Двигатель — едва ли не самое важное в космическом аппарате. Без возможности активно маневрировать, набирать скорость и тормозить нельзя выбраться дальше околоземной орбиты, да и на орбите приходится бороться с различными уводящими аппарат в сторону эффектами. За прошедшие с момента запуска первого спутника почти шестьдесят лет технологии заметно шагнули вперед, и одними ракетами все давно не ограничивается.

Ракетный двигатель

Принцип работы ракетного двигателя известен нам как минимум с 30-х годов прошлого века, а как максимум — со времен Древнего Китая. Конечно, бамбуковые ракеты, движимые энергией горения черного пороха, для космоса непригодны, но вот уже двигатели американца Роберта Годдарда (1926 год), россиянина Фридриха Цандера (СССР, рубеж 1920-х и 1930-х годов) или немца Германа Оберта (1930 год) работали на паре «жидкое топливо + окислитель» и уже имели узлы, без которых не обходится любой современный ракетный двигатель.

Ракетный двигатель создает тягу при сжигании топлива: в соответствии с законом сохранения импульса движимый им аппарат приобретает импульс, равный импульсу выходящих в сопло продуктов сгорания. Отсюда можно определить рецепт увеличения тяги: сжигать больше топлива или добиться более высокой скорости реактивной.

Установленный в двигателе турбонасосный агрегат раскручивает лопасти насосов при помощи жаростойкой газовой турбины, а насосы закачивают топливо и окислитель в камеру сгорания. Большой поток топлива и окислителя приводит к интенсивному сгоранию и выбросу мощной струи раскаленных газов. Теоретически при сжигании керосина в кислороде можно получить температуру до 3500 °С и добиться истечения струи со скоростью около трех километров в секунду — практические результаты сейчас близки к теории. Пары водород-кислород или гидразин — тетраоксид азота, два других часто используемых сочетания, дают сопоставимые значения, и это объясняет как достоинства, так и недостатки традиционных ракет.

Ракетный двигатель RS-68, работающий на паре водород-кислород во время испытаний. Обратите внимание на сложную конструкцию над соплом. Стоимость больших ракетных двигателей доходит до $ 10 млн. Фото: NASA

Достоинством этого двигателя является его мощность, достигаемая сжиганием огромного объема топлива, ограниченная только размерами камеры сгорания. На американском «Сатурне-V» стояли двигатели F1, которые сжигали в единственной камере свыше полутора тонн кислорода и почти тонну керосина ежесекундно. Такое потребление давало тягу более 700 тонна-сил, а пять F1 с успехом доставляли ракету к Луне. Созданные позже советские РД-170 уступали по объему камеры сгорания, но зато камер было сразу четыре — их планировали использовать на сверхтяжелой ракете «Энергия» (носитель «Бурана»), которая могла бы вывести в космос до ста тонн полезной нагрузки.

По сей день начальный этап любого космического полета, хоть на геостационарную орбиту, хоть к Плутону, совершается при помощи ракетных двигателей: ни один другой даже близко не приближается к требуемым для развития космической скорости. Но где достоинства, там и недостатки.

Небольшой ракетный двигатель — советский КДУ-414. Его длина составляет всего 70 сантиметров и он дает тягу около 200 килограммов; использовался с середины 1960-х годов для коррекции орбиты космических аппаратов. Фото: Bricktop/Wikimedia.

Экстремальные условия в камере сгорания приводят к тому, что даже многочисленные инженерные хитрости вроде охлаждения стенок подаваемым топливом или отсекания от них основной горячей струи более «холодной» струей от турбонасоса не позволяют добиться сколько-нибудь продолжительной работы в сочетании с высокой надежностью. А внедрение в сплавы жаростойких добавок вплоть до металлов платиновой группы все равно не гарантирует успеха запуска ракеты: доля аварий у всех основных производителей в мире колеблется в районе нескольких процентов. Представьте, какова была бы авиация, если бы даже каждый сотый рейс заканчивался взрывом или падением самолета!

