Космические двигатели будущего - Александр Дмитриев

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

Основные характеристики Тип траектории гомановская параболическая высокоэнергетическая Продолжительность перелета, лет 45,7 19,3 3 Характеристическая скорость, км/с 8,4 12,4 100 Отношение массы на орбите ИСЗ к массе КА для разных типов двигательных систем ЖРД (водород + фтор) 7,5 18 – твердофазный ядерный двигатель 2,7 4,1 – лазерный vистечения = 20 км/с 1,5 1,9 450 термоядерный на микровзрывах – – 3

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

Примечания

1

Следует отметить, что уже программа достижения человеком Луны обошлась примерно в 24 млрд. долл. Стоимость же программы марсианской экспедиции оценивается в 70–80 млрд. долл.

2

Конечно, если бы на Луне были запасы ракетных топлив, то заправка ими пустых баков дала бы еще больший выигрыш в полезном грузе. Но такая дозаправка эквивалентна увеличению бортового запаса энергии, и поэтому приведенные соображения относительно оптимальной скорости истечения будут неприменимы.

3

В ракетной технике для характеристики двигателей вместо скорости истечения часто пользуются другим эквивалентным ей понятием — удельной тягой (удельным импульсом), которая численно равна скорости истечения, деленной на ускорение свободного падения (9,81 м/с2), и соответственно измеряется в секундах. Удельная тяга соответствует тяге, создаваемой в результате расхода рабочего тела массой 1 кг в 1 с. В дальнейшем мы, наряду со скоростью истечения, также будем пользоваться и этим понятием. Значения удельных тяг для некоторых рабочих тел были приведены в табл. 1.

4

Возможны промежуточные решения, когда основная масса урана находится в твердом состоянии, а лишь небольшая его часть — в газообразной фазе. Но тогда трудно получить высокую температуру рабочего тела, так как большая часть энергии будет выделяться при относительно низкой температуре.

5

В самолетных ВРД зависимость тяги от скорости в действительности более сложная. Вначале она растет за счет увеличения КПД теплового цикла, так как при увеличении скоростного напора увеличивается степень сжатия. Однако, начиная с некоторого значения скорости, она становится меньше.