Ракетные двигатели для межпланетных полётов
Ракетным двигателем (РД) называется тип реактивного двигателя, который не использует ни энергию, ни рабочее тело из внешней среды для своей работы. По сути, РД является установкой, имеющей в своем составе запас рабочего тела и источник энергии. Реактивная тяга в таком двигателе получается путем преобразования любого вида энергии в кинетическую энергию рабочего тела. Одной из главных характеристик РД является удельный импульс, измеряемый в м/с, кгс или тс (отношение количества движения, получаемого двигателем, к массе израсходованного рабочего тела), однако в двигателестроении часто используют немного другую характеристику — удельную тягу, измеряемую в тех же величинах.
Скорость движения современных космических кораблей невысока (к примеру, теоретически при достаточном количестве топлива время полета до Марса составляет от двух-трёх месяцев до полутора-двух лет в зависимости от расстояния до Земли), а все осуществленные разгоны межпланетных зондов используют гравитационное ускорение планет. Создание ракетных двигателей для межпланетных перелётов предполагает повышение скорости истечения рабочего тела с одновременным уменьшением его расхода.
В зависимости от вида используемой энергии различают несколько типов двигателей:
Химические двигатели
Самый распространенный тип ракетного двигателя. Принцип работы основан на экзотермической реакции горючего и окислителя с последующим истеканием нагретых продуктов сгорания через сверхзвуковое сопло. В зависимости от формы, в которой горючее и окислитель находятся в топливной емкости, различают твердотопливные, жидкостные и гибридные РД (твердое горючее + жидкий окислитель). Существующие химические ракетные двигатели обладают достаточно высокой начальной тягой при невысоком удельном импульсе. Однако, как показывает практика, современные химические РД уже подошли к своему технологическому пределу, что ограничивает их использование в будущих космических полетах к другим планетам.
Электрические двигатели (ЭРД)
Такие РД используют электрическую энергию как источник энергии для создания тяги. В зависимости от способа преобразования электроэнергии в кинетическую энергию реактивной струи различают три типа ЭРД: электростатические (ионные), электромагнитные и электротермические.
Главными преимуществами таких двигателей являются высокий удельный импульс (от 10 до 210 км/с) и малый расход рабочего тела, что обеспечивает длительный срок активного существования космического аппарата, однако отсюда вытекает серьёзный недостаток в виде большого количества электроэнергии для создания тяги, а также неспособность работать в атмосфере. Так как доступная космическому аппарату мощность источников электрической энергии ограничена, это ограничивает и тягу, создаваемую ЭРД. В настоящий момент большинство электрических двигателей используют в качестве источника энергии солнечные батареи.
Часто в этой группе отдельно выделяют плазменные двигатели, в которых рабочее тело приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы. Такие двигатели различной конструкции разрабатывались с 1960-х гг., однако на данный момент есть лишь несколько проектов, разрабатываемых полноценно, среди которых — VASIMR (США) и СПД (Россия). Самый современный российский плазменный двигатель СПД-230, разработанный ОКБ «Факел», был представлен в 2022 году. Потенциал таких двигателей высок. Тем не менее, сейчас возможно их применение в качестве двигателей для корректировки орбиты МКС и околоземных спутников.
Ядерные двигатели
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма). В СССР развёрнутое постановление правительства по проблеме создания ЯРД было подписано в 1958 году. Этим документом руководство работами в целом было возложено на академиков М. В. Келдыша, И. В. Курчатова и С. П. Королёва. К работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. ЯРД активно разрабатывались КБХА в Воронеже и испытывались в СССР (РД-0410) и США (NERVA) с середины 1950-х. Преимущества ядерных двигателей — удельный импульс выше, чем у химических двигателей; — ЯРД более компактны; — более высокий энергозапас; — возможность получения высоких значений тяги — у испытанных в 20-м веке прототипов ЯРД значение тяги было минимум вдвое выше, чем у современных химических РД; — возможность построения полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя. Недостатки ядерных двигателей — авария летательного аппарата с ЯРД приведет к загрязнению атмосферы и поверхности планеты, что принесет не только прямой вред экологии, так и осложнит геополитическую ситуацию; — вместе с рабочим телом идет истечение радиоактивных газов, сюда же можно отнести и возможные утечки; — ядерные отходы остаются радиоактивными в течение длительного времени, несмотря на то, что большая их часть распадается за несколько месяцев. Захоронение ядерных отходов также сопряжено с техническими и политическими проблемами. На данный момент ЯРД не имеют практического применения, несмотря на то, основные проблемы, касающиеся их создания, были решены ещё в прошлом веке. Однако в дальнейшем развитие космонавтики может не обойтись без использования ЯРД, так как химические РД, как упоминалось выше, уже достигли своего предела эффективности.
Фотонные двигатели
Фотонные РД в качестве источника энергии используют тело, излучающее свет, либо аннигиляцию (реакцию взаимодействия вещества и антивещества). Так как фотон имеет импульс, то при истекании из двигателя свет может создать реактивную тягу. В теории это дает максимально возможные значения удельной тяги и позволяет достичь скоростей, близких к световой, однако при современном уровне технологий создать такой двигатель не представляется возможным. Тем не менее, некоторые гипотетические проявления эффекта фотонного двигателя все же были зафиксированы при анализе движения космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11».
Сюда же можно отнести так называемые «солнечные» или «световые паруса» — приспособления, использующие давление света для приведения космического аппарата в движение. Однако их применение для реализации полномасштабных космических полетов крайне ограничено из-за необходимости использования огромных площадей таких парусов (чтобы достичь приемлемых скоростей движения), а также тысяч лазеров для разгона таких космических аппаратов. Эффективность такого двигателя также зависит от расстояния до источника света. Тем не менее, давление света закладывается в расчеты при определении гравитационного поля Земли из траекторий движения геофизических спутников.
Варп-двигатели или гипердвигатели
В научной фантастике так называют двигатели, принцип работы которых основан на деформации пространства перед и позади космического аппарата (в общих чертах это описано в известной фантастической вселенной «Звездный путь»). Искривление пространства (при этом сам космический аппарат внутри поля остается неподвижным, то есть перемещается само искривленное пространство) позволяет двигаться во много раз быстрее света, однако постройка таких двигателей не представляется возможной и существует лишь в виде теорий.
