Пламенные и ледяные моторы спутников
Привет, с вами lozga в несколько непривычной роли автора поста корпоративного блога. В январе в челябинской Точке кипения прошла олимпиада «Астероидная безопасность», в рамках которой спутникостроители и преподаватели Южно-Уральского государственного университета Валерий Богданов и Руслан Пешков прочитали лекцию для школьников о двигателях для космических аппаратов. Этот материал – развернутая обработка лекции и моей беседы с ними.
Двигатель ориентации на топливной паре метан-кислород, фото NASA/John H. Glenn Research Center
Богатство выбора
Первые письменные свидетельства создания ракет относятся к 13 веку. Только четыре века спустя, спасибо Ньютону, человечество поняло, как они работают. Подсказка: ракета не «отталкивается» – в вакууме отталкиваться не от чего, а разгоняется в одну сторону за счет выброса вещества в противоположную. А в 20 веке люди, создав спутники, придумали и множество вариантов их движения, причем есть даже такие, которые работают не на выбросе массы. Основные виды спутниковых двигателей можно классифицировать так:
Как это часто бывает, в нашем мире, нет «идеального» двигателя для всех случаев, и задача «выбрать двигатель для космического аппарата» может иметь множество самых разных условий, делая какие-то варианты неприемлемыми или неэффективными. А для того, чтобы иметь возможность сравнивать что бы то ни было, нам нужно прежде всего найти критерии, по которым мы будем сравнивать. Для двигателей можно выделить удельный импульс и тягу.
Удельный импульс – мера эффективности двигателя. По определению, это время, в течение которого двигатель может развивать тягу, затратив 1 кг топлива. Если мы измеряем тягу двигателя в килограммах (точнее, килограмм-силах), то удельный импульс будет измеряться в секундах, а если тяга измеряется в Ньютонах, то единицей измерения будет метр в секунду. Из секунд в метры в секунду и обратно величину удельного импульса можно пересчитать, умножив или разделив на ускорение свободного падения. Смысл изменения в метрах в секунду можно легче понять, если представить его как скорость истекающего из двигателя вещества на срезе сопла. Очевидно, что чем больше величина удельного импульса, тем более эффективным будет двигатель.
Тяга, по сути, является служебным параметром или даже ограничением. Очень эффективные двигатели, которые, однако, развивают маленькую тягу, не получится применить в ситуации, когда нужно произвести маневр, требующий большого изменения скорости и не может быть растянут во времени (или разделен на много включений двигателя).
Сочетание обеих величин позволяет нам построить график наиболее подходящих в каждом случае двигателей.
Источник: Реактивные системы управления космических летательных аппаратов, Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. — М.: Машиностроение, 1979.
Двигатели на холодном газе
Если вы интересовались историей космонавтики, то знаете, что газовые двигатели ориентировали «Луну-3» и «Восток» Гагарина. Сейчас, когда спутники отказываются от химических двигателей и переходят на электрореактивные, газовые двигатели из-за слабой тяги и низкого удельного импульса могут показаться архаизмом, однако, это не так. До сих пор в космос отправляются конструкции, которым вроде бы устаревшие двигатели подходят лучше других. Прежде всего, сжатый газ не токсичен и прекрасно подходит для «ракетных ранцев» космонавтов – возможная утечка не отравит экипаж, а осевший на скафандре выхлоп не придется дезактивировать.
Брюс Маккэндлесс испытывает установку MMU в 1984 году, фото NASA
Конструкция двигательной системы на холодном газе проста и надежна, кроме баллонов, электроклапанов и трубопроводов, считай, ничего не нужно. Если вам хватит небольших запасов характеристической скорости (delta-V), то эта конструкция будет и легче более сложных альтернатив. Газовые двигатели ориентации обладают отличной динамикой – клапаны очень быстрые (время реакции до 20 миллисекунд) и не нуждаются, скажем, в предварительном прогреве катализатора. Благодаря этим достоинствам они прекрасно подходят для точных систем ориентации малой тяги, поэтому, например, телескоп Gaia отправился в полет именно с газовыми двигателями ориентации. У аппарата LISA Pathfinder, сделанного для проверки возможности работы гравитационной обсерватории в космосе и нуждающегося в очень точном перемещении, два варианта двигателей – на холодном газе и электрические с полевой эмиссией, в полете они были успешно испытаны как вместе, так и по отдельности.
Схема двигателя на холодном газе. Красное – область высокого давления газа, синее – низкого
Но, конечно, большой тяги или большого изменения скорости на газовых двигателях не получить – удельный импульс сжатого азота не больше 80 секунд, к тому же он падает с уменьшением давления в баке. У сжатого водорода удельный импульс больше 270 секунд, но из-за низкой плотности тяга получается нерационально маленькой.
Сублимационные двигатели
На схеме в левом нижнем углу есть выступающие в качестве рабочего тела сублимирующиеся вещества. То есть в баке находится твердое тело, которое при нагреве сразу переходит в газ, минуя жидкое состояние. В быту вы могли встречать «сухой лед» – замороженный до твердого состояния углекислый газ. Из-за того, что двигатели на сжатом газе могут предложить большие и тягу и удельный импульс, они фактически вытеснили сублимационные двигатели. Но концепция не заброшена совсем – исследование NASA, выполненное в начале десятых, считает подобные двигатели перспективными при условии, что рабочее тело добывается на месте. Лед из углекислоты на Марсе, метан и угарный газ во внешней Солнечной системе, летучие вещества астероидов и комет – все это теоретически можно использовать как добываемое на месте топливо.
