Кочетов Алексей 6 августа
Невзирая на то, что минуло уже 60 лет с тех пор, как человечество вошло в космическую эпоху, прогресс в космической экспансии совсем незначительный. Ещё меньше прогресса наблюдается в скорости перемещения по нашей Солнечной системе.
Современные ракетные двигатели позволяют достигнуть в приемлемые сроки разве что Луну. Полёт же к планетам Солнечной системы занимает годы, а некоторые миссии по их изучению становятся делом нескольких поколений людей.
Показательным примером служат программы «Вояджер» и «Пионер», зонды которых уже полвека бороздят просторы Солнечной системы.
Космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» запущены в 1977 году в рамках проекта по исследованию дальних планет Солнечной системы. В настоящее время аппараты пересекли границу Солнечной системы (точнее, гелиосферы) и покидают её навсегда.
Почему так? Во-первых, Вселенная огромна, а во-вторых, перемещение в космическом пространстве имеет ряд фундаментальных ограничений, которые совершенно не способствуют покорению космоса.
Даже если не брать во внимание биологические факторы, а оперировать сугубо техническими, проекты межпланетных путешествий представляется весьма ограниченными.
На сегодня одним из реализованных на практике способов передвижения в космическом пространстве является реактивное движение. Согласно третьему закону Ньютона (сила действия равна силе противодействия), для того, чтобы оттолкнуться от пустоты и начать двигаться, требуется отбросить часть собственной массы. Увы, но другого эффективного способа передвижения вдали от массивных небесных тел (звёзд и планет) на сегодня нет.
Для эффективного передвижения по Солнечной системе мы используем гравитационные манёвры вокруг планет. Это придаёт космическому аппарату больше скорости при минимальных затратах энергии и топлива. Но всё равно, полёты до внешних планет Солнечной системы длятся годами.
Траектория полёта на Марс. К сожалению, по прямой космический аппарат добраться не может, хотя время полёта в таком случае заняло бы всего 2 месяца. А так, увы, придётся потратить 6-8 месяцев.
В общем, при реактивном движении есть прямая зависимость от скорости истечения топлива и его массы. Чем больше эти физические величины, тем большую скорость будет развивать космический аппарат.
Тут у нас есть один выход – увеличивать скорость истечения топлива: чем она будет больше, тем меньше топлива потребуется брать с собой.
Физические процессы, происходящие при химических реакциях окисления, которые используются в сегодняшних ракетных двигателях для создания тяги, ограничены скоростью истечения в 5 км в секунду (удельная тяга).
Выходит, что для путешествия по Солнечной системе в разумные сроки требуются космические корабли исполинских масштабов с огромным количеством топлива. Это совершенно неприемлемо с точки зрения затрат ресурсов на данное путешествие.
Но принципы реактивного движения могут быть реализованы не только классическими химическими ракетными двигателями, но и многими другими.
Например, тяга в ионных двигателях создаётся за счёт истечения заряженных частиц – ионов. Разгоняются они благодаря электромагнитному полю, и скорость истечения ионов в десятки раз превышает аналогичный показатель химических двигателей.
Схема работы ионного двигателя
Ионные двигатели обладают очень низком энергопотреблением и практически не расходуют топливо. Из недостатков – очень маленькая тяга.
Однако соотношение количества топлива на борту к полезной массе корабля и скорости, которую он может развить, идёт в пользу ионного двигателя.
- Так, например, космический зонд "Deep Space 1" массой в 373,7 кг достиг скорости в 4,3 км/сек, израсходовав при этом 74 кг ксенона.
- Дугой космический - аппарат "Dawn" - разогнался до 41 км/сек. Его ионный двигатель расходовал всего 280 граммов ксенона (рабочее тело) в сутки.
Топливная эффективность – превосходная, однако время разгона аппарата (прирост в скорости на 97 км/ч каждые 4 дня работы двигателей) все же слишком велико для эффективной экспансии Солнечной системы.
Но и тут есть один обнадёживающий факт: небольшое увеличение удельной тяги двигателя приводит к значительному сокращению расхода топлива.
Согласно формуле Циолковского, при одной и той же массе космического корабля скорость в 16 км/секунду (минимальная скорость для осуществления свободного путешествия по Солнечной системе) будет достигнута израсходованием 1300 тонн топлива при удельной тяге в 3400 м/сек, и 380 тонн - при удельной тяги в 4550 м/сек.
Формула Циолковского очень точно предсказывает как массу топлива, которую должен нести космический корабль, так и его конечную скорость, которую он сможет развить, израсходовав всё топливо.
Рекорд истечения ионов в ионных двигателях на сегодня – 210 км/сек, что в 50 раз больше, чем у сегодняшних химических ракетных двигателей. Другими словами, ионный двигатель в перёсчете на масса-габаритную и топливную экономичность в 50 раз эффективнее химических ракетных двигателей.
Следующей по эффективности идёт одна из разновидностей электростатических ракетных двигателей – стационарный плазменный двигатель.
Схема работы плазменного двигателя, разработанного в Центре Келдыша.
