В первой части мы разобрали жидкостные ракетные двигатели. Они единственные из двигателей что на данном уровне развития космической техники позволяют организовать грузопоток Земля (планета)-орбита.
Но для перемещения грузов и людей между планетами ЖРД подходят плохо. Проблема в малом удельном импульсе этих двигателей. Самые продвинутые из них, кислородно-водородные обеспечивают УИ в районе 428 с. А это приводит к очень большому расходу рабочего тела (у ЖРД рабочее тело это топливо). К тому же, топливную пару «жидкие кислород+водород» довольно проблематично хранить длительное время из за ее криогенности.
Поэтому ближайшее будущее межпланетных перелетов будет за электрореактивными двигателями. Под этим термином скрывается большой класс реактивных двигателей, но в данное время практическое применение нашли разнообразные варианты ионных двигателей.
Общим достоинством всех электроракетных двигателей является высокий удельный импульс (в десятки а в перспективе и в сотни раз выше чем у ЖРД) и практически неограниченное время работы, а недостатками — малая тяга (у лучших экспериментальных образцов — сотни грамм) и зависимость от внешнего источника энергии.
Однако даже малой тяги хватит для выполнения межорбитальных перелетов, при условии что двигатель будет работать длительное время.
В настоящее время наиболее часто используются ионные двигатели на основе эффекта Холла, они же стационарные плазменные двигатели (СПД).
Сейчас они используются в качестве двигателей коррекции орбиты и управления ориентацией на спутниках. Рабочим телом в современных СПД является ксенон, а питание они получают от солнечных батарей.
И да, Россия очень даже может в электроракетные двигатели. СПД нашего производства широко применяются на спутниках разных стран.
Кроме того используются и «классические» электростатические ионные двигатели. Такой двигатель был установлен на зондах Deep Space 1 и Dawn, обеспечив последнему рекордное приращение скорости около 10 км/с при расходе около 400 кг ксенона.
Ну и наконец, в разработке находятся перспективный двигатель на основе электромагнитного ускорителя или VASIMR. В нем газ ионизируется СВЧ антенной а разгоняется электромагнитными катушками.
Этот тип двигателя способен менять тягу и удельный импульс в широких пределах.Да и мощность его гораздо выше чем у существующих ионных двигателей.
Однако, при использовании электроракетной тяги встает вопрос — где взять электрическую энергию для работы мощных ионных двигателей?
На данный момент космические аппараты с ЭРД получают питание от сравнительно небольших панелей солнечных батарей. Для задач коррекции орбиты этого хватает.
Но бесконечно наращивать площадь солнечных батарей нельзя — растет масса конструкции, да и на низких орбитах огромные солнечные батареи будут создавать значительное аэродинамическое сопротивление.
Поэтому лучшим вариантом источника энергии будет ядерный реактор. У человечества есть опыт использования ядерных реакторов на орбите, однако это были маломощные реакторы (несколько киловатт), энергию с которых снимали при помощи термоэлектропреобразователей.
Для мощностей в несколько мегаватт нужны более традиционные методы генерации энергии при помощи газовых турбин. И сейчас активно ведутся (прежде всего в России) разработки в области создания таких реакторов.
Еще можно добавить в этот список такой интересный тип двигателя как ядерный реактивный двигатель (ЯРД).
Этот двигатель в космос никогда не летал, но на земле успешно испытывался, причем как в США так и в СССР.
В самом простом исполнении (твердофазный ЯРД) двигатель представляет собой обычный ядерный реактор, через активную зону которого пропускается рабочее тело. Оно разогревается до температур порядка 2500-3000 градусов и истекает через сопло, создавая реактивную тягу.
Преимуществом таких двигателей является относительная простота конструкции (по сравнению с парой ядерный реактор+ЭРД) и способность работать практически на любом жидком или газообразном рабочем теле (включая воду). Также, тяга их достаточно велика (у экспериментальных моделей около 2 тонн, что сравнимо с массой самого двигателя).
Недостатками твердофазных ЯРД являются сравнительно небольшой УИ (около 800с, что в два раза выше УИ лучших ЖРД). Чтобы его повысить, нужно повышать температуру внутри реактора, а это влечет за собой переход на газообразное или жидкое состояние ядерного топлива, что технически очень сложно реализовать.
Второй недостаток — радиоактивное заражение окружающего пространства, что затрудняет использование двигателя на низких орбитах Земли. Собственно, из за этого и свернули работы по проектам ЯРД.
Ну и чернобыльская ядерная истерия забила последний гвоздь в крышки данных проектов. А реактор КИВИ один раз взорвался, устроив мини-Чернобыль в месте испытаний. К счастью, активность разлетевшихся ТВЭЛов была не столь высока как в Чернобыле и все собрали без особых эксцессов.