Современные космические аппараты выводятся на орбиту или отправляются к другим планетам с помощью химических двигателей, технология которых со времён первой немецкой ракеты "Фау-2" 40-х годов ничем не изменилась. Конечно, с такой технологией осваивать Солнечную систему, а в будущем дальний Космос просто бессмысленно. Какие перспективные двигатели заменят хоть и надёжную, но уже устаревшую технологию?
1. Коротко о химических двигателях
Другое название, жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Они работают по принципу отдачи или закона сохранения импульса. Смесь горючего с окислителем, чаще всего связка керосин-кислород, нагревается до высоких температур. Мощное пламя вырывается из сопла ракеты, придавая импульс ракете, направленный в противоположную сторону.
То есть создаётся тяга с постепенным увеличением скорости и быстрым расходом массы самой ракеты. Только чтобы вывести космический аппарат хотя бы на низкую околоземную орбиту, доставляется 4% всей ракеты, остальные 96% (топливо) сгорают. Очень низкий КПД.
2. Детонационные двигатели
Их ещё называют импульсными двигателями. Здесь уже более современный тип, модификация обычного химического двигателя. Топливо используется такое же, но вместо плавного горения происходят взрывные процессы паров керосина. Ударные волны вылетают из сопла ракеты со скоростью 2,5 км/сек, создавая тягу.
Эффективность импульсных двигателей по сравнению с химическими на 25% выше. В августе 2016 года российская НПО "Энергомаш" впервые успешно испытала импульсный двигатель на стенде. Но у таких двигателей присутствует значительный недостаток: если обычный химический двигатель спокойно отрывает с поверхности Земли ракету массой 200 тонн, то импульсный сможет максимум 4 тонны.
Импульсные двигатели полезны будут на самих космических аппаратах для коррекции направления к небесным объектам. Для освоения Космоса понадобится другой тип двигателя.
3. Ионные двигатели
В настоящее время, уже используются ионные двигатели на космических аппаратах: Артемис, Дон. Первый ионный двигатель запущен ещё в 1964 году на космическом советском аппарате "Зонд-2".
Принцип работы в следующем, вместо горючего используется инертный газ ксенон или аргон. В спецкамере газ ионизируется под воздействием электрического заряда солнечных батарей. Инертный газ вылетает через отверстия наружу с громадной скоростью 200 км/сек.
Минус по сравнению с химическими двигателями: создаваемая тяга в 100 тысяч раз ниже. Плюс: газ может расходоваться не 3 минуты, а 10 лет. Космический аппарат может годами ускоряться, достигая астероидов, планет и спутников.
Ионные двигатели полезны при смене траектории движения аппарата, при работе в межпланетном режиме. Только чем дальше от Солнца, тем солнечные батареи получают меньше энергии. Соответственно, путь к дальнему Космосу не представляется возможным.
4. Двигатели на ядерной энергодвигательной установке (ЯЭДУ)
Прорывная технология, в конструкции которой будут использоваться ядерный реактор, для преобразования тепловой энергии в электрическую, и ионные двигатели. Газ (ксенон) будет ионизироваться под воздействием образовавшейся электрической энергии от ядерного реактора.
В связи с этим отпадает потребность в солнечных батареях. Установка работает в автономном режиме ~ 10 лет. Чтобы добраться до Марса, достаточно 45 дней вместо 8-месячного полёта на обычном химическом двигателе. Теоретически корабль сможет разогнаться до 25%-й световой скорости, что доставит корабль до ближайшей звезды Альфа Центавра за 13 лет.
Запуск первого корабля состоится в ближайшие 10 лет.
5. Двигатели на антиматерии
Самые передовая технология. В 21 веке вряд ли появится. Смысл в следующем, в природе помимо частиц существуют античастицы. Например, для электрона позитрон, которые похожи, но отличаются зарядами. Если их соединить, то они аннигилируются (уничтожаются полностью), при этом выделяется максимально возможная энергия.
Соответственно, КПД на таких двигателях будет 100%. У двигателей такого типа 2 недостатка:
- самый дорогой материал: 1 грамм антиводорода стоит 62,5 триллиона долларов;
- энергия при вылете из сопла ракеты будет настолько высокой, что любая конструкция разлетится вдребезги.
Заключение
Будущее развития Космоса за ЯЭДУ. В России проект успешно развивается, но это тема отдельной статьи. Илон Маск планирует в 2031 году отправить первых людей на Марс на обычном химическом двигателе с полётом в один конец без возможности возвращения назад. Такая технология непродуктивна.
Понравилась статья, подписывайтесь на канал, ставьте лайк, делитесь информацией в социальных сетях. Дальше будет интереснее!