Абсолютное большинство читателей канала, как и просто любителей космонавтики, знакомы с формулой Циолковского, определяющей максимальную конечную скорость одноступенчатой ракеты: эффективная скорость истечения рабочего тела (удельный импульс двигателя — отношение силы тяги к расходу рабочего тела), помноженная на натуральный логарифм отношения начальной и конечной масс ракеты.
Эта формула выведена Константином Эдуардовичем ещё в 1897 году — за 47 лет до того, как немецкая ракета ФАУ-2 пересекла линию Кармана, и за 64 года до первого полёта Юрия Гагарина в космос.
Если в двух словах, то эта формула позволяет вычислить, сколько потребуется топлива на старте, чтобы разогнать ракету до определённой скорости.
Благодаря ей и выяснилось, что для решения задач отправки полезной нагрузки в космос наиболее адекватным является создание многоступенчатых ракет-носителей. Правда, достичь скорости, превышающей удельный импульс более чем в четыре-пять раз оказалось невозможным.
Так или иначе, химические ракетные двигатели практически достигли предела своих оптимальных характеристик. Наиболее оптимальные реакции с использованием кислорода в качестве окислителя освоены давно: кислород-керосиновые и водород-кислородные двигатели уже много лет используются в космической технике. Вопросы лишь в качестве изготовления двигателей и управления реакцией горения.
Собственно, единственным способом повышения эффективности химических ракетных двигателей является увеличение скорости истечения рабочего тела, но на сегодняшний день исчерпаны практически все способы для этого.
При этом лучшие кислород-водородные ракетные двигатели только приближаются к отметке удельного импульса в 4500 м/с, тогда как, например, разрабатываемые ядерные ракетные двигатели (ЯРД) теоретически способны выдать импульс до 20 000 м/с.
Но, во первых, это пока только теория, так как разрабатываемым ЯРД далековато до практического применения, а, во-вторых, даже с такими показателями хотя бы до внешних планет Солнечной системы придётся лететь годы — о межзвёздных путешествиях нет и речи.
Так есть ли перспективы?
С одной стороны, можно сказать, что необходим серьёзный прогресс в фундаментальной физике и химии, чтобы говорить хотя бы о полноценном освоении Солнечной системы. С другой, есть вероятность, что мы далеки от использования 100% от возможных приложений уже существующих теорий.
Подумайте, что, если расходуется слишком много денег и, самое главное, времени на технологии, которые себя исчерпали или не позволят совершить достаточный технологический прорыв?
К последним лично я отношу ЯРД.
Может нам следует направить все внимание и ресурсы на создании термоядерного двигателя, теоретический удельный импульс которого (при реакции дейтерия и гелия-3) составляет 21,5 млн. м/с?
Вы только представьте! Речь об удельном импульсе в 7% от скорости света, что потенциально позволяет разогнать межзвёздный корабль до 25−30% от скорости света! Даже если заложить запас топлива на торможение, всё равно получается около 10-12% от скорости света.
Когда обсуждал это с коллегой, он справедливо заметил, что выходная мощность РД равна половине произведения его тяги на удельный импульс. Таким образом, при удельном импульсе 21,5 млн. м/с нужна либо какая-то фантастическая мощность, достижение которой выглядит маловероятным в ближайшее время, либо разгон будет составлять долгие годы.
Во-первых, понятная проблема — это хорошо! Так и реализуются технологические прорывы — путём решения проблем. Во-вторых, нам и не надо сразу к Альфе Центавра лететь. Снижаем импульс, скажем, до 150 000 м/с и этого с головой хватает для полноценного освоения Солнечной системы межпланетными кораблями, не предназначенными для входа в атмосферу. Вот вам и фантастика наяву!
Но это и правда пока что-то из разряда фантастики. Как минимум, гелий-3 ещё нужно добыть в нужном количестве.
Знаете ли вы другие альтернативы химическим ракетным двигателям? Как считаете, не пора ли бросить гораздо бо́льшие силы на развитие новейших технологий? Каких именно?
Чтобы не пропускать интересные обсуждения различных технологий, подписывайтесь на канал, а также на каналы в Telegram и ВК, ну и делитесь постом с друзьями, которым интересна эта тема.
