Через тернии к звёздам

Можно было бы начать эту статью традиционным пассажем про то, как писатели-фантасты выдвигают смелые идеи, а ученые потом воплощают их в жизнь. Можно, но писать штампами не хочется. Лучше вспомнить, что современные ракетные двигатели, твердотопливные и жидкостные, имеют более чем неудовлетворительные характеристики для полетов на относительно дальние дистанции. Вывести груз на орбиту Земли они позволяют, доставить что-то на Луну – тоже, хотя и обходится такой полет дороже. А вот полететь на Марс с такими двигателями уже нелегко. Им подавай горючее и окислитель в нужных объемах. И объемы эти прямо пропорциональны расстоянию, которое надо преодолеть.

russkie_miry_probuzhdenie_silyАльтернатива традиционным химическим ракетным двигателям – двигатели электрические, плазменные и ядерные.

Из всех альтернативных двигателей до стадии разработки двигателя дошла только одна система – ядерная (ЯРД). В Советском Союзе и в США еще в 50-х годах прошлого века были начаты работы по созданию ядерных ракетных двигателей. Американцы прорабатывали оба варианта такой силовой установки: реактивный и импульсный. Первая концепция подразумевает нагрев рабочего тела при помощи ядерного реактора с последующим выбросом через сопла. Имульсный ЯРД, в свою очередь, движет космический аппарат за счет последовательных взрывов небольшого количества ядерного топлива.

Также в США был придуман проект «Орион», соединявший в себе оба варианта ЯРД. Сделано это было следующим образом: из хвостовой части корабля выбрасывались небольшие ядерные заряды мощностью около 100 тонн в тротиловом эквиваленте. Вслед за ними отстреливались металлические диски. На расстоянии от корабля производился подрыв заряда, диск испарялся, и вещество разлеталось в разные стороны. Часть его попадала в усиленную хвостовую часть корабля и двигала его вперед. Небольшую прибавку к тяге должно было давать испарение плиты, принимающей на себя удары. Удельная стоимость такого полета должна была быть всего 150 тогдашних долларов на килограмм полезной нагрузки.

Дошло даже до испытаний: опыт показал, что движение при помощи последовательных импульсов возможно, как и создание кормовой плиты достаточной прочности. Но проект «Орион» был закрыт в 1965 году как неперспективный. Тем не менее, это пока единственная существующая концепция, которая может позволить осуществлять экспедиции хотя бы по Солнечной системе.

До строительства опытного экземпляра удалось дойти только реактивным ЯРД. Это были советский РД-0410 и американский NERVA. Они работали по одинаковому принципу: в «обычном» ядерном реакторе нагревается рабочее тело, которое при выбросе из сопел и создает тягу. Рабочим телом обоих двигателей был жидкий водород, но на советском в качестве вспомогательного вещества использовался гептан.

Тяга РД-0410 составляла 3,5 тонны, NERVA давал почти 34, однако имел и большие габариты: 43,7 метров длины и 10,5 в диаметре против 3,5 и 1,6 метров соответственно у советского двигателя. При этом американский двигатель в три раза проигрывал советскому по ресурсу – РД-0410 мог работать целый час.

Однако оба двигателя, несмотря на перспективность, тоже остались на Земле и никуда не летали. Главная причина закрытия обоих проектов (NERVA в середине 70-х, РД-0410 в 1985 году) – деньги. Характеристики химических двигателей хуже, чем у ядерных, но цена одного запуска корабля с ЯРД при одинаковой полезной нагрузке может быть в 8-12 раз больше пуска того же «Союза» с ЖРД. И это еще без учета всех расходов, необходимых для доведения ядерных двигателей до пригодности к практическому применению.

Вывод из эксплуатации «дешевых» Шаттлов и отсутствие в последнее время революционных прорывов в космической технике требует новых решений.

Про­блема пере­ме­ще­ния в кос­мосе стоит перед чело­ве­че­ством с момента начала орби­таль­ных поле­тов. Ракета взле­тая с земли рас­хо­дует прак­ти­че­ски все свое топ­ливо, плюс заряды уско­ри­те­лей и сту­пе­ней. И если ракету еще можно ото­рвать от земли, запра­вив её огром­ным коли­че­ством топ­лива, на кос­мо­дроме, то в откры­том кос­мосе заправ­ляться попро­сту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно дви­гаться дальше. А топ­лива нет.

