Валентин Підвисоцький
Досягнення в освоєнні космічного простору залежать від рівня розвитку рухових систем. Визначальним чинником ефективності двигунів космічних апаратів, є їх енергетичні характеристики. По виду використовуваної енергії рухові установки підрозділяються на чотири типи: термохімічні, ядерні, електричні, сонячно-вітрильні. В даний час основою космонавтики є потужні термохімічні двигуни. Електричні і ядерні установки знаходяться на стадії розвитку, і в майбутньому зможуть знайти широке застосування в космічній техніці. Те ж можна сказати і про сонячно-вітрильних двигунах та інших перспективних силових установках.
У даній статті розглядається новий тип двигунів, що працюють на кінетичної енергії космічного апарату (або зустрічного потоку речовини, залежно від вибору системи координат). Принцип дії двигуна заснований на захопленні і гальмуванні зустрічного потоку речовини. Захоплене речовина потрапляє всередину двигуна. У результаті його гальмування, виділяється енергія. Частина цієї енергії, тим чи іншим чином, може бути використана для прискорення бортових запасів реактивної маси. За певних умов, реактивна сила тяги перевищує силу гальмування, і космічний апарат збільшує швидкість польоту. Швидкість космічного апарату зростає, а його маса, імпульс і кінетична енергія зменшуються (відповідно до законів збереження).
Можливі різні варіанти рухових установок нового типу. Наприклад, кінетичний двигун, в якому відбувається безпосереднє перетворення частини кінетичної енергії зустрічного потоку газу в енергію робочого тіла. Цей двигун складається з наступних, об'єднаних в одне конструктивне ціле частин:
массозаборніка, і дифузора, для гальмування захопленого газу;
камери, в якій нагрітий, внаслідок гальмування, до дуже високої температури газ змішується з робочим тілом;
реактивного сопла, через яке, розширюючись, закінчується отримана суміш.
Кінетичний двигун може використовуватися при польотах в атмосфері планет-гігантів. Припустимо, космічний апарат летить у верхніх шарах атмосфери Урана, зі швидкістю 20 км / с. Космічний апарат знаходиться в аеродинамічній тіні розтруба массозаборніка. Через массозаборнік, всередину двигуна потрапляє 1кг водню. Його кінетична енергія 200тис.кДж, імпульс 20тис.кг ∙ м / с. ККД двигуна 70%. У результаті гальмування захопленого газу, його кінетична енергія перетворюється на теплову енергію. Щоб отримати максимальну питому тягу, витрата робочого тіла повинен становити 2,422 кг. Розпечений водень змішується з робочим тілом, і утворилася суміш у кількості 3,422 кг, закінчується через реактивне сопло. Її кінетична енергія 140тис.кДж, швидкість витікання 9045м / с, імпульс 30955кг ∙ м / с. Якщо різницю імпульсів (10955кг ∙ м / с), розділити на витрату робочого тіла (2,422 кг), отримаємо ефективну швидкість витікання 4523м / с. Якщо розділити ефективну швидкість витікання на коефіцієнт 9,81 м / с ², отримаємо питому тягу 460с.
Ефективність массозаборніка значно збільшиться, якщо забезпечити двигун джерелом магнітного поля (соленоїдом). Рух частинок плазми поперек силових ліній магнітного поля утруднено, і магнітне поле грає роль воронки, що направляє потоки заряджених частинок у двигун. У результаті, ефективний перетин массозаборніка може зрости в тисячі разів. Крім того, з'явиться додатковий енергетичний ефект. Магнітна воронка грає роль своєрідного фільтра, направляючи в двигун лише володіють значною енергією іонізовані частинки. Усередині двигуна іонізований газ змішується з робочим тілом. Відбувається гальмування і рекомбінація захоплених частинок, виділяється значна кількість тепла. Таким образам, бортові запаси робочого тіла будуть нагріватися не тільки за рахунок кінетичної енергії захопленого газу, але і за рахунок його хімічної енергії. Оскільки, що утворилася газова суміш складається в основному з нейтральних частинок, магнітне поле двигуна не буде перешкоджати її закінченню через реактивне сопло.
