Маску и не снилось: Двигатели, которые позволят покорить Галактику

Новая эра — старые двигатели

Даже если отбросить романтическо-утопические идеалы 60-х, предполагающие покорение человеком Млечного пути, то всё равно заметны «проседания» темпов современного прогресса на фоне ракетно-космической индустрии прошлого столетия. Основная его причина проста: и Советский Союз, и Соединенные Штаты хотели доказать друг другу, а также и сами себе, что они лучше, чем есть. За эту гонку заплатили сотнями миллиардов долларов (по современному курсу). Человечество получило выдающиеся для своего времени технологии, которые даже сейчас, спустя более чем полвека после их разработки, позволяют уверенно себя чувствовать в рамках стоящих перед нами практических задач. Один пример: для российских ракет «Союз» используют маршевый ракетный двигатель РД-107, разработанный в 50-е (сама ракета, если быть откровенными, тоже является версией баллистической Р-7, созданной тогда же).



Американцы активно работают над метановыми двигателями, имеющими ряд эксплуатационных характеристик, но, но сути, обладающие теми же ограничениями, что и старые разработки, использующие топливную схему керосин/жидкий кислород. Грубо говоря, химические ракетные двигатели во многих отношениях достигли вершины эволюции, а чисто концептуально — тупика. Дабы получить более высокое ускорение, нужно либо увеличить скорость истечения реактивного потока, которая ограничена энергией реакции окисления, либо увеличить массу сжигаемого топлива, что, опять же, приведет к увеличению массы всего комплекса. Подобного рода противоречий полным-полно. К счастью, выводу на орбиту коммерческих спутников связи это почти не мешает. А вот колонизация далеких планет — другой вопрос.


Ядерный ракетный двигатель

Продвигающий новый метановый двигатель Raptor Илон Маск предлагает в будущем создать множество космических заправочных станций для кораблей BFR. Однако ранее ученые представили и другие интересные варианты. В числе самых реалистичных идей — ядерный ракетный двигатель. Плюсы очевидны. Такой двигатель может дать требуемые для дальних полетов характеристики, а нужное для него топливо будет измеряться не десятками и сотнями тонн, как сейчас, а десятками и сотнями килограммов.


Энергия, которая будет выделяться при радиоактивном распаде тяжелых ядер, будет нагревать рабочее тело — дальше в дело вступает знакомая схема реактивного движения. В целом, из всех перспективных ракетных двигателей, не использующих «химию», ядерные/термоядерные двигатели являются самым продуманным и реалистичным вариантом. По оценкам ученых они позволят добраться до Плутона за два месяца и вернуться обратно за четыре: при этом придется затратить 75 тонн топлива. Достичь Альфы Центавра можно будет в теории за двенадцать лет. В качестве основного недостатка ядерного двигателя называют высокую радиационную опасность. Нужно сказать, что современная забота об экологии явно не прибавляет шансы на их скорое появление.

Ионный двигатель

Ионным двигателем называют тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основывается на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Назвать ионный двигатель «перспективным» было бы не очень правильно. Уже сейчас ему принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе. В свое время экспериментальная станция Deep Space 1 увеличила скорость (масса аппарата составляла 370 кг) на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Данный рекорд побил Dawn в 2010 году, при этом осенью 2016-го года удалось набрать скорость в 11,1 км/с. Сейчас, кстати, компанию аппарату Dawn составляет ионный Artemis, а потом к ним присоединится LISA.


Будущее у концепции определенно есть. Недостатки ионных ракетных двигателей тоже хорошо известны. Главный из них — чрезвычайно слабая тяга, достигающая в лучшем случае 100 миллиньютонов. При текущем уровне развития технологий произвести старт с Земли, используя такой двигатель, невозможно. Зато, по оценкам, в космосе, при условии, что ионный двигатель будет работать долго, космический корабль можно будет разогнать до очень приличных скоростей. Как минимум, такое устройство можно будет применять для корректировки курса.

Антиматерия

Куда более революционным видится перспективный двигатель, использующий антивещество. Как известно, при встрече античастиц и частиц обычной материи происходит аннигиляция с высвобождением колоссальной энергии. Один килограмм антивещества и один килограмм вещества могут выделить энергии на 43 мегатонны в тротиловом эквиваленте, что сравнимо со взрывом термоядерной советской «Царь-бомбы». Говорят, что полет к Марсу с таким двигателем занял бы в районе месяца. А там и до ближайших звезд, возможно, дело бы дошло.


Есть, увы, одно «но». Антивещество является самой дорогой субстанцией на планете — по оценкам NASA за 2006 год, производство миллиграмма позитронов (античастица электрона) стоило примерно 25 миллионов американских долларов. С учетом современного тренда на удешевление ракетных запусков концепция выглядит утопично. К счастью, наука на месте не стоит. Возможно, в будущем, появятся шансы реализовать такой двигатель на практике.

EmDrive

Самый же странный и фантастичный гость нашего списка — теперь уже широко известный EmDrive. Если кто забыл, напомним: он является экспериментальной установкой, поставивший многих ученых мира в тупик. Согласно точки зрения создателей, двигатель создает тягу, хотя не должен этого делать, по законам физики. Устройство состоит из магнетрона и резонатора. Магнетрон генерирует микроволны, энергия их колебаний накапливается в резонаторе высокой добротности, и, по заявлениям авторов, стоячая волна электромагнитных колебаний в замкнутом резонаторе служит источником тяги. Проблема в том, что отсутствие расходуемого рабочего тела у этого двигателя, по-видимому, идет в разрез с законом сохранения импульса.

В целом, достигаемый эффект незначителен и многие ученые связывают его с допущенными при исследованиях погрешностями или же откровенно грубыми ошибками в расчетах. Одно из последних исследований, проведенных немцами, гласит, что появляющаяся внутри двигателя EmDrive тяга является следствием взаимодействия между магнитным полем кабелей, усилителем и магнитными полями планеты. Туманное, но все же объяснение.


В целом, гегемонии химических ракетных двигателей на данном этапе ничего не угрожает. Они, как мы уже отмечали, вполне вписываются с текущие реалии и отвечают всем требованиям ракетно-космической индустрии. Ну а полеты к другим планетам и, тем более — к другим планетным системам — связаны не только с проблемой новых двигателей, но и с целым списком других вопросов, которые только предстоит решить.