Энергия для полета в космос: идеи ученых со времен Юрия Гагарина до наших дней
Пока фантасты хвастают новыми концепциями космических двигателей, инженеры-ракетостроители полируют до блеска технологии, созданные во времена Юрия Гагарина. Какое ракетное топливо до сих пор считается лучшим, какова роль энергетики в освоении космоса, на чем человечество полетит к далеким планетам и почему реальность увлекательнее любой фантастики — корреспондент «Энергии+» выяснил в самый подходящий для этого день — День космонавтики.
Полеты во сне и наяву
В «Стране багровых туч» Стругацких топливом для космических кораблей служит мощный поток света, бьющий в исполинских размеров отражатель. В «Аэлите» Толстого — несуществующее в реальности взрывчатое вещество, способное разгонять ракеты до субсветовых скоростей. В «Задаче трех тел» Лю Цысиня двигатель был способен сжимать и расширять пространство перед и за звездолетом, преодолевая одним махом миллионы километров. Писатели-фантасты, а вслед за ними сценаристы и режиссеры предложили немало сказочных идей для космических путешествий, но известные нам законы физики пока не позволяют оторваться от Земли на чем-то другом, кроме как на химических двигателях.
Принцип действия химических двигателей един: топливо сгорает в камере и раскаленной реактивной струей вырывается из сопла, разгоняя космический аппарат до первой и второй космических скоростей. Если вы когда-нибудь запускали фейерверки, то понимаете, как это выглядит: ракета-носитель, по сути, и есть потомок фейерверков, которые человечество изобрело еще в XIII веке.
— В 1903 году отец-основатель мировой космонавтики Константин Циолковский предложил использовать в качестве ракетного топлива кислород и водород, — рассказывает доцент базовой кафедры физики космоса Института космических исследований РАН, доктор физико-математических наук Натан Эйсмонт. — По сей день эта пара остается наилучшим решением с точки зрения физико-химических и экологических параметров. Водород используется в качестве основного горючего вещества, кислород же выступает как окислитель, который позволяет добиться более высокой температуры горения и за счет этого — высокой скорости реактивной струи и большой тяги.
«Наилучший» не значит «единственный». Водород — сложный химический элемент. Из-за низкой плотности ему нужны топливные баки большего размера, в жидком виде он быстро испаряется и образует с воздухом взрывоопасную смесь, которую надо так же быстро отводить. За сто с лишним лет с начала теоретических изысканий Циолковского была изобретена масса вариантов ракетного топлива. В качестве его основных компонентов могут выступать газ, керосин, жидкий метан, азот и многое другое. Есть даже «карамельное топливо», в составе которого используются калийная селитра и обыкновенный сахар. Его предпочитают в основном ракетостроители-любители. Ракето-носители, которые ровно 63 года назад доставили Юрия Гагарина и его космический корабль «Восток-1» в космос, были оснащены химическими двигателями, работающими на смеси кислорода и керосина.
Для того чтобы достичь максимального импульса, топливо в камеру сгорания химического двигателя нагнетается под очень высоким давлением — до 300 атмосфер. Оно настолько сжато, что на каждый квадратный сантиметр камеры давит с силой свыше 300 килограммов. Сжать его еще сильнее невозможно.
Натан Эйсмонт
Доцент базовой кафедры физики космоса Института космических исследований РАН, доктор физико-математических наук
Топливо ракеты тратится не только на ее запуск, но и на сверхмощные турбины, управляющие насосами, которые нагнетают кислород и водород в камеру сгорания. Вся система сбалансирована: чуть увеличишь расход на турбины, чтобы добиться более высокого давления в камере, и ракете не хватит энергии для отрыва от Земли. Подашь сверх положенного на сопла — ослабнут турбины и не получится создать нужное давление.
— Сегодня есть, пожалуй, единственный способ немного усовершенствовать химические двигатели — использовать вместо кислорода в топливной смеси фтор, — объясняет ученый. — Такие эксперименты проводились в середине прошлого века в СССР. Выяснилось, что фтор обладает колоссальной окислительной способностью. Горение во фторе дает больше тепла и обеспечивает больший удельный импульс, нежели горение в кислороде. Однако фтор в чистом виде и его соединения невероятно ядовиты, поэтому экспериментами все в конечном счете и ограничилось.
На малой тяге
В 1960-х начались эксперименты с электрореактивными двигателями (ЭРД). За полвека появились идеи импульсных, термических, плазменных, ионных, магнитодинамических и других модификаций.