Кінетичний двигун, оснащений магнітною воронкою, може використовуватися при польотах в атмосфері планет земної групи. На висоті близько 300км над Землею, концентрація іонізованих частинок досягає максимального значення (приблизно 1млн іонів кисню в 1см ³). Для захоплення щосекунди 1кг плазми, при швидкості польоту 8км / с, потрібна магнітна воронка діаметром близько 110 км. Створення такої воронки, пов'язано з певними труднощами. Втім, щільність плазми значно зростає в періоди активності Сонця. Крім того, можна застосовувати штучні джерела плазми. У багатьох випадках, досить використовувати магнітну лійку значно меншого діаметру.
З метою дослідження магнітного поля Землі, проводилися досліди зі створення штучної комети. Супутник ІРМ, створений інститутом ім. Макса Планка, випустив на висоті 110 тисяч кілометрів, хмара заряджених частинок барію. Хмара спочатку було зеленим, а через півхвилини стало фіолетовим за рахунок іонізації під дією сонячних променів. Через 8 хвилин від хмари простягнувся хвіст на 20 тисяч кілометрів, а швидкість частинок барію під тиском сонячних променів досягла кілька десятків кілометрів на секунду. Зростання густини газу, підвищить ефективність магнітної лійки. Крім того, під тиском сонячних променів, зростає швидкість і енергія надходить у двигун газу. Цей спосіб доцільно застосовувати на навколоземних орбітах, і в центральних областях Сонячної системи.
Наступний спосіб полягає у використанні розжарених газів, викинутих з реактивного двигуна, встановленого на іншому космічному апараті. Можна організувати політ таким чином, щоб космічні апарати рухалися назустріч один одному. Подібна схема може використовуватися для доставки вантажів на навколоземну орбіту. Припустимо, на навколоземній орбіті рухається космічна станція, викидаючи перед собою потік плазми. Космічний апарат доставляється багаторазовим носієм на задану висоту, і починає рухатися назустріч потоку плазми, за допомогою кінетичного двигуна. Носій повертається на Землю.
Ставиться завдання, збільшити швидкість космічного апарату з 0км / с до 8км / с. Швидкість космічної станції 8км / с, швидкість витікання плазми 10км / с. У результаті додавання швидкостей, швидкість надходить у двигун плазми зростає з 18км / с до 26км / с. При ККД кінетичного двигуна 70%, і оптимальному режимі його роботи, маса космічного апарату зменшиться з 100т до 20т. Маса робочого тіла 80т, об'єм 40м ³ (при щільності 2000кг / м ³).
Припустимо, тривалість розгону 400 секунд, середня витрата бортових запасів робочого тіла 200кг / с. Ракетний двигун космічної станції в середньому повинен витрачати не менше 83кг / с маси. При швидкості витікання 10км / с це відповідає потужності більш 4млнкВт. Для створення потоку плазми такої потужності, може використовуватися термоелектричний двигун, з сонячної або ядерної енергоустановкою. За деякими оцінками, питома маса таких систем, приблизно 1кг/кВт. Таким чином, маса космічної станції складе не менш 4000т. Якщо корисне навантаження космічного апарату 5т, така транспортна система забезпечить вантажопотік порядку 500т на добу (з урахуванням того, що половина ресурсів маси і часу, витрачається на корекцію орбіти станції).
Для багаторазового використання кінетичних двигунів, необхідно створити недорогий атмосферно-космічний апарат, здатний повертатися на Землю. Його повернення можна організувати таким чином, щоб аеродинамічна сила була спрямована до центру Землі, перешкоджаючи передчасного виходу апарату з атмосфери. Апарат зможе зробити кілька витків навколо Землі, рухаючись на оптимальній висоті у верхніх шарах атмосфери, зі швидкістю значно перевищує першу космічну. При цьому надлишок тепла буде відводитися за рахунок випромінювання, швидкість польоту поступово зменшиться, без перевантажень і перегріву конструкції. Це дозволить спростити теплозахист, знизити необхідний запас міцності. У результаті зменшиться маса і вартість атмосферно-космічного апарату, збільшиться термін його служби. Після погашення надлишкової швидкості польоту, потрібно направити аеродинамічну силу в протилежному напрямку. Це можна здійснити за рахунок повороту апарату навколо поздовжньої осі на 180 °, або шляхом зміни геометрії його несучих поверхонь (крил).
