Марсіанський транспортний корабель з недавнього «Белорусіаніна» .За сценарієм фільму і по книзі - він забезпечений високо-іонними двигунами.

Нинішня ситуація з освоєнням космічного простору в чомусь схожа на середину XIX століття, коли випробувані і перевірені часом технології вітрильного флоту раптом виявилися не більше, ніж застарілими артефактами минулої епохи. Коли блискучий російський Чорноморський флот, ще недавно отримав перемогу над турками при Синопі, раптом виявився замкнений в гавані Севастополя з'єднаної ескадрою союзників, а чайні кліпери на «ревуть сорокових», «шалених п'ятдесятих» і «пронизливих шістдесятих» змінили верткі китобійні суденця, які брали перші парові двигуна.

Тоді виявилося, що питання сталості ходу і несхильність стихії для морського флоту постало набагато гостріше і більш актуальні, ніж варіант приборкання сили вітру і демонстрації рекордів швидкості останніми «Катті Сарк». Тихохідні і неповороткі, але незалежні від сили вітру пароплави всього лише за неповні півстоліття остаточно витіснили вітрильники на узбіччя морської справи, залишивши за ними роль навчальних судів і музеїв.

Це була одна з найбільш радикальних революцій в морській справі.
Наступний еволюційний крок, відмова від використання палива, як такого і перехід на ядерну енергію в морському флоті так і не відбувся: атомні реактори залишилися долею лише військово-морського флоту провідних світових держав і «фірмовим знаком» російського арктичного криголамного флоту.

Схожа ситуація зараз розгортається і в освоєнні космосу. «Гребти під вітрилами» хімічного палива далі у відкритий космос вже просто неможливо - але ось на що поміняти старі і перевірені хімічні ракети - як і раніше є питанням конструктурскіх робіт та інженерних вишукувань.

По-перше, треба сказати, чому людство настільки ніжно полюбило ракети з хімічним паливом.
Треба сказати, що це скоріше був «шлюб за розрахунком», ніж якийсь «любовний союз». Ракета з хімічним паливом і була, і є лише одним з небагатьох варіантів відірвати хоч щось від поверхні нашої Землі. Для ракет, що стартують з земної поверхні, суттєвою є гравітаційна перешкода, про неминучість якої я вже якось говорив .

Маса двигунів, про які я розповім далі по тексту статті, набагато більше підходять для умов космосу, але вони практично не приносять користі для старту з Землі - їх тяга набагато менше їх власної ваги, не кажучи вже про масу потрібного для них палива або вазі корисного навантаження. В результаті співвідношення реактивної тяги двигунів (T) до маси всієї ракети (W) у таких двигунів менше одиниці (T / W <1) і нічого підняти з поверхні Землі вони не можуть.

Стендові випробування двигуна J-2X, аналога двигуна J-2 місячної ракети «Сатурн-V». Саме цей двигун відправляв «Аполлон» у Місяці. Але це було, в общем-то, вимушене рішення.

Однак, в реальності фізики, хімії та матераловеденія досить складно побудувати двигун і з високою питомою тягою, і з високим питомим імпульсом.
І, якщо поняття «тяги» нам інтуїтивно зрозуміло (ну можеш підняти 200 кілограмову штангу - у тебе хороша «тяга», а не можеш - так, худоребрий. Загалом, все як у людей ), То поняття «питомої імпульсу» все ж краще пояснити.
Якщо тяга - це умовна «сила» двигуна, то питомий імпульс - це, скоріше, його «витривалість», тобто можливість досить довго повідомляти корисного навантаження додатковий імпульс на обмежених запасах палива.

Вимірюється питомий імпульс або в секундах (якщо використовувати «технічну» систему одиниць МКГСС) або в метрах в секунду (якщо використовувати «наукову» систему одиниць СІ).
Різниться і фізичний зміст «секунд» (як одиниць виміру часу) і «метрів в секунду» (як одиниць виміру швидкості), хоча він описує одні і ті ж параметри умовного реактивного двигуна, хоч і з різних сторін.

У разі висловлення питомої імпульсу двигуна в секундах виходить, що «питома імпульс - це кількість секунд, яке даний двигун пропрацює на 1 кілограмі палива, створюючи тягу в одну кілограм-силу» (МКГСС).
Якщо ж ви висловлюєте питома імпульс двигуна в метрах в секунду, то у вас виходить більш складний висновок, заснований на твердженні про те, що «питома імпульс - це відношення тяги двигуна в ньютонах до секундному витраті маси палива» (СІ).
В системі СІ розмірність ньютона виражається як кг-м / c2 і після скорочення з додатковими кг / c в знаменнику ви отримаєте розмірність швидкості - метри в секунду.
Цікаво, що вийшло в результаті значення швидкості для питомої імпульсу буде практично строго відповідати швидкості витікання продуктів згоряння з сопла будь-якого двигуна. Так, наприклад, питома імпульс сучасних рідинних реактивних двигунів (РРД), що становить близько 450 секунд, відповідає швидкості витікання робочого тіла (продуктів згоряння) в 4500 метрів в секунду.

