12 апреля 1943 года была основана секретная лаборатория №2 — будущий НИЦ «Курчатовский институт». Именно с этого дня началась реализация легендарного советского атомного проекта, который поднял развитие космической отрасли в нашей стране на принципиально новый уровень. Поздравляем Курчатовский институт с юбилеем и рассказываем о том, какой сложный и невероятный путь проделали люди, чтобы сегодня мы могли отмечать ещё один праздник — День космонавтики.
Преодолевая гравитацию
Вывести спутник на околоземную орбиту или отправиться в путешествие к далёким звёздам и планетам — всё это стало реальностью в середине прошлого столетия. Среди большого количества задач, которые потребовалось решить для полёта в космос, основной было преодоление гравитации Земли. Чтобы вывести на орбиту полезный груз, нужен реактивный двигатель. Принцип его работы основан на законе сохранения импульса: истекая с большой скоростью, струя рабочего тела двигателя создаёт силу тяги и обеспечивает движение ракеты в противоположном направлении. Разогнать рабочее тело возможно при помощи превращения разных типов энергии — химической, ядерной, электрической — в кинетическую энергию струи.
Например, работа жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей (ЖРД и ТРД) основывается на высвобождении химической энергии топлива при его сгорании: теплота, выделяющаяся в химических реакциях, приводит к нагреву рабочего тела до высоких температур и создаёт реактивную струю газа. Ракета-носитель «Восток», на которой отправился в космос Юрий Гагарин, или корабль Crew Dragon используют именно такой тип двигателей. Эффективность двигателя зависит от соотношения его тяги к расходу топлива, который её обеспечивает. Это соотношение называется удельным импульсом двигателя. Удельный импульс ЖРД довольно скромный и не позволяет выводить на орбиту большую полезную массу. Дальние космические перелёты едва ли доступны для кораблей с такими двигателями — в силу ограниченности запаса топлива, который можно взять с собой.
Повышая эффективность
В 1950-х годах наши выдающиеся учёные и конструкторы — Мстислав Келдыш, Игорь Курчатов, Сергей Королёв, Валентин Глушко и Анатолий Александров — приступили к разработке ядерных ракетных двигателей (ЯРД), например РД-0410.
В них рабочее тело двигателя разогревается тепловой энергией, выделяющейся в ядерной реакции. Получается, что двигателям такого типа не нужен окислитель для реакций горения, поэтому ЯРД эффективнее ЖРД по удельному импульсу. Однако двигатель такой конструкции остаётся классической тепловой машиной. У сотрудников Института атомной энергии им. И.В. Курчатова (ИАЭ) со временем появились более интересные идеи.
Разогнать рабочее тело двигателя можно и при помощи электрических ракетных двигателей (ЭРД). Принцип их работы основан на ускорении заряженных частиц в электрических полях. Например, в ЭРД ионного типа инертный газ ионизируется, его ионы разгоняются в электростатическом поле и создают тягу. Такой принцип применялся в двигателе «Зефир», который был разработан Павлом Морозовым и построен силами ИАЭ им. И.В. Курчатова и ОКБ «Заря». «Зефир» был установлен на спутнике «Метеор-10» в 1971 году. Сейчас подобные типы двигателей имеют наиболее высокие достигнутые параметры удельного импульса и используются, в частности, на кораблях Deep Space-1 и Dawn.
Если степень ионизации вещества превышает 95% (для этого рабочее тело нужно сильно разогреть), его называют плазмой, а двигатели, которые используют тягу потока плазмы (в десятки раз большую, чем у ионных), — плазменными. Для питания такого двигателя, то есть для создания плазмы, нужна очень большая мощность, которую во времена первых разработок обеспечить не могли. Сотрудник института атомной энергии им. И.В. Курчатова Алексей Морозов решил проблему, предложив конструкцию стационарного плазменного двигателя (СПД). Изобретатель разработал способ создания объёмного электрического поля в двигателе. Первые СПД — ЭОЛ-1 — были опробованы на том же спутнике «Метеор-10» и положили начало развитию стационарных плазменных двигателей в нашей стране.
У электрических ракетных двигателей есть и важный недостаток: атмосфера замедляет ионы, создающие тягу, поэтому использовать такие двигатели можно только в космосе. Однако их удельный импульс намного больше, чем у классических ЖРД.
Раскрывая паруса
А что если объединить преимущества разных технологий? В 1987 году был предложен концепт межпланетного корабля, в котором два ионных электрических ракетных двигателя питались бы за счёт ядерного реактора. Разработки такой системы возобновлены в наше время: тестовые лётные испытания ядерного буксира «Зевс» с двигателями ИД-500 запланированы на 2030-й год.
Толкать космический корабль можно и внешним давлением. Например, давлением электромагнитного излучения — такая концепция называется «солнечный парус». По аналогии с парусами на морских кораблях, «ловящими» ветер, космический ловил бы свет звёзд или лазеров. Такие системы сегодня тестируются («Космос-1», IKAROS, LightSail 1 и 2), но пока они малоэффективны: давление света уменьшается по мере удаления от источника, поэтому солнечный парус должен иметь очень большую площадь. Отдельный вопрос — разработка материала для таких парусов.
Ловить можно не только свет, но и солнечный ветер — поток заряженных частиц, излучаемых Солнцем или другой звездой. Такие двигатели называют электрическими парусами. Их концепцию предложил финский учёный Пекка Янхунен в 2006 году, а в 2013-м состоялся запуск тестового экземпляра спутника ESTCube-1, оснащённого подобным парусом.
Благодаря развитию науки и техники человечество прошло путь от мечты об освоении космоса до посадки роботов-исследователей на Марс и отправки зондов в межзвёздное пространство. Остаётся только предполагать, сколько новых открытий принесут нам следующие десятилетия в космосе.