Зазначений вище вантажопотік, значно перевищує потреби найближчого майбутнього. Ймовірно, реалізація таких транспортних систем зможе здійснюватися в рамках програм космічної енергетики. Основне завдання полягає у створенні потоку плазми (а не пересуванні космічної станції просторі). Тому, велика маса і розміри енергоустановки і ракетного двигуна, не є нездоланною перешкодою. Більш серйозна проблема поповнення запасів маси. При вантажопотоці 500т витрати маси на створення потоку плазми, становлять понад 7000т. Втім, якщо доставляти масу з Місяця, витрати на її транспортування складуть не більше 15 ... 20% загальних витрат енергії.
Цікавий спосіб розгону з використанням реактивного струменя, політ в кільватері іншого космічного апарату, на оптимальній відстані. Такий політ можливий, якщо «ведучий» апарат оснащений ракетним двигуном, зі швидкістю витікання газів десятки кілометрів на секунду. Лише в цьому випадку кінетичний двигун, встановлений на "підпорядкованому» космічному апараті, буде розвивати досить високу питому тягу. Захоплений газ складається з частинок з високим ступенем іонізації, при рекомбінації яких виділяється велика кількість додаткової енергії. Отже, при швидкості захопленого газу 20км / с, максимально можлива питома тяга кінетичного двигуна значно вище 460с (при ККД 70%).
Крім кінетичного двигуна, можливі інші варіанти рухових установок нового типу. Наприклад, двигун ЕОЛ. Цей двигун складається з массозаборніка, МГД-генератора і електрореактивних рушія. Принцип дії наступний. Захоплений магнітної воронкою іонізований газ проходить через канал МГД-генератора і, через реактивне сопло, випливає назовні. При частковому гальмуванні газу в каналі МГД-генератора, виробляється електричний струм, який приводить в дію реактивний рушій і всі бортові системи. Сила тяги електрореактивних рушія, перевищує силу, що виникає внаслідок гальмування газу усередині каналу МГД-генератора. У результаті, космічний апарат буде збільшувати швидкість польоту, відкидаючи частину своєї маси.
Щоб отримати найбільшу питому тягу, відпрацьований газ повинен спливати з реактивного сопла зі швидкістю, рівної швидкості витікання робочого тіла з реактивного рушія. Для створення сили тяги доцільно використовувати термоелектричні рушії. У таких движителях електричний струм нагріває робоче тіло до високої температури, в результаті швидкість витікання може досягати кілька десятків кілометрів на секунду. Регулюючи температуру робочого тіла, можна регулювати швидкість його закінчення. Крім того, термоелектричний рушій розвиває значну силу тяги.
Щільність міжпланетної середовища змінна величина, і може коливатися в дуже широких межах. При незначній щільності близько 10-17кг / м ³, ефективність вхідного пристрою буде низькою. Щоб забезпечити надходження щомиті близько 1кг плазми, при швидкості польоту 50км / с, потрібна магнітна воронка діаметром близько 1600км. Створення подібного пристрою досить проблематично. Очевидно, в міжпланетному просторі застосування двигуна ЕОЛ буде можливим, лише за наявності відповідних сприятливих обставин. Ці обставини, можуть виникати в результаті різних космічних процесів, або створюватися штучним шляхом.