/>
Концепт аппарата, отклоняющего комету от опасного курса и использующего в качестве рабочего тела местные ресурсы, иллюстрация NASA
Однокомпонентные двигатели
Это не пожар на борту, а штатный сброс перекиси водорода, использующейся в системе ориентации, посадка «Союза МС-02», фото NASA/Bill Ingals
Есть вещества, которые в определенных условиях разлагаются с выделением тепла, а продукты разложения хорошо подходят для того, чтобы направить их в сопло Лаваля и получить тягу. Конструкция все еще простая, остается только одна линия подачи топлива, нет проблем смешивания компонентов в камере сгорания, температуры не требуют сложного охлаждения, а вот удельный импульс уже повыше, чем у двигателей на холодном газе.
Схема однокомпонентного двигателя
Способность концентрированной перекиси водорода разлагаться на катализаторе из простого железа на воду и кислород с обильным выделением тепла сделала ее популярным видом однокомпонентного топлива еще на заре космонавтики – привод турбонасоса двигателей первой и второй ступеней ракет семейства «Р-7» с 1957 года и до сих пор работает на разложении перекиси. На ней работали двигатели ориентации первых версий корабля «Союз», и до сих пор она применяется для ориентации спускаемого аппарата. Концентрированная перекись не токсична, но вызывает ожоги при попадании на кожу и взрывоопасна при загрязнении магистралей. А еще ее не получится хранить годами и десятилетиями. Удельный импульс сравнительно небольшой, в районе 150 секунд. Из-за двух последних свойств перекись сейчас используется редко.
Гидразиновый двигатель тягой 1 Ньютон, производимый компанией Arianespace
Гидразин разлагается в присутствии подогретого до 200-300°С катализатора. Из-за необходимости предварительного прогрева у двигателя падает динамика, гидразин очень токсичен, но, благодаря самому высокому удельному импульсу 230-240 секунд и возможности длительного хранения, он остается популярным вариантом для однокомпонентного двигателя.
Закись азота тоже способна к разложению в присутствии катализатора, но при более высоких температурах, что усложняет конструкцию двигателя. Зато она хороша тем, что не токсична, не удушлива, не вызывает ожоги, не взрывоопасна, не вызывает коррозию и может очень долго храниться. В Стэнфордском университете были успешно испытаны двигатели на закиси азота тягой до 2 Ньютонов, работавшие без разрушения катализатора больше часа при температуре до 1225°С. Рабочая температура может быть и меньше, в статье университета Суррея (Великобритания) показано, что при температуре 520°C закись азота разлагается без катализаторов, что позволяет создать двигатели на самоподдерживающемся разложении. К сожалению, удельный импульс закиси азота невысок, до 170 секунд.
Каталитическая камера экспериментального двигателя на закиси азота, фото Стэнфордского университета
Токсичность гидразина приводит к исследованию более экзотических вариантов, например, динитрамида аммония (ADN) или нитрата гидроксиламмония (HAN). Обладая даже чуть большим, чем у гидразина, удельным импульсом, эти химические соединения гораздо менее токсичны, но требуют высоких температур в каталитической камере.
Гидразиновая классика
Космический аппарат должен работать долго, поэтому топливо для него должно иметь возможность храниться годами. И если нужны большая тяга и достаточно большой удельный импульс, то наиболее освоенным и привычным вариантом будет двухкомпонентный двигатель на несимметричном диметилгидразине (как вариант, монометилгидразине или смеси с гидразином, т.н. аэрозине) и тетраоксиде диазота.
Испытания двигателя ориентации тягой 200 Н в барокамере, фото Arianespace
Эта топливная пара имеет множество достоинств – топливо пребывает в жидком состоянии при комнатной температуре, хранится годами, самовоспламеняется при контакте, то есть не нуждается в системах зажигания, обладает неплохой динамикой и хорошим удельным импульсом в районе 320 секунд. Но, естественно, не обошлось без недостатков. Оба компонента очень токсичны, вызывают коррозию и требуют специальных материалов. И, раз компонентов теперь два, теперь у нас два бака, две системы подачи, то есть в два раза большая вероятность отказа, и появляется система смешивания компонентов в камере сгорания. Например, в 2010 году зонд «Акацуки» не смог выйти на орбиту Венеры из-за отказа клапана наддува. В результате в смеси возник избыток окислителя, температура камеры сгорания и сопла выросла, и они были непоправимо повреждены. Аппарат смог выйти на орбиту Венеры только спустя пять лет, выполнив очень долгий маневр торможения на однокомпонентных двигателях ориентации.
Схема двигательной системы зонда Акацуки, источник
Благодаря сочетанию высокой тяги и высокого удельного импульса двигатели на этой топливной паре практически безальтернативны для пилотируемых кораблей и грузовиков снабжения МКС. Они до недавнего времени были также привычной классикой для межпланетных миссий и геостационарных спутников, но сейчас в этих областях их теснят электрореактивные двигатели.
Альтернативы
Сложности работы с криогенными компонентами не остановили конструкторов. Уникальным примером двигателей на нетоксичных компонентах является объединенная двигательная установка корабля «Буран», в которой использовались жидкий кислород и керосин. Использование этой топливной пары давало большую энерговооруженность (удельный импульс в районе 358 секунд, выше, чем НДМГ+АТ), нетоксичные компоненты делали эксплуатацию корабля более безопасной и экологичной, а также позволяли использовать кислород для систем электропитания и жизнеобеспечения.
ОДУ «Бурана», отлично виден большой бак жидкого кислорода, источник
Специальные технические решения: глубокое охлаждение кислорода до -210°С перед заправкой, постоянное перемешивание в баке и газификация перед подачей в двигатели ориентации позволили создать двигательную установку, которая могла обеспечивать полет до 30 суток.
