Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Darpa) недавно поручило трем частным компаниям, Blue Origin, Lockheed Martin и General Atomics, разработать тепловые ракеты ядерного деления для использования на лунной орбите.
Такая разработка, если она будет запущена, может открыть новую эру космических полетов. Тем не менее, это только одно из нескольких интересных направлений в развитии ракетных двигателей. Вот еще несколько.
Химические ракеты
Стандартный стартовый модуль космических кораблей использует, так называемые, химические ракеты. Есть два основных типа: твердотопливные (такие как твердотопливные ракетные ускорители на Space Shuttle) и жидкостные (например, Saturn V).
В обоих случаях используется химическая реакция для получения очень горячего газа под высоким давлением внутри камеры сгорания. Сопло двигателя является единственным выходом для этого газа, который, следовательно, расширяется из него, обеспечивая тягу.
Для химической реакции требуется топливо, такое как жидкий водород или порошкообразный алюминий, и окислитель (агент, вызывающий химические реакции), например кислород. Есть много других переменных, которые в конечном итоге также определяют эффективность ракетного двигателя, и ученые и инженеры всегда стремятся получить больше тяги и топливной эффективности от данной конструкции.
Недавно частная компания SpaceX провела испытательные полеты своего прототипа пусковой установки Starship. В этом автомобиле используется "полнопоточный двигатель ступенчатого сгорания (FFSC)" Raptor, который сжигает метан в качестве топлива и кислород в качестве окислителя. Такие конструкции были испытаны русскими в 1960-х годах и правительством США в 2000-х, но до сих пор ни один из них не летал в космос. Двигатели намного более экономичны и могут обеспечивать гораздо более высокую удельную тягу, чем традиционные конструкции.
Ракеты на тепловых нейтронах
Ядро атома состоит из субатомных частиц, называемых протонами и нейтронами. Они определяют массу элемента — чем больше протонов и нейтронов, тем он тяжелее. Некоторые атомные ядра нестабильны и могут быть разделены на несколько более мелких ядер при бомбардировке нейтронами. Это процесс ядерного деления, и он может высвободить огромное количество энергии. По мере распада ядер они также выделяют больше нейтронов, которые расщепляют больше атомов, вызывая цепную реакцию.
В тепловой ракете ядерного деления пропеллент, такой как водород, нагревается ядерным делением до высоких температур, создавая газ под высоким давлением внутри камеры реактора. Как и в случае с химическими ракетами, он может улететь только через сопло ракеты, снова создавая тягу. Предполагается, что ракеты с ядерным делением не будут создавать тягу, необходимую для подъема больших грузов с поверхности Земли в космос. Однако в космосе они намного эффективнее химических ракет — при заданной массе топлива они могут разогнать космический корабль до гораздо более высоких скоростей.
Ракеты с ядерным делением никогда не запускались в космос, но они прошли испытания на земле. Они должны иметь возможность сократить время полета между Землей и Марсом с, примерно, семи месяцев до трех месяцев, для будущих миссий с экипажем. Однако очевидные недостатки включают образование радиоактивных отходов и возможность неудачного запуска, что может привести к распространению радиоактивного материала на обширной территории.
Основная инженерная задача состоит в том, чтобы достаточно миниатюризировать реактор, чтобы он поместился на космическом корабле. Уже сейчас развивается промышленность по производству компактных реакторов деления, включая разработку реактора деления, размер которого не привысит рост человека.
Электродвигатель
Основа научной фантастики, настоящие ионные двигатели генерируют заряженные частицы (ионизация), ускоряют их с помощью электрических полей, а затем запускают их из двигателя. Пропеллент представляет собой газ, такой как ксенон, довольно тяжелый элемент, который легко заряжается электрическим током.
Когда заряженные атомы ксенона выходят из двигателя с ускорением, они передают космическому кораблю очень небольшое количество импульса (произведение массы и скорости), обеспечивая плавную тягу. Несмотря на то, что медленные, ионные двигатели являются одними из самых экономичных из всех методов движения космических аппаратов, они могут помочь нам продвинуться дальше. Ионные двигатели обычно используются для управления ориентацией (изменение направления, в котором смотрит космический корабль) и рассматриваются для снятия с орбиты старых спутников.
Современные ионные двигатели питаются от солнечных элементов, что делает их питаемыми от солнечной энергии и требует очень мало топлива. Они использовались в миссии ESA SMART-1 на Луну и миссии Бепи-Коломбо на пути к Меркурию. NASA в настоящее время разрабатывает мощную электрическую двигательную установку для Lunar Gateway, форпоста, который будет вращаться вокруг Луны.
Солнечные паруса
В то время как для движения обычно требуется топливо определенного описания, более "зеленый" метод полагается только на свет от самого Солнца.
Паруса полагаются на физическое свойство сохранения кинетической энергии. На Земле мы привыкли рассматривать этот импульс как динамическое давление от частиц воздуха, вдуваемых в полотно во время плавания, толкая судно вперед. Свет состоит из фотонов, которые не имеют массы, но имеют импульс и могут передавать его парусу. Поскольку энергия отдельных фотонов очень мала, для любого заметного ускорения необходим парус чрезвычайно большого размера.
Прирост скорости также будет зависеть от того, насколько далеко вы находитесь от Солнца. На Земле мощность, получаемая от солнечного света, составляет около 1,3 кВт на квадратный метр. Если бы у нас был парус размером с футбольное поле, это равнялось бы 9,3 МВт, обеспечивая очень низкое ускорение даже для объекта малой массы.
Солнечные паруса были испытаны японским космическим кораблем IKAROS, который успешно пролетел мимо Венеры, и планетным обществом Lightsail-2, который в настоящее время находится на орбите Земли.
Одним из способов повышения эффективности и уменьшения размера паруса является использование лазера для продвижения космического корабля вперед. Лазеры производят очень интенсивные пучки фотонов, которые можно направить на парус, чтобы обеспечить гораздо более высокое ускорение, но их нужно будет построить на околоземной орбите, чтобы избежать потери интенсивности в атмосфере. Лазеры также были предложены в качестве средства вывода космического мусора с орбиты — свет лазера может замедлить кусок орбитального мусора, который затем упадет с орбиты и сгорит в атмосфере.
Развитие ядерных ракет деления может волновать одних и беспокоить других. Однако по мере того, как частные компании и национальные космические агентства все чаще стремятся к устойчивому присутствию человека в космосе, эти альтернативные средства движения станут более распространенными и могут революционизировать нашу зарождающуюся космическую цивилизацию.