При проходженні ядра комети поблизу Сонця, утворюється газово-пилові хмари. Гази, з яких воно складається, іонізуються під дією сонячних променів і можуть бути захоплені магнітної лійкою. Крім твердого ядра розміром 10 ... 50км, в будові комет виділяють газово-пилову оболонку (розміри досягають іноді 2млн км), і хвіст (він тягнеться іноді на 150млнкм). Якщо великі і малі планети обертаються навколо Сонця в одному напрямку, то комети не дотримуються ніяких правил. Зокрема, комета Галлея рухається практично назустріч Землі. Під час чергового проходження комети Галлея поблизу Сонця в березні 1986 року, автоматичні міжпланетні станції «Вега-1» і «Вега-2» пролетіли на відстані всього кілька тисяч кілометрів від ядра, через щільну газово-пилову оболонку зі швидкістю близько 80 км / с.
Припустимо, середня щільність плазми в газово-пиловій хмарі 10-14кг / м ³. Магнітна воронка діаметром близько 40 км, забезпечить щомиті надходження 1кг плазми. При швидкості 80 км / с, кінетична енергія 1кг плазми 3200тис.кДж. При загальному ККД системи "магнітна воронка - МГД-генератор» 70%, отримаємо 2240тис.кДж електричного струму. З них 50тис.кДж, витрачає холодильна установка. Решта 2190тис.кДж витрачає електрореактивних рушій. При ККД рушія 70%, кінетична енергія реактивної струменя складе 1533тис.кДж. Припустимо, струмінь реактивного рушія закінчується зі швидкістю 25740м / с, її маса 4,628 кг (імпульс прискорення 119125кг ∙ м / с). Захоплена плазма проходить через канал МГД-генератора, і випливає в міжпланетний простір зі швидкістю 25740м / с, її маса 1кг (імпульс гальмування 54260кг ∙ м / с). Якщо розділити прирощення імпульсу (64865кг ∙ м / с) на витрату бортових запасів реактивної маси (4,628 кг), отримаємо ефективну швидкість витікання (14016м / с). Якщо розділити ефективну швидкість витікання, на коефіцієнт 9,81 м / с ², отримаємо питому тягу 1430с. Тягове зусилля рухової системи 6618кг.
Приймаючи масу космічного апарату рівної 500т, отримуємо прискорення 0,130 м / с ². Якщо довжина газово-пилової хмари 1млн км, тривалість роботи рухової установки приблизно 210 хвилин (при відносній середньої швидкості польоту 80км / с). Загальне збільшення швидкості складе лише 1625м / с. Тягове зусилля рухової установки (прискорення космічного апарату) можна значно збільшити, за рахунок деякого зниження питомої тяги. Простий розрахунок показує наступне. Якщо збільшити щосекундний витрата бортових запасів реактивної маси в 10 разів (46,28 кг / с), питома тяга зменшиться в 2,1 рази (670с). Тягове зусилля зросте в 4,7 рази (31000кг). Прискорення космічного апарата складе 0,608 м / с ², загальна збільшення швидкості близько 7600м / с.
У процесі роботи рухової установки, потрібно забезпечити відведення від всіх її частин, певної кількості теплової енергії. Припустимо, ця енергія дорівнює 160тис.кДж (або 5% кінетичної енергії захопленої плазми). У космічному просторі відвід тепла можливий тільки випромінюванням (енергетична світність пропорційна четвертого ступеня температури). Якщо температура випромінюючої поверхні буде дорівнює 400К, площа випромінюючої поверхні складе 110тис.м ². Таким чином, система відводу тепла якщо не найважча, то сама громіздка частина енергоустановки. Крім того, висока ймовірність потрапляння метеоритів, що може порушити нормальну роботу системи. Великі розміри змушують збільшувати швидкість руху теплоносія, що обмежує розміри випромінюючої поверхні, а значить і потужність енергоустановки.
У двигуні ЕОЛ проблема відведення тепла вирішується значно ефективніше. Така можливість з'являється в результаті прямого (безпосереднього) перетворення енергії, що становить головну особливість МГД-генератора, що відрізняє його від електромашинного генератора. Частини двигуна ЕОЛ, працюють при різній температурі. Найменш гаряча частина це соленоїд магнітної лійки, трохи вище температура МГД-генератора, і найбільш гаряча частина це термоелектричний рушій. Потік теплоносій можна направити спочатку для охолодження більш холодних, потім більш гарячих частин рухової системи, за маршрутом: магнітна воронка - МГД-генератор - термоелектричний рушій.