И в этом то и состоит основ­ная про­блема совре­мен­ной кос­мо­нав­тики. Выбро­сить на орбиту корабль с запа­сом топ­лива до луны еще можно, под эту тео­рию стро­ятся планы создать на луне базу доза­правки «даль­но­бой­ных» кос­ми­че­ских кораб­лей, летя­щих напри­мер на  Марс. Но это все слиш­ком сложно и дорого.

А реше­ние про­блемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алек­сей Ива­но­вич Моро­зов опуб­ли­ко­вал ста­тью «Об уско­ре­нии плазмы маг­нит­ным полем». В ней он опи­сы­вал кон­цеп­цию прин­ци­пи­ально нового кос­ми­че­ского двигателя.

Человечество подошло к тому рубежу, когда имеющиеся в его распоряжении технологии космических двигателей себя исчерпали. Начиная с первых полетов в космос и до настоящего времени в космических аппаратах используются жидкостные ракетные двигатели. Несмотря на технический прогресс, их характеристики мало изменились, – по сути, они достигли своего предела. Поэтому ученые ищут возможности для реализации более совершенных типов ракетных двигателей. Одной из наиболее перспективных разработок сегодня считается ионный двигатель. В отличие от жидкостного двигателя, которому требуется гигантское количество топлива для достижения требуемой скорости, ионный двигатель очень экономичен. Пока его нельзя использовать для старта с Земли, так как он не обладает требуемой тягой, зато его удельная тяга очень велика. Такой двигатель позволит плавно разогнать космический корабль до сотен км/c, что для современных ЖРД невозможно в принципе.  Для этого потребовалось такое количество топлива, что на полезную нагрузку не осталось бы места.

Ионный двигатель относится к классу электрических ракетных двигателей и обладает высокой удельной тягой и экономичностью. Его применение для полета на планеты Солнечной системы позволит увеличить скорость космического корабля в десятки раз.

Ионный двигатель относится к электрореактивным ракетным двигателям. Принцип его работы следующий.  Ионы (электрически заряженные атомы) проходят через электрическую решетку и вылетают через сопло двигателя, разгоняясь магнитным полем. В современных разработках, таких, как проект VASIMR для повышения эффективность ионного двигателя повышается за счет нагрева частиц до состояния плазмы. Для этого, в частности применяется радиочастотный генератор. Температура плазмы достигает миллионов градусов, что сопоставимо с температурой внутри Солнца. В результате достигается высокий КПД, что открывает широкие возможности для исследования как ближних, так и дальних планет Солнечной системы.

Чтобы дать наглядное представление о возможностях ионного двигателя, достаточно привести несколько цифр.

Для полета на Марс с традиционным жидкостным двигателем космическому кораблю потребовалось бы от 2 до 4 лет полета в одну сторону, в то время как ионный двигатель позволит преодолеть это расстояние менее, чем за 40 дней. Это открывает возможность для пилотируемых экспедиций, поскольку время пребывания в пути становится приемлемым для экипажа. Важной проблемой, которую требуется решить при создании мощных ионных двигателей, является обеспечение силовой установки электроэнергией, которой для большого космического аппарата требуется немало. Солнечные батареи могут быть использованы лишь частично и лишь при условии близкого нахождения к Солнцу. Кардинально решить вопрос может решить ядерный реактор, который в данный момент разрабатывается Россией. Считается, что это будет ядерный ракетный двигатель. Но он может работать на разных принципах: как создавая тягу, непосредственно разгоняя рабочее вещество, так и в качестве энергоустановки. Подробности этого проекта не разглашаются, однако, в случае его успешного создания он сможет обеспечить энергией любую электрореактивную силовую установку, в частности ионный двигатель. Авторы российского проекта планируют завершить разработку к 2018 году.

В Воронеже создан ионный двигатель для дальнего космоса.

Разработанный в Воронеже электроракетный реактивный двигатель в сентябре 2015 года успешно прошел первые огневые испытания на специальном стенде Московского авиационного института, сообщили в КБ химавтоматики (КБХА).

Агрегат работает за счет реактивной струи ионизированного газа, разгоняемого в электромагнитном поле. Эта силовая установка имеет малую тягу, но длительный ресурс работы, благодаря чему эффективна при дальних перелетах. КБХА совместно с МАИ занимается разработкой ионного двигателя с 2013 года, после того как конструкторское бюро выиграло субсидию Минобрнауки на создание высокотехнологичного производства.

“Первое успешное испытание показало, что выбранные нами конструкторские решения верны, поэтому в ближайшее время огневые испытания изготовленного экземпляра двигателя продолжатся. Мы будем анализировать их результаты, что в свою очередь позволит продвинуться дальше в создании электроракетных двигателей ионного типа”, –  рассказал главный конструктор по направлению Андрей Иванов.