Випробування водневої ЖРД. Швидкість витікання продуктів згоряння - близько 4500 м / c, питома імпульс - близько 450 секунд.

При цьому, що важливо, на відміну від виразу його в метрах в секунду, в разі завдання вами питомої імпульсу в секундах він ніяк не виявляється пов'язаний з фактичним часом роботи двигуна. Він лише показує питома витрата палива двигуном, який може працювати, залежно від наявності палива, як довше часу питомої імпульсу, так і менше його.

На перший погляд, швидкість витікання робочого тіла в 4500 метрів в секунду (13М) - це в тринадцять разів більше швидкості звуку на рівні моря (340 м / с). Величезна швидкість для нашого повсякденного сприйняття і саме тому все сопла ЖРД роблять розширюються, надзвуковими соплами Лаваля.

Вище швидкості витікання в парі «водень-кисень» отримували тільки на дуже екзотичної трійці «літій-водень-фтор» ще в 1968 році . Але прибавка до питомому імпульсу (542 секунди) і швидкості витікання (5 320 м / сек) на такому токсичному і вибухонебезпечному паливі була дуже незначною, в силу чого від використання трикомпонентної палива з фторової окислювачем в результаті відмовилися.

Ще більш «тупими» і «невинослівость» виявляються (у порівнянні з ЖРД) ракетні двигуни на твердому паливі (РДТТ). Ці вдосконалені порохові вертушки виявляються «спринтерами з коротким диханням» - більшість існуючих РДТТ мають питомий імпульс в районі 250-270 секунд, що відповідає швидкості витікання продуктів згоряння всього в 2500-2700 м / c. Зате РДТТ можуть забезпечувати величезну початкову тягу, в силу чого їх і використовують як стартові прискорювачі.

Наземні випробування стартового прискорювача «Спейс Шаттл». Полум'я хоч греблю гати, тяги - завались, а питомої імпульсу - чуть-чуть.

Але багато це чи мало - 4500 метрів в секунду або 450 секунд?
Навіть для старту з Землі на навколоземну орбіту з використанням одноступінчатого виведення (по-англійськи це називається SSTO - single stage to orbit) цього виявляється суто недостатньо. Доводиться робити різні багатоступінчасті схеми, в результаті чого сучасні ракети виводять на орбіту вантажі в складі двох, а іноді - і трьох ступенів.

При цьому всі нинішні ідеї «допив хімічний паровоз в стрімку сверхсветовое ракету» все одно впираються в обмеженість можливостей РДТТ і ЖРД і в горезвісну формулу Ціолковського, в яку питомий імпульс входить в якості множника:

Тут I - той самий питомий імпульс двигуна.
Оскільки він пов'язаний зі ставленням початкової (M1) і кінцевої (М2) мас літального апарату через натуральний логарифм, то виходить, що збільшення питомої імпульсу двигуна в 2 рази при заданої кінцевої швидкості зменшує в ті ж два рази натуральний логарифм відносини M1 до М2 або ж , щоб було зрозуміліше, змінює співвідношення M1 до М2 у вигляді другого ступеня (або квадратного кореня) від початкового їх співвідношення.
Оскільки задається залежність у нас статечна, відмінності по питомому імпульсу в 4 або 8 разів вже зададуть вищі ступені і коріння, в результаті чого співвідношення M1 до М2 для двигунів, що відрізняються по питомому імпульсу в 4 і в 8 разів, вже становитиме четверту або восьму ступінь оригінального співвідношення, відповідно.

Звідси, в общем-то, і мій обгрунтований скепсис щодо «стрибків коників».

Короткий опис маневрів ракет «Нью Шепард» і «Спейс Ікс». Помаранчевим кольором показані активні ділянки траєкторій, на яких ракети витрачають паливо і змінюють свою швидкість V за формулою Ціолковського.

Немає сенсу в твердженні про те, що «паливо для" Фалькона "коштує 2000 доларів за тонну». У той момент, коли воно бере участь в розрахунках за формулою Ціолковського - кожен його зайвий витрачений кілограм вже стоїть кілограма (не) виведеного корисного вантажу. Який той же «Спейс Ікс» продає мінімум за 6000 доларів. Але вже за кілограм.