Припустимо, в кінці циклу охолодження (при виході з охолоджувальною сорочки термоелектричного рушія), температура теплоносія дорівнює 1200К. Площа поверхні, що випромінює складе 1360м ². Її можна додатково зменшити за допомогою холодильної установки. При витратах енергії 50тис.кДж, холодильна установка збільшить температуру теплоносія до 1575К (без урахування ККД холодильної установки). Сумарна енергія теплового випромінювання складе 210тис.кДж (160тис.кДж + 50тис.кДж), площа випромінюючої поверхні зменшиться до 600м ².
Виникнення досить великого (з високою щільністю плазми) газово-пилової хмари, досить рідкісне явище. Наведений вище приклад служить в основному для ілюстрації можливостей двигуна ЕОЛ. Більш сприятливі умови для його постійного застосування, в системах планет-гігантів. Щільність газу в системі планет-гігантів свідомо вище, ніж за її межами. Перша космічна швидкість для Юпітера близько 60км / с. Оскільки питома тяга двигуна ЕОЛ прямо пропорційна швидкості польоту, її максимально можливе значення (при ККД 70%), складе не менш 1070с (1430с ∙ 60/80). Що стосується прискорення космічного апарату (яке залежить від щільності навколишнього плазми і діаметра магнітної лійки), при польотах в системах планет-гігантів, його величина не має вирішального значення. Космічний апарат не зможе покинути систему планети-гіганта, перш ніж отримає другу космічну швидкість.
Кінцевою метою систематичних польотів до різних космічних об'єктів, є освоєння цих об'єктів. У віддаленому майбутньому, тут можна розташувати і використовувати для формування потоку плазми, електричні ракетні двигуни (ЕРД). На космічних базах штучного або природного походження, можуть працювати ЕРД практично будь-якої потужності. Наприклад, на поверхні Місяця можна побудувати ядерну або сонячну електростанцію, і розташувати потрібну кількість ЕРД різного типу. З їх допомогою, космічний апарат зможе здійснити посадку на Місяць, зліт з Місяця в космічний простір.
Ці маневри можуть здійснюватися практично без витрат бортових запасів робочого тіла; невеликі витрати робочого тіла знадобляться лише для стабілізації положення космічного апарату в просторі, та корекції його курсу. Такий результат, досягається при досить великої потужності МГД-генератора, коли сила, що виникає внаслідок гальмування потоку плазми, перевищує силу тяжіння Місяця. При недостатній потужності МГД-генератора, що виробляється електричний струм буде приводити в дію реактивний рушій. У цьому випадку, космічний апарат здійснить зліт і посадку, з використанням бортових запасів робочого тіла. Сила, що виникає внаслідок гальмування плазми, і сила тяги електрореактивних рушія, будуть діяти в одному напрямку.
ЕРД з невеликою швидкістю витікання робочого тіла (електротермічні) забезпечать запуск космічних апаратів з поверхні Місяця, польоти з Місяця на Землю і назад, посадку на поверхню Місяця. ЕРД з великою швидкістю витікання робочого тіла (електромагнітні; електростатичні), будуть використовуватись головним чином для забезпечення особливо складних і далеких космічних польотів.
Для створення потоку плазми, ЕРД можна розташувати на поверхні тих небесних тіл Сонячної системи, які внаслідок невеликої сили тяжіння не мають щільну атмосферу. Це найменші планети Меркурій, Марс і Плутон, природні супутники більших планет, а також астероїди і комети. Освоєння всіх планет Сонячної системи може здійснюватися за допомогою таких ракетно-космічних комплексів, як на Місяці. Єдиний виняток Венера, у якої щільна атмосфера і немає природних супутників.