А в середине нулевых в NASA рассматривали топливную пару «метан-кислород» для лунного модуля и пилотируемого корабля. Метан гораздо легче хранить в жидком виде, чем водород, а удельный импульс выше, чем у НДМГ-АТ. Корабль, который стал «Орионом», в итоге получил гидразиновые двигатели. Но идея метановых двигателей никуда не исчезнет, потому что для двигателей, работающих на собранных на месте ресурсах, метан остается интересным вариантом.
Электробудущее
2020, по представлению экспертов, должен стать годом, когда половина новых коммерческих спутников будет использовать электрореактивные двигатели. Учитывая, что на массово запускаемых спутниках Starlink и OneWeb стоят именно они, сейчас эта оценка выглядит консервативной. Геостационарный спутник на НДМГ+АТ доберется до целевой орбиты максимум за неделю, но половину его начальной массы будет составлять топливо. А на электрических двигателях подъем орбиты займет до полугода, но спутник окажется легче на 40%. Большие солнечные панели, установленные для мощных ретрансляторов, прекрасно сочетаются с электрореактивными двигателями. Аналогичное электрическое наступление происходит и в стане научных аппаратов – отправившийся в 2007 году в полет зонд Dawn имел рекордный запас характеристической скорости, 11 км/с, недостижимый для химических двигателей. Все эти замечательные результаты возможны благодаря тому, что удельный импульс электрореактивных двигателей на порядок больше химических и для разных моделей находится в широком диапазоне нескольких тысяч секунд. Но, конечно, у всего есть цена – тяга электрореактивных двигателей измеряется в миллиньютонах, и ее можно представить на бытовом уровне как вес мелкой монетки.
Наиболее распространены два вида электрореактивных двигателей:
Ионные двигатели ионизируют газ электронной бомбардировкой и выбрасывают получившиеся ионы электрическим полем.
В работающей на эффекте Холла конструкции, также часто называемой плазменным двигателем, рабочее тело подается в кольцевую камеру, к которой приложена разность потенциалов. Нейтральный газ ионизируется и разгоняется электрическим полем, выбрасываясь из двигателя с огромной скоростью.
Ионные двигатели имеют больший удельный импульс, но пока что страдают из-за проблем с долговечностью: от большой разности потенциалов между ускоряющей и фокусирующей решётками и эрозии со временем решётки банально выламывает. Так что на сегодняшний день двигатели на эффекте Холла имеют ряд эксплуатационных преимуществ.
Также есть менее распространенные варианты. Например, электротермический, он же электронагревный двигатель, в котором топливо разгоняется за счет нагрева электрическим током. На спутниках Iridium первого поколения (всего построено 98 штук) были установлены семь однокомпонентных двигателей тягой 1 Ньютон и один более эффективный электронагревный двигатель тягой 0,369 Н. Все двигатели питались от одного бака с гидразином.
Электронагревный двигатель производства Aerojet Rocketdyne
Электрореактивные двигатели – перспективная тема, и там, где можно обойтись без большой тяги двигателей, их будет все больше. А когда, наконец, в космос полетят ядерные реакторы, их огромные энергетические возможности, в сочетании с удельным импульсом ЭРД, откроют новые перспективы.
Слишком негибкие
Твердотопливные двигатели постепенно теряют популярность для космических аппаратов. Простота конструкции и большая тяга не могут компенсировать однократное включение и далеко не рекордный удельный импульс – примерно 290 секунд. Но у них было славное прошлое: на первых «Пионерах» маленькими твердотельными двигателями собирались проводить коррекции траектории, они использовались как тормозные двигатели на пилотируемых «Меркуриях» и «Джемини», включались перед посадкой на Луну автоматических зондов Surveyor и долгое время использовались в качестве апогейных двигателей, переводя спутники с геопереходной орбиты на близкую к геостационарной.
Схема геостационарного спутника Syncom первого поколения, апогейный двигатель по центру слева
Экзотика
Нагревать рабочее тело можно не только электричеством. Очень много тепла выделяется при ядерной реакции, и еще в 50-х возникли идеи прямоточного ядерного двигателя. Водород должен был поступать в активную зону реактора и выбрасываться наружу. Удельный импульс ожидался в районе 900 секунд. Разработки велись по обе стороны океана, в США – NERVA, в СССР – РД-0410, но в итоге были свернуты.
Двигатель NERVA
Существовали и более экзотические конструкции: импульсный взрыволет, двигатели на солях ядерного топлива, газофазные ядерные двигатели и т.п., но пока что они не уходят дальше схем и рисунков.
Есть и более экологичные концепции нагрева, например, энергией Солнца или лазерами. На поверхности Луны реголит днем разогревается выше ста градусов, так что принцип концентрации солнечных лучей для нагрева рабочего тела реален, но без очень легких зеркал будет проигрывать по общей массе системы обычному химическому двигателю.
Концепция экспериментального спутника Solar Moth, источник
Для изменения скорости все вышеперечисленные варианты использовали выброс вещества в противоположном направлении. Но есть конструкции, которые обходятся без этого. Наиболее известными и успешными являются солнечные паруса. Космический аппарат IKAROS, запущенный к Венере вместе с зондом «Акацуки», 10 июня 2010 года развернул парус 14х14 метров. Форма паруса поддерживалась вращением аппарата, а ориентацией управляли при помощи светодиодов на краях, меняющих отражающую способность. Экспериментальный спутник успешно пролетел мимо Венеры и к 2013 году благодаря парусу изменил свою скорость примерно на 400 м/с.