В силу чого, як я вже неодноразово писав - справжній інженерний прорив станеться, якщо людство знайде альтернативу ЖРД і РДТТ сучасних хімічних ракет. Або у вигляді радикального прориву через набридливу атмосферу нашої матінки-Землі ( 1 , 2 ), Або при створенні якоїсь комбінації «зоопарку двигунів» на хімічному паливі, кожен з яких матиме найкращий питома імпульс для звий швидкості літального апарату ( 1 , 2 , 3 ), Або ж в радикальному ухилянні від хімічного палива при збереженні реактивного способу виведення вантажів на орбіту ( 1 ).

«Ядерний космоліт» МГ-19 - птах, який випередив свій час.

Поки ж ми щільно сидимо на хімічному паливі для ЖРД і РДТТ наших ракет - собівартість наших вантажів навіть на низькій навколоземній орбіті становитиме тисячі доларів за кожен кілограм вантажу.

Але якого роду двигуни нам потрібні, якщо ви зібралися летіти не просто на навколоземну орбіту, а до Марса або до Місяця? І якщо ми вже настільки високо цінуємо кожен кілограм вантажу на низькій навколоземній орбіті і слабо уявляємо собі варіанти виходу з цього порочного кола?

Відповім: нам потрібен двигун набагато більш високо-, ніж хімічні двигуни наших сучасних, «земних» ракет.
Ось вам приклад того, як натуральний логарифм в формулі Ціолковського впливає на співвідношення мас і на загальну масу майбутнього марсіанського корабля, в разі використання ним різних рухових систем:

Порівняння різних варіантів марсіанського транспортного корабля: на хімічному паливі, пара «водень-кисень» (5900 тонн, 460 секунд питомої імпульсу, 4600 м / с закінчення), ядерний твердотільний двигун (3500 тонн, 950 секунд питомої імпульсу, 9500 м / c закінчення ) і з електричним ракетним двигуном (250 тонн, 3000-10000 секунд питомої імпульсу, швидкість витікання 30-100 км / c).

Як ви бачите, варіант марсіанської епопеї на хімічному пальному практично нереальний: якщо прийняти як допущення, що важкі або 100% багаторазові ракети на хімічному паливі забезпечать нам собівартість вантажів на низькій навколоземній орбіті в 1000 доларів за кілограм, то 5900 тонн марсіанського корабля обійдуться Землі в 5,9 мільярда доларів тільки у вартості виведення на орбіту (без вартості самого корабля і НДДКР по ньому).
А виводити його треба буде доброю півсотнею запусків унікальних і надважких ракет.

Не сильно рятує ситуацію і міжпланетний корабель з твердотілим ЯРД, над розробкою якого вельми активно працювали США і СРСР в 1960-ті-1970-ті роки.
Отриманий тоді на американському проекті NERVA і у випробуваннях радянського РД-0410 питома імпульс в районі 850-950 секунд, звичайно, економить вагу марсіанського корабля, але все одно змушує думати мінімум про тридцяти запусках важких ракет носіїв і тривалої збірці корабля на орбіті.

І наостанок, вже розібрані мною різні концепції електричних ракетних двигунів з їх можливими імпульсами від 3000 до 30 000 секунд, все ж дають нам досить оптимізму в питанні майбутнього освоєння Сонячної системи. Та ні «П'ять з половиною днів до Плутона» , І не «Султан Демонов Азотот» з прямоточним термоядерним ракетним двигуном (ТЯРД), але все-таки - реальний корабель, масою всього лише в 250 тонн, який вже можна зібрати на орбіті Землі, навіть спираючись на наші недосконалі хімічні ракети, з потужними, але слабоімпульснимі ЖРД і РДТТ.

Вибір джерела енергії двигунів, між сонячними батареями і ядерним реактором для майбутнього марсіанського корабля - поки що відкрите. Але ось навіть до Юпітера вже, швидше за все, треба летіти з реактором на борту.

Яким з багатьох видів електричних ракетних двигунів буде забезпечений майбутній марсіанський транспортний корабель - поки що питання відкрите.
Якщо в якості джерела електроенергії на борту, в общем-то, є тільки дві можливості: сонячні батареї і ядерний реактор, то в якості двигунів можуть використовуватися дуже різні високо-електричні ракетні двигуни. Це і іонні двигуни, і плазмові (до яких відноситься і вже згаданий по посиланню VASIMR), і різні варіанти електростатичних або електротермічних двигунів.
Всі ці двигуни вже забезпечують питомий імпульс від 3 000 до 10 000 секунд, а деякі проекти обіцяють і 30 000 секунд питомої імпульсу, що відповідає швидкості витікання робочого тіла в божевільні 300 кілометрів на секунду.

У минулому році повідомлено , Що найпотужніші і Тяговооруженность на сьогоднішній день в сімействі електричних ракетних двигунів іонні двигуни перетнули межу в 10 000 секунд, показавши питомий імпульс в 14 600 секунд.
Невідомо, наскільки ресурсними виявилися ці двигуни, але, в будь-якому випадку, новини про вдосконаленні «іонніков» не можуть не радувати.