У міжпланетному просторі, потрібні інші джерела надходження речовини: штучна комета, реактивна струмінь космічного апарату, ядерний вибух і т.д. Якщо на борту космічного апарату розташувати ядерні заряди, з їх допомогою можна здійснювати будь-які маневри і пересування. При необхідності, ядерний вибуховий пристрій підривається на оптимальній відстані від космічного апарату. Для зменшення швидкості утворилася в результаті вибуху плазми, вибуховий пристрій споряджається баластними речовинами. Їх кількість повинна бути таким, щоб у результаті вибуху не утворилися тверді частинки. Або потрібно використовувати систему знищення (відхилення) метеоритів. З'являється реальна можливість поповнити запаси маси за рахунок практично будь-яких матеріалів. На борту можна зберігати лише ядерні заряди, а запаси баластних речовин поповнювати під час експедиції (практично на будь-якому космічному об'єкті).
Ядерні вибухові пристрої можна попередньо розташувати уздовж траєкторії польоту космічного апарату. При цьому не доведеться розганяти масу самих вибухових пристроїв. Вибух відбувається за спеціальним сигналом, коли космічний апарат пролетів поблизу вибухового пристрою, і віддалився від нього на деяку відстань. Продукти вибуху (плазма з високою щільністю), захоплюються магнітної лійкою. Сила, що виникає при гальмуванні захопленої плазми в каналі МГД-генератора, і сила тяги електрореактивних рушія, можуть діяти в одному напрямку (такий же результат можна отримати, використовуючи інші штучні джерела). Основна проблема при використанні вибухових пристроїв, нерівномірність одержуваного потоку плазми. Для більш ефективної роботи двигуна ЕОЛ, може знадобитися потужний бортовий акумулятор електричного струму.
Якщо вдасться вирішити виникаючі проблеми, швидкість космічного апарату буде визначатися лише кількістю вибухових пристроїв. Вибухові пристрої можуть складатися з уніфікованого ядерного (термоядерного) заряду, і оболонки різної маси. За рахунок цього, що утворилася плазма буде рухатися з різною швидкістю при кожному вибуху. Політ організується так, щоб у момент прольоту апарату біля кожного вибухового пристрою, що утворився в результаті вибуху потік плазми рухався щодо апарату з певною оптимальною швидкістю.
Припустимо, космічний апарат масою 10т, розганяється до швидкості 20тис.км / с. При кожному вибуху, плазма рухається щодо апарату, із середньою швидкістю 1100км / с. У каналі МГД-генератора, її швидкість зменшується до 100 км / с. З урахуванням зростання швидкості апарату від 0км / с до 20тис.км / с, середньоквадратична швидкість плазми приблизно 12тис.км / с. Якщо не враховувати тягу електрореактивних рушія, для розгону апарату необхідно пропустити через канал МГД-генератора близько 200т плазми. Вибух може бути організований таким чином, щоб основна маса плазми рухалася у двох протилежних напрямках. Якщо космічний апарат перебуває на відстані, рівному діаметру магнітної лійки, кількість захопленої плазми може досягати 50%. Таким чином, сумарна маса вибухових пристроїв не менш 400т. З урахуванням середньоквадратичної швидкості, сумарна енергія вибухів 2,88 ∙ 1016кДж (в тротиловому еквіваленті 6,9 тис. Мт).
В даний час людство має достатній потенціал для виробництва вибухових пристроїв зазначеної сумарної потужності. До кінця 1980 року, за оцінками експертів ООН, сумарна потужність ядерної зброї у світі становила 13тис. Мт. Очевидно, в доступному для огляду майбутньому, з'явиться можливість розміщення вздовж траєкторії польоту космічного апарата понад 400т вантажу. Черга за створенням двигуна ЕОЛ з досить високими характеристиками. Виникаючі при цьому технічні проблеми значно менше, ніж при створенні будь-якого іншого двигуна аналогічного призначення. Є підстави вважати, що вартість запуску міжзоряного апарату за допомогою двигуна ЕОЛ, може виявитися найбільш низькою серед всіх конкуруючих схем.