и импульсными термоядерными двигателями. Нетрудно видеть, что речь здесь идет о двигателях, проблема создания которых на грани современных технологических возможностей. В связи с этим, во всяком случае на первых этапах пилотируемых межпланетных полетов, значительный выигрыш может быть достигнут за счет применения двигателей с использованием внешних источников электромагнитного излучения в качестве двигателей большой тяги при старте с орбиты ИСЗ.

Сравнительные характеристики различных типов двигателей для марсианской экспедиции приведены в табл. 2.

Таблица 2

Экспедиции на Марс

Реальны ли полеты к звездам? По современным представлениям, для межзвездных перелетов наиболее подходящими являются фотонные двигатели, в которых используется реакция аннигиляции вещества с антивеществом. Однако решение проблемы создания таких двигателей, равно как и проблемы получения топлива к ним, настолько далеко от возможностей современной технологии, что рецепт оказывается явно бессодержательным.

Группа английских исследователей предприняла попытку проанализировать проблему пилотируемых полетов к ближайшим звездам (Проксима Центавра, α Центавра, звезда Бернарда), основываясь на не слишком далекой экстраполяции современных технологических возможностей. Из систем, возможных с точки зрения современной технологии, рассматривались электрореактивная с ядерной энергетической установкой, системы разгона с лучевой энергией от лазера с космическим базированием, системы типа «солнечный парус», ядерные двигатели большой тяги. Как оказалось, перечисленные типы двигателей по разным причинам не могут решить задачу, и вот почему.

Электрореактивный двигатель с ядерной энергетической установкой дает слишком малый темп набора скорости, что приводит к большой длительности путешествия. Системы разгона с лучевой энергией от лазера с космическим базированием и системы типа «солнечный парус» имеют меньшую массу по сравнению с ядерно-электрической системой, но доля преобразуемой энергии (в кинетическую энергию движения космического аппарата) настолько мала, что также требуется длительное время разгона. Ядерные двигатели большой тяги типа теплового ядерного двигателя «Нерва» могут обеспечить требуемое ускорение. Однако скорости истечения, достижимые с помощью таких систем, порядка 10 км/с, а это означает, что потребуется очень большое отношение масс для достижения необходимой конечной скорости. Количество топлива, необходимое во всех таких системах, делает их нереализуемыми.

Наиболее близкой к реализации двигательной системой, пригодной для полета к звездам, авторы считают термоядерный двигатель на микровзрывах с инициированием реакции электронным ускорителем, описанный ранее. Однако выводы авторов не являются бесспорными. Дело здесь как в возможностях реализации предложенной схемы, так и в наличии конкурирующих схем.

Чтобы яснее представить себе, какой скачок в характеристиках двигателей должен произойти, чтобы межзвездные перелеты стали возможными, достаточно взглянуть на табл. 3, где приведены данные, относящиеся к полетам от Земли к самой далекой планете Солнечной системы — Плутону.

Таблица 3

Полеты к Плутону

Эта задача намного проще, чем полет к звездам. Достаточно сравнить расстояния, которые необходимо преодолеть в том и другом случаях. Расстояние до Плутона солнечный свет, распространяясь со скоростью около 300 000 км/с, проходит за 5 ч, в то время как до ближайших звезд (α Центавра) — за 4,3 года. Тем не менее прямые (т. е. без использования пертурбационных маневров) полеты к Плутону можно совершить за разумное время, если только двигатели будут иметь параметры, реализация которых связывается с созданием термоядерных двигателей. Даже характеристик газофазных ядерных двигателей для выполнения этой задачи оказывается недостаточно.

По сути дела, только с появлением таких двигателей, как термоядерные, можно будет серьезно заниматься пилотируемыми полетами в пределах всей Солнечной системы. Пока же можно считать более или менее освоенными только двигательные средства, обеспечивающие пилотируемые орбитальные полеты. Поэтому несмотря на все громадные успехи, уже достигнутые космонавтикой, потребуется революция (и, возможно, не одна) в технике космического двигателестроения, чтобы пилотируемые полеты сначала к дальним планетам, а затем и за пределы Солнечной системы стали реальностью.

4-я стр. обложки