У плазменного двигателя более высокая концентрация ионов в рабочей камере, что даёт большую тягу при одинаковых масса-габаритных характеристиках с ионным двигателем. Да и энергию к ним подвести можно в тысячи раз большей мощности. А это уже даёт возможность эффективно использовать плазменный двигатель в качестве маршевого двигателя космического аппарата.
Работы по таким двигателям уже ведутся. Пример тому - американский плазменный двигатель «VASIMR» мощностью 200 кВт и Российский «БПРД» мощностью 100 кВт.
Тяги этих двигателей уже достаточно, чтобы космический аппарат массой в 1 тонну достиг Марса за 41 день. Согласитесь, это уже лучше, чем 6-12 месяцев лететь на химическом ракетном двигателе.
Однако такие двигатели уже сильно требовательны к энергии, и для реализации концепции полёта на плазменных двигателях нужны мегаватты электрической энергии.
США уже более 15 лет работают над двигателем "VASIMS". На данный момент пока всё на стадии экспериментальных наземных испытаний.
К сожалению, в космосе получить подобную электрическую мощность крайне сложно, о чём я писал в статье «Российский Ядерный Космический Буксир создаётся не для исследования космоса».
Однако работы в этом направлении активно идут. Наиболее проработанной и близкой к практической реализации на сегодня является программа «Нуклон», в рамках которой "Роскосмос" создаёт ядерный космический буксир «Зевс».
Макет космического аппарата "Зевс" с ядерным реактором для полётов к планетам Солнечной системы, продемонстрированный на авиакосмическом салоне "МАКС-2021". Космический корабль должен отправиться в космос к 2030 году по маршруту Земля - Луна - Венера - Юпитер.
И на сегодня это единственная реализуемая технология, которая обеспечит пилотируемые путешествия к планетам Солнечной системы в разумные сроки, да ещё и с возможностью возвращения экипажа на Землю.
Так, по расчётам до Юпитера и обратно «Зевс» на ионных двигателях "ИД-500" затратит всего 2 тонны топлива (с учётом применения гравитационных манёвров).
Полёт "Зевса" до Марса на плазменном двигателе типа «БПРД» или «VASIMR» по расчётам займет всего 1,5 месяца (с полным торможением на его орбите), а запаса топлива (10 тонн) хватит для возвращения обратно на Землю. При этом экипаж будет независим от так называемого
полётного окна, которое для полёта на Марс открывается раз в 2 года. В худшем случае полёт займёт 3-4 месяца вместо 1,5.
При этом топливная эффективность просто поражает. Так, например, если мы используем всё вещество во вселенной (10 в 53 степени кг) в качестве топлива, например, для обычного химического ракетного двигателя Илона Маска "Раптор", то "Starship" разовьёт скорость всего в 500 км/сек и затем топливо закончится.
Аналогичную скорость «Зевс» разовьёт, израсходовав всего 12000 тонн топлива.
Более подробно про концепцию ядерных двигателей и российскую программу "Нуклон" я писал в сатье "Космические аппараты высокой энерговооружённости"
Покорять Солнечную систему человечество будет при помощи плазменных двигателей на ядерной тяге. Это уже в 1000 раз эффективнее современных ракетных химических двигателей.
Однако, хотя концепция «Зевса» и его будущее развитие позволяют начать экспансию Солнечной системы и перемещаться по ней в разумные сроки, даже эта технология не позволит нам достичь звёзд и других планетарных систем. Потребуется совершенно другой подход к космическим путешествиям, который теоретически начал прорабатываться, и уже даже есть обнадеживающие результаты по технологии искривления пространства-времени (Варп-двигатель), но об этом поговорим в следующей статье.
Без Варп-двигателя или полёта через гиперпространство ( пространство анти-де Ситтера), похоже, не обойтись. И работы по этим направлениям уже начаты.
-------------------------------------------------------------------------------------------------
https://zen.yandex.ru/media/dbk/my-nikuda-ne-poletim-s-zemli-bez-giperdvigatelia-i-nam-pridetsia-ego-sozdat-esli-hotim-osvaivat-kosmos-610bd5548b5c8b6b3de2eec3
Это интересно
+2
|
|||
Последние откомментированные темы:
-
Ответы на детские вопросы про "Лунную Афёру"
(1)
kauperwud
,
28.02.2022
-
Космический корабль в несколько километров: все, что известно о новом проекте Китая
(2)
андрей1
,
27.02.2022
-
ЗАГАДКИ "ПАРАДОКСА ФЕРМИ" БОЛЬШЕ НЕТ?
(3)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Марсианские реки
(1)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Семь спорных причин считать, что на Земле существовали цивилизации до людей
(1)
donskarloss@gmail.com
,
24.02.2022
-
ОБРАЩЕНИЕ.
(4)
vladmiza
,
24.02.2022
-
Старт переносится на... Как часто нам это приходится слушать? Ну когда же, наконец!
(1)
тимм
,
23.02.2022
-
Выйдя в межзвездное пространство, «Вояджеры» стали передавать сигналы, которые сильно заинтересовали
(2)
тимм
,
23.02.2022
-
Гравитация, время, карусель
(1)
vladmiza
,
20.02.2022
-
НАСА надоели разговоры о смертоносной планете Нибиру, и оно выступило с заявлением
(8)
maestro1965
,
20.02.2022
20240502155434