В іонному двигуні немає брутальності ЖРД або РДТТ, але з його зіниці на вас дивиться вся Сонячна система. НАША система.

Що приємно, успіхи в справі випробування іонних двигунів є і в Росії.

Про параметри цих виробів можна судити по публікації в журналі «Праці МАІ» (номер 60 за грудень 2012 рік), в якому були викладені деякі параметри як самих іонних двигунів, так і постачати їх перспективних космічних апаратів.

Описаний там іонний двигун ВЧІД-45 (який і був, швидше за все, випробуваний на полігоні КБХА) володіє наступними параметрами: номінальна потужністю 35 кВт, тяга 760 мН (0,076 кг) і питомим імпульсом до 7000 секунд (швидкість витікання іонів - 70 км / c).
У порівнянні з вже випробуваними в космосі іонними двигунами, ВЧІД десь на порядок потужніша - найпотужніший іонний двигун, що працював в космосі, мав тягу в 91 мН і був встановлений на американському дослідному зонді «Діп Спейс-1» (Deep Space-1 ).

Запланований ресурс двигуна був заявлений, як 50 000 годин, що і є головним проривом проекту: до сих пір іонні двигуни страждали від швидкої деградації прискорюють іони решіток і електродів, які просто «з'їдала» потоком, що набігає високоенергетичних іонів.

Живити іонні двигуни енергією повинна бортова ядерна енергетична установка (ЯЕУ) потужністю 1 МВт, яка зможе забезпечити електроенергією кластер з тридцяти таких двигунів.

У перспективі «Роскосмосом» рассмотриваются три варіанти буксирів, що постачаються іонними двигунами: «місячний вантажівка» з ядерною енергетичною установкою потужністю в 1МВт і марсіанські буксири для пілотованих місій з ЯЕУ потужністю в 2 і в 4 МВт.

У 2003-2005 роках НАСА розробляла корабель ЯЕУ і з іонними двигунами в рамках проекту «Прометей». Потужність бортовий ЯЕУ «Прометея» повинна була скласти 250 кВт. Неважко порахувати, що «місячний вантажівка» від «Роскосмосу» повинен бути, як мінімум, вчетверо потужніша.

«Місячний вантажівка» з ЯЕУ потужністю 1 МВт на платформі з чотирма кластерами по десять двигунів ВЧІД-45 в кожному (загальна массадвігательной установки при цьому становить 5.7 тонни) зможе забезпечити посадку на Місяць модуля масою в 25 тонн.
За час активного існування «місячний вантажівка» зможе здійснити мінімум п'ять транспортних операцій з перельотом з низькою геоцентрической орбіти (висотою в 800 км) на низьку селеноцентрическую орбіту (висотою в 100 км) із загальною вантажопідйомністю на низькій селеноцентрична орбіті в 128,5 тонни (маса «вантажівки», палива і корисного навантаження) і з витратою робочого тіла близько 10,8 тонн на кожен переліт туди і назад.

Для порівняння - при використанні класичної ракети на хімічному паливі (пара водоростей-кисень, ракета «Сатурн-V», програма «Аполлон») з низької навколоземної орбіти стартувала конструкція вагою в 145 тонн, на орбіту польоту до Місяця виводилося 46 тонн, місячний посадковий модуль важив 15 тонн, а повертається капсула «Аполлона» важила всього 5 тонн).

Для марсіанських версій буксирів поки що є тільки загальна оцінка: їх стартова маса повинна скласти близько 215 тонн, а час польоту туди і назад складе два з половиною роки.

У Публікації зазначилися, что двигун ВЧІД может буті смаштабірован и на інші номіналі, если є потреба в збільшенні тяги, если Кількість двигунів в кластері рухової установки винна буті зменшіть. Наприклад, двигун може бути розроблений на тих же принципах, якщо будуть потрібні рівні потужності на рівні 79 кВт або 105 кВт. В цьому випадку тяга двигуна становитиме 1.52 Н і 2.27 Н, відповідно. Питома імпульс може бути підвищений з 6880 с до 7120 с або 7320 с, а загальний ККД системи - з 78,6% до 81,3% або навіть 83.5%. Однак, вартості розробки і кваліфікації дослідних зразків при цьому зростуть приблизно пропорційно третього ступеня діаметра двигуна.

Загалом, все тільки починається ...

Горді вітрильники ще борознять простори наших «ревуть сорокових», але десь, в тиші кабінетів і лабораторій вже малюють креслення сталевих китобоїв з паровим двигуном, які дозволять майбутньому Ахава наздогнати свого Мобі Діка ...

джерело . Публікується з дозволу автора

Від редакції: судження ув. авторів в рубриці "Думки" можуть не збігатися з думкою редакції і не є рекомендацією до будь-яких дій.