Изготовленные уже не для старта с Земли, а для полета в безвоздушном пространстве ракетные двигатели имеют не столь экстремальные параметры, но все равно регулярно подводят. Российские разгонные блоки ДМ и «Фрегат», например, имеют долю отказов в районе от одного до трех процентов. Последняя авария произошла в 2014 году, когда «Фрегат» вывел на нецелевую орбиту два спутника европейской навигационной системы Galileo. Хотя нельзя сказать, что российские блоки как-то особо ненадежны: американский Centaur отказывал больше десятка раз на двести с лишним запусков.

Статистическая оговорка: как можно заметить, многие числа нами указываются приблизительно. Это обусловлено тем, что говорить о точных значениях зачастую нельзя. Скажем, разгонные блоки многих семейств производятся с 1960-х годов с целым рядом модификаций, и обобщать статистику запусков за все время затруднительно. Тяга двигателя немного зависит от атмосферного давления, а температура сгорания топлива — от его состава и режима работы двигателя.

Ракетные двигатели крайне неэкономичны. Их КПД уступает паровозному: мы вынуждены тратить гигантские запасы горючего с окислителем для достижения цели. Хуже того, наши затраты нелинейно растут с увеличением дельта-V, той скорости, которую должен приобрести наш космический аппарат для достижения цели. Чтобы попасть к Луне и вернуться, потребовался уже упоминавшийся «Сатурн-V»; полет же к звездам или хотя бы к Облаку Оорта за разумное время потребует ракет, габариты которых выходят как за пределы возможностей современных технологий, так и за рамки здравого смысла.

Ионы и плазма

Если снова обратиться к закону сохранения импульса, то становится ясно: чем быстрее покидает двигатель струя вещества, тем он эффективнее. Получить скорость струи свыше нескольких километров в секунду сжиганием чего-либо невозможно, однако двигатели, работающие на частицах со скоростью в десятки км/с, уже существуют. Они — ионные.

Суть ионного двигателя заключается в том, что сначала газ превращается в плазму, смесь положительно заряженных ионов с электронами. Далее заряженные частицы разгоняются электромагнитным полем и выбрасываются наружу — таким образом удается разом обойтись без экстремальных условий внутри двигателя и превзойти скорость истечения продуктов даже самых «жестких» химических реакций вроде сжигания лития в атмосфере фтора.

Правда, назвать ионные двигатели идеальными тоже нельзя. При более-менее достижимой на сегодня электрической мощности — а это, как правило, не более киловатта — их тяга не превышает считанных граммов. Двестикиловаттный VASIMIR, который одно время планировали поставить на МКС, выдавал на испытаниях в вакуумной камере около пяти ньютонов тяги — этого было бы достаточно для отрывания от Земли груза в полкилограмма. Даже в предположении, что ионному двигателю не мешает работать атмосфера, поднять с космодрома хотя бы свой собственный вес такое устройство не сможет.

Испытания одного из первых плазменных двигателей состоялись уже в 1961 году. Ионные двигатели впервые полетели в космос в 1964-м, а сегодня ионные и плазменные установки ставятся на многие спутники для удержания на заданной орбите. Фото: NASA, Lewis Research Center

Но в дальнем космосе этого и не требуется. Там важна экономичность и надежность — то, чем как раз отличаются ионные двигатели. Многие из них способны буквально годами работать бесперебойно, а в пересчете на килограмм потраченного рабочего тела (говорить «топливо» уже не очень корректно, ведь ничего не сжигается) они дают намного больший результат. Аппараты на ионных двигателях поначалу отстают от взявших быстрый старт ракетных аналогов, но ракетного топлива хватает от силы на несколько часов, а ионный «мотор» растягивает запас инертного газа в баке на годы. Медленно, буквально по миллиметру в секунду, прибавляя скорость, «черепаха» на ионной тяге сначала догоняет, а потом и перегоняет ракетного «зайца» с опустевшими баками.

Аппарат «Рассвет», летавший к Весте и Церере, японская миссия «Хаябуса» по доставке на Землю образца астероидного грунта, российские двигатели для геостационарных спутников — все это далеко не полный перечень ионных и плазменных установок в космосе. Плазменные представляют собой вариант ионных: в них ионизированный газ ускоряется не при помощи электродов, а выходит наружу с большой скоростью после разогрева тем или иным способом.