А 14 января 2016 года пришло сообщение об успешном испытании первого ионного двигателя, предназначенного для применения в космической индустрии. Теоретически эти двигатели были описаны в начале прошлого века и получили известность благодаря научной фантастике. “Звёздные войны”, “Стартрек”, везде космические корабли оснащались этими двигателями (справедливости ради, совместно с гиперприводами, сворачивателями пространства-времени и прочими не воспроизводимыми штуками). И вот теперь “НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ” отчитался об успешных огневых испытаниях в вакуумной камере.

Преимущество ионного двигателя в том, что он даёт очень высокую скорость истечения материи. Однако, из-за очень малой массы этой материи, двигатель становится не только суперэкономичным (т.е. пригодным для применения в дальней космонавтике), но и обладающим крайне малой тягой (т.е. очень медленным разгоном). Как это работает? Из школьного курса физики знаем о законе сохранения импульса. А он гласит, что передаваемая импульс прямо пропорционален отношению масс тела 1 и тела 2, а так же отношению скоростей этих тел соответственно. Другими словами, разогнать комсический аппарат можно либо оттолкнув от него большую массу с приемлемой скоростью (классические реактивные двигатели), либо оттолкнуть от него очень малую массу со сверх скоростью (ионные двигатели). Скорость истечения в ионных двигателях теоретически не ограничена, поэтому перед нами открываются большие перспективы. С чем нас всех и поздравляю!

В ближайшее время ионные двигатели будут применяться для коррекции орбит спутников, их поддержания и маневрирования.

Итак: Роскосмос объявил об успешном завершении испытаний ионного двигателя.

На испытательном комплексе Конструкторского бюро химавтоматики (г. Воронеж) успешно завершена серия первых огневых испытаний высокочастотного ионного электроракетного двигателя.
Этот двигатель – совместная разработка КБХА и Московского авиационного института (МАИ). Испытания успешно проведены на специальном вакуумном стенде и подтвердили соответствие параметров двигателя характеристикам, заложенным в техническом задании.

Работы с двигателем продолжаются: запланировано проведение серии новых огневых испытаний для наработки ресурса и проверки стабильности подтвержденных характеристик при длительной эксплуатации.

Создание электроракетных двигателей было начато на предприятии в 2012 году. К разработке ионного электроракетного двигателя коллектив приступил после того, как КБХА выиграло в 2013 году конкурс Министерства образования и науки РФ на получение субсидий для реализации комплексных проектов по организации высокотехнологичного производства. Предприятие вошло в число победителей с проектом «Создание высокотехнологичной производственно-испытательной базы для разработки, стендовой отработки и промышленного производства электроракетных двигателей нового поколения». Цель государственной поддержки также – развитие кооперации производственных предприятий, российских высших учебных заведений и государственных научных учреждений, именно поэтому у каждого избранного проекта два исполнителя: в частности, творческим партнером КБХА стал НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ.

В отличие от жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), разработкой которых специалисты КБХА занимаются уже более полувека, электроракетные двигатели в последние годы стали новым направлением работ на предприятии. Предназначенные для использования в составе космических аппаратов, они могут способствовать решению широкого круга задач: коррекции и стабилизации рабочей орбиты спутников, их выводу с низких на высокие орбиты, а также осуществлению полетов в дальний космос.

Основные преимущества ионного двигателя перед обычными химическими – это малый расход рабочего тела (соотвественно – продолжительное время работы) и гораздо более высокая скорость истечения ускоренного потока частиц.

Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.
Правда вследствие очень малой тяги ионный двигатель будет разгонять КК очень долго.
Хорошая аналогия была про спортивную машину, которая разгоняется до 200 км/ч за сутки. 🙂

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона.

P.S. badgun159

Вот тут полное описание на большой 500 мм ионный двигатель (ИД) ВЧИД-45 с ионизатором диаметром 48.6 см номинальной мощностью 35 кВт, тягой 760 мН и удельным импульсом 7000 с.

И, да, чтобы избежать недоразумений, следует сказать, что ранее ксеноновые ионные двигатели уже применялись NASA, черпая энергию для разгона частиц солнечным парусом, так что это не наша исключительная новинка. Теоретически двигатели работают по одной модели, однако очень хочется сопоставить ряд технических решений. Вот только эта информация закрыта от широкой публики. “Ноу-хау”, как никак. Живём во время патентов и интеллектуальной собственности.

Специально для «РУССКОЙ СИЛЫ» подготовил Макс Елев