Уменьшенный макет IKAROS
Полотнище солнечного паруса – непростая штука, его необходимо раскрыть, в идеале без складок и провисаний, обеспечить прочность и управляемость, чтобы случайный микрометеорит не стал катастрофой для миссии, а также долговечность. Есть потенциально более надежный и эффективный вариант – электрический парус. Вместо хрупкого полотнища раскрываются тонкие штыри или тросы, на спутнике ставится электронная пушка, выбрасывающая электроны, из-за чего сам спутник и тросы приобретают положительный заряд и отталкивают ионы солнечного ветра. К сожалению, экспериментальный эстонский кубсат ESTCube-1 не смог раскрыть парус в космосе, а финский Aalto-1 должен был раскрыть парус в прошлом году, но новостей о нем нет.
/>
Принцип работы электрического паруса, иллюстрация Alexandre Szames
Тросы могут быть использованы для торможения в магнитном поле Земли либо, наоборот, использоваться как двигатель. Если мы размотаем проводящий трос с электронным эмиттером на конце, то в тросе возникнет ток, и спутник начнет тормозить без расхода топлива. А если обратить направление тока, то можно разгоняться. К сожалению, японский эксперимент HTV-KITE закончился неудачей – трос не размотался.
Принцип работы пассивного торможения проводящим тросом
Размотав трос и раскрутив получившуюся систему, можно преобразовать момент вращения в скорость, в нужный момент отцепив груз на конце. Таким образом успешно вернули (пусть и не смогли потом найти) капсулу «Фотино» с аппарата «Фотон-М3». В теории вращающиеся тросовые системы можно использовать для перемещения грузов между орбитами, но пока что такие системы работают только в фантастике (например, Нил Стивенсон, «Семиевие»).
Взаимное положение «Фотино» и «Фотона-М3» при размотке троса
Тяга к звездам
Космические двигатели сегодня и завтра: настоящие реактивные монстры и перспективные технологии будущего.
Освоение космоса – возможно, самая сложная из технологических задач, когда-либо стоявших перед человечеством. Проблем с ней не перечесть, но первая из них, конечно, проблема запуска космических аппаратов с Земли и их передвижения в космосе. И хотя современные реактивные двигатели являются настоящими шедеврами технологий, соединяющими самые последние достижения в области химии, физики, материаловедения и множества других областей, их эффективность, тяга и расход топлива, увы, не позволяют всерьез говорить об освоении даже Солнечной системы, не говоря уж об огромных пространствах Вселенной. Будущее требует принципиально новых решений.
Реактивно!
Принцип работы реактивного двигателя настолько прост, что в элементарном виде его собирают даже школьники в кружках юных техников. Однако настоящий, мощный ракетный реактивный двигатель – продукт колоссальной сложности, в полной мере производство которого до сих пор освоили лишь три страны мира – СССР (Россия), США и Китай.
В отличие от привычных всем двигателей внутреннего сгорания, в реактивных нет ни цилиндров, ни поршней, создающих вращательное движение. В основе их действия лежит закон сохранения импульса, который вытекает из Третьего закона Ньютона: «Сила действия равна силе противодействия». Тяга создается мощным потоком частиц, выбрасываемых в ходе сгорания топлива. Вылетая в одну сторону, эти частицы придают ракете или космическому аппарату ускорение, направленное в противоположную сторону. Чем больше масса и ускорение потока частиц – тем больше создаваемая ими реактивная тяга.
В традиционном реактивном двигателе, первые из которых были разработаны еще до Второй мировой войны, поток частиц представляет собой раскаленный газ, продукт реакции топлива и окислителя. Эта плазма, вырывающаяся из сопел реактивного двигателя, может образовываться из твердого или жидкого топлива – соответственно, химические двигатели различают твердотопливные и жидкостные.
Вначале было твердое топливо
Исторически первым видом реактивных двигателей стали твердотопливные. Первые из них появились еще в древнем Китае, где использовались для запуска фейерверков, а со Средних веков они встречаются и в Европе, где с их помощью доставляли заряды для бомбардировки крепостей противника. Главной хитростью при этом было поддержание горения, не переходящего во взрыв, который моментально высвободил бы энергию топлива и разрушил ракету. Поэтому для заряда использовался «модифицированный» порох с пониженным содержанием нитрата и серы, но повышенным количеством угля. Такая смесь горит очень мощно и быстро, но – при должной осторожности – не взрывается.
В современных твердотопливных двигателях, разумеется, смеси используются намного более эффективные – например, такая: перхлорат аммония (окислитель, около 70% по весу), алюминий (основное топливо, 16%), оксид железа (катализатор, 0,4%), полимеры и эпоксиды (обеспечивают контакт топлива и окислителя и равномерность горения, около 14%). Используется и сложная конфигурация расположения твердых компонентов, в форме многоконечной звезды, при которой достигается большая площадь поверхности контакта топлива с окислителем и, следовательно, высокая скорость сгорания.
Твердотопливные двигатели дешевы, просты и безопасны, однако однажды запущенный процесс горения уже невозможно ни остановить, ни контролировать. Поэтому сегодня их чаще используют не для космических, а, скажем, для межконтинентальных баллистических ракет (МБР), работающих по принципу «выстрелил – и забыл». В космических же носителях обычно устанавливаются двигатели жидкостные.
Жидкое топливо: старт космической эры
Первые жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) стали появляться в 1920-х годах, благодаря работам знаменитого физика Роберта Годдарда, в честь которого сегодня назван один из крупнейших исследовательских центров NASA. Годдарду удалось решить целый ряд проблем, связанных с конструированием и использованием таких двигателей, включая накачку топлива и охлаждение, а главное – создать принципиальную схему такого двигателя.