Российские плазменные двигатели СПД. Плазма в них разогревается магнетроном — устройством, которое можно найти почти в каждом доме: именно магнетрон используется в микроволновых печах. Фото: NASA

Существуют проекты мощных ионных или плазменных двигателей с электропитанием от большого массива солнечных батарей или ядерного реактора. Возможно, уже в ближайшие десятки лет мы получим установки, способные в разы сократить сроки перелетов между планетами. Разработка двигательной установки с ядерным реактором ведется в России силами предприятий Росатома и, по сообщениям осени 2016 года, может быть готова к испытаниям уже к концу 2018 года. Подобным же проектом занимаются и в Китае.

А еще есть проекты плазменных двигателей, которые будут использовать в качестве рабочего тела водяной пар. Воду можно получать, используя астероиды или лунный грунт. Это разом решит проблему и дозаправки вдали от Земли, и дороговизны выведения на орбиту. Упомянутые выше ограничения ракетных двигателей ведут к тому, что сегодня килограмм груза даже на самой низкой орбите стоит тысячи долларов, а доставка на геостационарную орбиту сопоставима по цене с изготовлением такого же по массе спутника из чистого золота!

Паруса

Идеальный двигатель должен по возможности весить как можно меньше, иметь нулевой расход топлива и полное отсутствие частей, которые могут сломаться во время работы. И подобные устройства существуют. Речь о парусах, призванных либо поймать поток заряженных частиц от Солнца, либо потянуть космический аппарат вперед под давлением света.

В первом случае парус предполагается делать из тонких проволочек, создающих вокруг себя электрическое поле, а во втором случае сгодится любой легкий и блестящий материал вроде металлизированного пластика.

Солнечный парус в испытательной камере на Земле. Фото: NASA

Примечательно, что концепция солнечного паруса если не опередила появление жидкостного ракетного двигателя, то возникла примерно тогда же. В 1900 году Петр Лебедев впервые исследовал эффект давления солнечного света, а в 1920-х идея использовать это явление для движения космических аппаратов была озвучена Фридрихом Цандером. Тем самым, который разработал советский жидкостный ракетный двигатель.

На практике «солнечным парусником» стал японский аппарат IKAROS в 2010 году, за ним последовал собранный американским «Планетарным сообществом» зонд Light Sail-1. Два других экспериментальных спутника, Cosmos-1 и NanoSail-D, пытались запустить в 2005 и 2008 годах, но оба раза подвели ракеты — один раз российская «Волна», а во второй — уже Falcon 1 Илона Маска.

Кроме того, эффект давления света использовал вполне обычный межпланетный зонд MESSENGER, летевший к Меркурию. Для корректировки его курса инженеры предпочли использовать отражение солнечных лучей от блестящей поверхности солнечных батарей аппарата. Тяга в итоге получалась очень маленькой, но зато ей можно было очень точно управлять, для маневрирования не требовалось топлива и сберегался ресурс ракетных двигателей.

Эстонский спутник ESTCube-2 планируется запустить в 2018 году. Его «электрический парус» будет представлять собой тонкую проволочку длиной 300 метров; предполагается, что подобные двигатели позволят безопасно снимать малые спутники с орбиты. Иллюстрация: Taavi Torim. Wikimedia commons CC BY-SA 4.0

Отдельно стоит упомянуть и т.н. электрический парус: его толкает вперед взаимодействие электрического поля тонких проволочек с летящими от Солнца заряженными частицами. И первенство в этой области принадлежит не одной из признанных космических держав, а Эстонии: собранный в Университете Тарту ESTCube-1 вышел на орбиту в 2013 году и проработал два года. Правда об успехе эстонцев надо упоминать «со звездочкой»: раскрыть электрический парус им не удалось. Но сейчас эстонские инженеры работают над следующим аппаратом, ESTCube-2. Может, все-таки успеют стать по-настоящему первыми.

Электрические паруса менее эффективны в сравнении с солнечными, однако они требуют куда меньше материала (тонкие проволоки вместо сплошной пленки). Легкие и компактные, они подходят для долговременных миссий — например, есть проект «электрического парусника» к Урану. Он сможет достичь этого ледяного гиганта всего за шесть лет. Для сравнения: «Вояджер-2» потратил девять лет, и при этом расположение планет было на редкость удачным.

источник