В химическом двигателе тяга создается за счет выбрасывания наружу сгорающего топлива, а в электрореактивном ракета взлетает благодаря ионизированному газу, который разгоняет электрическое поле. Оно отрывает от атомов газа (как правило, ксенона) положительно заряженные частицы — электроны. От этого атомы превращаются в ионы, и поле выталкивает их из сопла. Дальше в дело вступает третий закон Ньютона: с какой силой частицы выталкиваются наружу, с такой же они отталкивают ракету. Образуется тяга, и аппарат выводится на заданную траекторию.
— Электрореактивные двигатели по мощности слабее, чем химические, — продолжает Натан Эйсмонт. — Зато если в химических топливо сгорает за несколько минут, то электрореактивные могут непрерывно работать неделями и месяцами.
Пока ракеты-носители на ЭРД не летают, но разработки в этом направлении активно ведутся. Высказывались предположения, что совсем скоро удастся перевести на ЭРД как минимум одну или несколько ступеней, чтобы стартовала ракета на жидкостном двигателе, а затем газ ксенон подталкивал ее выше и выше вплоть до орбиты.
Главный вопрос: откуда взять электрическое поле, заряжающее и ускоряющее частицы? Можно использовать солнечные батареи, однако их КПД невысок, да к тому же для того, чтобы нормально питать двигатели энергией, они должны достигать очень больших размеров. Инженеры предлагают решить эту проблему, пристроив к ЭРД атомный реактор.
— Вот уж там проблем не будет ни с мощностью, ни со стабильностью генерации, — говорит Натан Эйсмонт. — Можно и на пилотируемую космонавтику замахнуться. Звездолет с ядерным приводом — звучит! Но не все так просто.
В полет отправляется «Зевс»
— На пути создания электрореактивного двигателя с ядерным приводом встает вопрос безопасности, — продолжает Эйсмонт. — У космонавта и так работа непростая, а мы ему еще практически полноценную АЭС даем под бок. К тому же эта АЭС генерирует огромное количество тепла, которое нужно куда-то отводить. На Земле избыточное тепло без особых проблем рассеивается в атмосфере, но в безвоздушном пространстве так сделать не получится.
Несмотря на многие годы исследований и экспериментов, основной сферой использования ЭРД остается беспилотная космонавтика. Там они применяются чрезвычайно широко: от спутников связи до исследовательских зондов, выполняющих сверхдальние космические миссии. Один такой прямо сейчас, пока мы с вами разговариваем, летит к Психее — массивному астероиду, почти целиком состоящему из металла, который удален от Земли на расстояние свыше 450 миллионов километров.
Существуют проекты чисто ядерных двигателей. В них рабочее тело — как правило, предлагается водород — проходит через активную зону реактора, разогревается и выбрасываться наружу. В России разрабатывается первый в мире ядерный буксир «Зевс», который сможет доставлять грузы на Луну и Марс, летать с исследовательскими миссиями к Венере и другим дальним космическим телам, а также собирать на орбите Земли вышедшие из строя спутники и защищать планету от опасных астероидов. Первый полет «Зевса» пока что назначен на 2030 год — он отправится искать жизнь на спутниках Юпитера.
Энергетика и космос
Нефть, газ, водород, уран — топливо не единственный вклад энергетической отрасли в развитие космоса.
Для того чтобы обеспечить экипаж звездолета термокостюмами, необходимыми для выхода в открытый космос, нужны нейлоновый спандекс и полихлорвиниловые трубки, по которым циркулирует теплоноситель. Силовая оболочка, поддерживающая форму мягких частей, а также перчатки и ботинки, состоят из нейлона, неопрена и огнестойкой резины, а защитное стекло на шлеме — из прозрачного поликарбоната. Все это — продукты переработки нефти и газа.
Если вы еще не знаете, чем профессия нефтяника похожа на профессию космонавта, то самое время перейти по ссылке.
Ох уж эти сказки
В разное время ученые придумывали много невероятных концептов ракетных двигателей. Вот лишь некоторые из них:
- Взрыволет. Для полета в космос предполагалось использовать энергию ядерных взрывов: сбрасывать с космического корабля небольшие ядерные заряды, ударная волна от которых толкала бы корабль вверх.
- Фотонный звездолет. Здесь тягу планировали развивать за счет фотонов света, имеющих заряд и импульс. Разрабатывался такой двигатель в 1970-е годы. По задумке ученых, фотонный звездолет должны были собрать на орбите Юпитера, а потом отправить в межзвездное пространство для сбора научных данных.
- Космический аппарат на сингулярном реакторе. Источником энергии в этом варианте должна была послужить микроскопическая черная дыра, постоянно выбрасывающая заряженные частицы.
- «Спутник Дайсона — Харропа». Предполагается, что этот космический аппарат будет генерировать энергию из солнечного ветра при помощи заряженного проволочного кольца, захватывающего электроны и преобразующего их в электрический ток.