Схема проста до гениальности: жидкое топливо (Годдард использовал бензин) и жидкий окислитель (кислород) помещаются в раздельные баки, откуда с помощью специальных насосов по раздельным каналам подаются в камеру сгорания. Здесь происходит реакция, раскаленные продукты которой на большой скорости вылетают из сопла, создавая тягу.
Конечно, в реальности современный ЖРД – система куда более сложная, нежели эта принципиальная схема Годдарда. Достаточно сказать, что в качестве топлива и окислителя в них используются сжиженные газы, которые необходимо держать при низкой температуре и моментально нагревать перед подачей в камеру сгорания. Для этого найдены весьма изощренные технические решения – например, в соплах некоторых двигателей высверливаются каналы, по которым топливо течет, нагреваясь от раскаленного сопла. Такая технология настолько сложна, что ни американские, ни китайские двигателестроители ее до сих пор не освоили.
Математика шаттлов
Сами американские космические корабли Space Shuttle, недавно «списанные в запас», весили около 75 тонн. Внешний топливный бак для каждого из них (пустой) добавлял еще 35 тонн. Приплюсуем сюда еще пару твердотопливных ускорителей по 83 тонны каждый. Это только вес нетто – теперь нам понадобится топливо: около 100 тонн жидкого водорода и 616 тонн окислителя – жидкого кислорода. Итого мы получим порядка 2000 тонн веса – все для того, чтобы вывести на орбиту 75-тонный корабль, а точнее – полезный груз, масса которого может достигать около 25 тонн. При этом вся колоссальная масса топлива сгорает в считанные минуты: при запуске твердотопливные двигатели работают около 2 минут, а включающиеся затем три основных двигателя корабля – еще 8 минут. Выглядит не слишком эффективно.
Многим хороши химические реактивные двигатели: тяга их остается непревзойденной и уже позволила человечеству высадить своих представителей на Луне, а также отправить космические аппараты к дальним пределам Солнечной системы. Однако есть у них одно существенное ограничение. Вспомним про Второй закон Ньютона – чтобы создать достаточное ускорение, требуется либо увеличить скорость истечения реактивного потока, которая ограничена энергией реакции окисления, либо увеличить массу сжигаемого топлива.
Разумеется, химики непрерывно бьются над созданием все более эффективно сгорающего топлива и все более агрессивных окислителей, но процесс это сложный и уже практически достиг потолка своих возможностей. Увеличивать же массу еще сложнее: для разгона дополнительного топлива требуется еще больше топлива – количество его растет логарифмически. Для свободного космического полета требуются новые решения.
Ядерные-термоядерные
Для полноценного освоения пределов Солнечной системы химические двигатели недостаточно мощны и эффективны. Однако нагревать и разгонять газ для реактивного движения можно не только за счет окисления. Эту же роль может играть и куда более экономная реакция – ядерная. Необходимое для такого двигателя топливо будет измеряться уже не сотнями тонн, а сотнями килограммов. Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде тяжелых ядер, будет нагревать рабочее тело – а дальше работает уже знакомая нам схема реактивного движения. Более того, рабочим телом может служить чистый водород, самый низкомолекулярный газ, способный обеспечить максимальную удельную тягу.
Первые ядерные двигатели появились в космосе достаточно давно – в виде РИТЭГов, радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Суть их работы проста: распад радиоактивного топлива конвертируется в тепловую и/или электрическую энергию. Плутониевые РИТЭГи питают многие космические аппараты – дальние зонды, не требующие огромной тяги и добирающиеся до своей цели годами. На такой силовой установке работают двигатели зондов Voyager, Cassini, New Horizons. РИТЭГ служит дополнением солнечных батарей для марсохода Curiosity. Тяга «Сила» реактивного двигателя, с которой он толкает аппарат сквозь пространство, называется его тягой и измеряется в Ньютонах. Точкой приложения реактивной тяги считается центр истечения продуктов сгорания – центр среза сопла двигателя, а направление – противоположно вектору скорости этого истечения. Тяга определяется скоростью истечения продуктов сгорания, а она – физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя.
Однако обеспечить высокую тягу РИТЭГи неспособны, и, говоря о разработке ядерных ракетных двигателей всерьез, придется подойти к проблеме совсем с другой стороны – выводить в космос полноценные ядерные реакторы. Несмотря на то, что первый подобный аппарат – SNAP – был американским, технологическое лидерство в этой области до сих пор сохраняется за нашей страной. Разработкой космических двигателей, энергию которым поставлял бы контролируемый ядерный распад в реакторе, занимался еще Сергей Королев. В 1960-х в СССР испытывалась подобная силовая установка «Ромашка», в 1970-х сверхсекретные аппараты с ядерной установкой «Бук» проходили испытания в космосе. В конце 1980-х урановый реактор «Топаз» благополучно проработал на орбите около года.
Работы по созданию космических двигателей с ядерной силовой установкой продолжаются сегодня и в России, и в США. Простейшие расчеты показывают, что лишь они сделают по-настоящему доступными ближайшие планеты и тела Солнечной системы. А когда человечество, наконец, обуздает термоядерную энергию, реакторы станут еще в несколько раз более эффективны.
ИОНЫ: ТОПЛИВО ПО ГРАММАМ
Однако и этим спектр возможных решений не исчерпывается. Создавать реактивную тягу можно с помощью, фактически, любого источника энергии – РИТЭГа, солнечной батареи или просто аккумулятора. Создаваемое им электростатическое поле ионизирует газ, разгоняя полученные ионы до очень высоких скоростей, недоступных для классических реактивных двигателей. Магнитное поле формирует из них направленный поток, толкающий аппарат все дальше вперед. Истекающая из сопла ионного двигателя холодная плазма совсем непохожа на адские печи химических реакций, однако эффективность его работы просто поразительна.
Рабочим телом такого электрического двигателя может служить водород или легкий инертный газ, обычно ксенон или аргон, – с подобными решениями экспериментировал еще Роберт Годдард. И хотя для создания серьезной тяги мощности их недостаточно, они могут работать буквально годами, расходуя топливо считанными граммами, и за большие промежутки времени разгоняют не слишком большие аппараты до очень приличных скоростей.
Скажем, ионный двигатель используется в качестве основного на дальнем зонде Dawn, который ведет исследования Главного пояса астероидов, и на японском аппарате Hayabusa, который доставил на Землю образцы вещества с астероида Итокава. Впрочем, как правило, их используют в качестве двигателей коррекции и ориентации для поддержания орбиты спутников – а вскоре ионный двигатель VASIMR может заработать и на МКС.
Суперсила антивещества
И теоретические расчеты, и практические эксперименты показывают, что античастицы, встречаясь с частицами обычной материи, аннигилируют, высвобождая неслыханную энергию. Килограмм антивещества и килограмм вещества выделят энергии на 43 мегатонны в тротиловом эквиваленте – почти столько же, сколько при взрыве легендарной 26-тонной «Царь-бомбы». Превращение массы в энергию происходит почти стопроцентное, в 1000 раз эффективнее ядерной реакции и в 300 раз – термоядерной.
Перспективы это сулит огромные – расчеты показывают, что перелет к Марсу благодаря подобным двигателям может занять уже не год, а всего месяц – так что ученые достаточно серьезно рассматривают возможности их использования в будущем, когда они позволят нам передвигаться не только в пределах Солнечной системы, но и добраться до соседних звезд.
Межзвездный прямоточный двигатель Бассарда – концепция ракетного двигателя для межзвездных полетов, предложенная в 1960 году физиком Робертом Бассардом. Основой концепции является захват вещества межзвездной среды (водорода и пыли) идущим на высокой скорости космическим кораблем и использование этого вещества в качестве рабочего тела (либо непосредственно топлива) в термоядерном ракетном двигателе корабля.
Казалось бы, можно заняться разработкой? К сожалению, прежде придется решить целый ряд технологических задач, которые пока выглядят совершенно неподъемными. Первая из них – крошечные количества антивещества, доступные нам. Пока его получают лишь считанными античастицами и при огромных затратах. Антиматерия является самой дорогой субстанцией в мире – в ценах 1999 года производство одного грамма антиводорода обойдется более чем в 60 трлн долларов. А для межзвездных путешествий получать его понадобится тоннами.
По счастью, перспективы в этой области достаточно радужные: по оценке некоторых специалистов, от создания настоящего двигателя на антивеществе нас отделяют буквально десятилетия. В 2000 году в NАSA объявили о проекте по разработке пока небольшого двигателя, для работы которого требуется совсем крошечное количество античастиц – для перелета к тому же Марсу достаточно будет 10 граммов антипротонов.
Проектируемый двигатель на антивеществе будет включать три ключевых компонента. Электромагнитная тороидальная камера позволит хранить топливо. Система подачи будет сталкивать частицы с античастицами. Электромагнитное сопло обеспечит выброс энергии в нужном направлении, создавая тягу для космического корабля.
Сминая пространство-время
Единственный известный двигатель подобного типа установлен на крейсере USS Enterprise из культового сериала «Звездный путь»: пока что подобная технология относится лишь к жанру научной фантастики. Однако теоретически лишь такой подход способен обеспечить человечеству перемещение со сверхсветовой скоростью, а вместе с ним – подлинную свободу передвижения по всем неоглядным просторам Вселенной.
Например, выкладки эйнштейновских теорий нарушаться не будут: движение так и останется досветовым, моментальным станет лишь перемещение. Сразу – из одной точки пространства – в другую. Куда угодно. Более того, именно из Общей теории относительности вытекает сам принцип «пространственно-временного двигателя» (ПВД).
Вспомним, что, согласно ОТО, гравитация является геометрическим аспектом пространства-времени: чем больше масса объекта – тем сильнее искажается его прямолинейный континуум в его окрестностях. Именно этот аспект гравитации позволяет (в теории) манипулировать пространством-временем. Космический корабль, в котором имеется фантастическое устройство, способное создавать направленное гравитационное поле достаточной мощности, сумеет «сминать» пространство перед собой, перепрыгивая в нужную точку.
Физик из NASA Гарольд Уайт (Harold White) занят будущим: он работает над футуристическим проектом космического корабля с варп-двигателем, способным сминать пространство-время. А пока будущее не наступило, Уайт и художник-моделлер Майк Окуда (Mike Okuda) создали модели того, как будут выглядеть эти фантастические крейсеры.
К сожалению, расчеты показывают, что энергии для таких манипуляций понадобится невероятно много. Нужного количества не даст даже слияние вещества и антивещества – точнее говоря, для этого его понадобится столько, что мы вряд ли сможем загрузить такое «топливо» даже в USS Enterprise. Быть может, в будущем эту энергию удастся каким-то образом получать из самых мощных объектов известных нам – сверхмассивных черных дыр. А быть может, сами они послужат «червоточинами», нырнув в которые космический корабль сумеет вынырнуть где-то в совершенно иной части Вселенной. Но это уже совсем другая история.
Что же касается EmDrive, то данной теме посвящена целая статья в свежем номере журнала Naked Science. Выход номера уже через неделю.
Двигатель для космолета: на чем люди полетят в дальний космос
Многие специалисты считают именно английский проект самым революционным: если США и СССР развивали традиционные ракетные технологии, заложенные еще Вернером фон Брауном, то Великобритания решила создать принципиально новый воздушно-космический самолет. Самим аппаратом занималась British Aerospace, а уникальный воздушно-реактивный двигатель должна была разработать компания Rolls-Royce. Планировалось, что HOTOL будет взлетать с разгонной аэродромной тележки, двигатель начнет работать в воздушно-реактивном режиме (до высоты около 28 км), используя в качестве окислителя забортный воздух, после чего перейдет в режим классического ракетного жидкостного двигателя. Создание такого двигателя и сейчас задача почти фантастическая, что же говорить о восьмидесятых годах. Довольно скоро Rolls-Royce столкнулась с рядом трудностей, повлекших незапланированный рост затрат на исследовательские работы. В итоге British Aerospace решила отказаться от революционного двигателя и вступить в кооперацию с СССР, переименовав проект в Interim HOTOL. Аппарат планировали оснастить советскими ЖРД и запускать с модифицированного самолета Ан-225. Сотрудничество началось в 1991-м, однако в этом же году Советский Союз закончил свое существование, похоронив под своими обломками и совместный проект.
Три в одном
Не все были согласны с таким положением дел. После сворачивания работ над RB545 в 1989 году ведущий конструктор двигателя Алан Бонд забрал с собой двух инженеров Rolls-Royce и основал собственную компанию – Reaction Engines. Она сосредоточилась на создании гибридного двигателя SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) и разработке других технологий для воплощения проекта космоплана Skylon. Многие эксперты считают, что проект SABRE способен перевернуть современную космонавтику и сделать возможным создание одноступенчатого космического аппарата. Он может работать на первом этапе полета как турбореактивный двигатель, в качестве окислителя забирая забортный воздух. На втором этапе – как прямоточный двигатель, а на третьем – как обычный ракетный двигатель, используя внутренний бортовой окислитель.
Идея одноступенчатого многоразового воздушно-космического аппарата (SSTO, Single Stage to Orbit) далеко не нова, но на пути ее воплощения стоит ряд препятствий – низкий уровень весовой отдачи конструкции и недостаточный удельный импульс существующих ракетных двигателей. Это взаимосвязанные параметры: повысив удельный импульс (который показывает, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива), вы можете получить ту же тягу с меньшим расходом топлива и окислителя, что позволяет сделать конструкцию большей массы. Однако существующие жидкостные ракетные двигатели имеют удельный импульс в вакууме порядка 400 с (рекорд для кислород-водородных КВД1 и RL-10 составляет 462 с, двигатели на экзотических компонентах – например, использующие водород-литий-фтор – позволяют получить на сотню больше, однако с ними столько проблем, что игра не стоит свеч).
Не ракета, не самолет
В то же время двигатели современных авиалайнеров имеют удельный импульс на порядок выше, приближаясь к цифре 6000 с, и даже «прожорливый» двигатель сверхзвукового Concorde имел удельный импульс всего в два раза ниже – 3000 с (почти в десять раз экономичней космической ракеты). Такая радикальная разница из-за иного принципа работы: воздушно-реактивный двигатель на каждую часть топлива использует 14 частей воздуха (если топливо – водород, то 30), а ракетному приходится черпать из баков все, что потом улетит в сопло.
Можно, конечно, использовать воздушно-реактивный двигатель на части траектории выведения, которая проходит сквозь плотные слои атмосферы, с его экономичностью и отсутствием необходимости в окислителе. Но не все так просто. Космическая ракета стремится пройти плотные слои атмосферы быстро, проткнув их на вертикальном участке траектории, а уже потом заваливая траекторию горизонтально. Аппарат с ВРД не может позволить себе такой роскоши – он должен максимально использовать бесплатный окислитель за бортом, потому его траектория пологая и долгое время проходит в плотных слоях атмосферы, с большой скоростью полета на этом участке. Все это время аппарат находится под воздействием скоростного напора набегающего потока, что требует упрочнения конструкции и повышения эффективности теплозащиты – и то и другое тянет за собой увеличение веса. Есть еще одна хитрость – возможность использовать подъемную силу крыла: если ракета с вертикальным стартом висит на тяге двигателей и при наборе высоты тяга должна быть больше ее веса, то крылатый аппарат с аэродинамическим качеством 5 для набора высоты должен иметь тягу всего лишь больше 1/5 веса. Однако крылья – это тоже дополнительный рост веса конструкции. Все это затягивается в тугой клубок противоречий, решить которые на современном технологическом уровне, получив преимущества над многоступенчатой системой, достаточно сложно.
Самый мощный холодильник в мире
Алан Бонд со своей командой столкнулся с теми же проблемами, что и его предшественники: среди всего множества существующих типов воздушно-реактивных двигателей нет универсала, каждый из них отличается разной эффективностью, каждый хорош в своем диапазоне скоростей, обладает своего рода узкой специализацией. Турбореактивный двигатель отлично работает в диапазоне от 0 до 3 М, но разгон с его помощью до больших скоростей затруднителен: воздух при торможении в воздухозаборнике нагревается так сильно, что дальнейшее сжатие его компрессором приводит к росту температуры до величин, выходящих за пределы термостойкости материалов камеры сгорания и турбины. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель и гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (последний отличается сверхзвуковым течением в камере сгорания) отлично работают на больших скоростях (Х-43А достиг 10 М), однако не работают на малых. Турборакетные двигатели обладают низким удельным импульсом и тяговооруженностью (они тяжелы для той тяги, что создают). В свое время большие надежды возлагали на двигатель со сжижением кислорода (LACE, Liquid Air Cycle Engine), в котором криогенное топливо идет через теплообменник, забирая тепло у набегающего потока до температуры сжижения воздуха, далее через сепаратор, где кислород отделяется от азота и подается в камеру сгорания. Однако такой двигатель тяжел, конструктивно сложен (прощай, надежность) и имеет повышенный расход топлива (водорода на охлаждение тратится больше, чем можно сжечь в камере сгорания с полученным жидким кислородом, а это потери удельного импульса). Впрочем, от LACE Алан Бонд решил позаимствовать идею охлаждать воздушный поток в теплообменнике.
В итоге инженеры пришли к необходимости комбинированной силовой установки из разных двигателей, в которой каждый работает на своем участке (например, для старта используется турбореактивный, для высокоскоростного разгона – прямоточный, для внеатмосферного полета – ракетный). Ракетный двигатель – необходимый компонент коктейля, остальные по вкусу, в разных комбинациях. Однако это порождает определенные проблемы: на всех режимах полета нужно везти мертвый груз в виде двигателя для другого участка траектории, растет аэродинамическое сопротивление из-за сопел неработающих двигателей. Альтернатива – гибридная силовая установка, которая сочетает в себе качества (и агрегаты) всех типов двигателя. Сопло ведь нужно всем? Так зачем тащить несколько, используем одно для всех. Воздухозаборник нужен всем, кроме ракетного? Используем один, а потом закроем заподлицо, чтобы сопротивления не создавал. В этом направлении и двигалась мировая конструкторская мысль (даже силовая установка самолета SR-71 Blackbird – гибрид турбореактивного и прямоточного двигателей, некоторые зенитные ракеты используют ракетно-прямоточный).
Очень быстрый гибрид
Двигатель компании Reaction Engines – SABRE – вполне подходит на роль ключевой технологии, с помощью которой можно разрубить гордиев узел противоречий и реализовать одноступенчатый воздушно-космический аппарат. Этот гибрид сочетает в себе качества турбореактивного (хотя турбину компрессора крутят не выхлопные газы, а горячий гелий в замкнутом цикле), прямоточного и ракетного двигателей и работает с достаточной эффективностью на всех участках траектории, от взлетной полосы до орбиты. Расчеты Reaction Engines показывают, что в случае применения ЖРД общий вес корабля и полезной нагрузки должен составлять 13% от стартового веса для вывода полезной нагрузки 15 т на низкую опорную орбиту. Двигатель SABRE позволяет при тех же условиях довести вес корабля с полезной нагрузкой до 22% – цифра вполне достижимая при современном уровне технологий.
SABRE, как и его предшественник RB545, – гибридный воздушно-реактивный двигатель с предохлаждением потока. Здесь, как и в LACE, за воздухозаборником стоит криогенный теплообменник, однако входящий поток не сжижается, всего лишь охлаждаясь до низких температур. Далее воздух с температурой порядка –140 °С (до этого он нагрелся при торможении свыше 1000 °С) поступает в простой турбокомпрессор из легких сплавов (низкая температура воздушного потока позволила облегчить его на три четверти по сравнению с компрессором турбореактивного двигателя), сжимающий газы до давления камеры сгорания, в которой газообразный воздух смешивается с жидким водородом. При выходе из плотных слоев атмосферы воздухозаборник запирается створками, а камера сгорания питается жидким кислородом из внутренних баков. Поскольку расход водорода на охлаждение больше, чем окислителя в полученном воздухе, избыток (2/3 потока, прошедшего теплообменник) дожигается во втором контуре, смешиваясь с той частью воздуха, которая не поступила в теплообменник.
Однако принципиальная схема по сравнению с RB545 несколько изменилась: добавилась промежуточная петля с жидким гелием – теперь водород охлаждает гелий, а гелий уже отбирает тепло у воздуха и, нагревшись, крутит турбину компрессора и насосов, после чего поступает на повторное охлаждение. Это позволило избежать проблем водородной хрупкости в температурно-напряженном теплообменнике воздухозаборника. Компоновка космического аппарата тоже изменилась: тонкое веретено корпуса оснащено треугольным крылом со слегка искривленными мотогондолами на его концах.
Запарились
История создания SABRE – это прежде всего история разработки и совершенствования теплообменника, поскольку все завязано на его характеристики. Он должен извлечь из воздуха до 400 МВт тепла, при этом иметь минимальный вес, малые габариты, малое гидравлическое сопротивление (чтобы обеспечить заданный расход хладагента без установки тяжелых насосов), работать в условиях громадного перепада температур и давлений, сохранив целостность на протяжении всего жизненного цикла аппарата, и быть технологичным в изготовлении. По словам Алана Бонда, современные промышленные теплообменники такой мощности имеют вес в 30 раз больше, чем допустимо для применения на борту одноступенчатого космического аппарата (18 т против 600 кг, заложенных в конструкцию SABRE). Ответ, как часто бывает, подсказала природа. Жабры рыб имеют разветвленную систему капилляров, в которых более тонкая сеть трубочек вливается в толстые сосуды. Это оказалось именно тем решением, которое позволяет снизить сопротивление току жидкости при достаточной площади теплообмена. Существующие теплообменники, как правило, имеют набор трубок равного диаметра, в новой же конструкции применяются изогнутые тонкостенные трубки диаметром 0,9 мм с толщиной стенок 30 нм из сплава Inсonel 718, которые соединяют основные трубопроводы большего диаметра. Для изготовления применяется пайка, а отверстия в основных трубопроводах прожигаются лазером. Был изготовлен опытный образец теплообменника, который поместили перед установленным на стенде реактивным двигателем Rolls-Royce Viper. Инженеры провели цикл наземных испытаний, в которых модуль прошел 200 рабочих циклов по 5 минут каждый – больше, чем за планируемый жизненный цикл аппарата Skylon.