Космические двигатели будущего

Прирост скорости ракеты за счет такого взаимодействия пропорционален разности потенциалов между ракетой и заряжаемым телом. Например, для космического аппарата массой 10 т при разности потенциалов 10⁶ В скорость может быть увеличена на 1 м/с, а при 10⁸ В — соответственно на 100 м/с. КПД такого способа ускорения растет с увеличением относительной скорости ракеты и заряжаемого тела и при скоростях, бóльших 10 км/с, может достигать 20 %.

Из-за малых приростов скорости за один цикл зарядки такие двигательные системы целесообразно применять в тех областях пространства, где встречи с космическими телами достаточно часты (например, в поясе астероидов). Кроме того, электростатический разгон ракет может оказаться полезным при больших грузопотоках между орбитами спутников Земли. Тогда может быть осуществлена следующая схема полета. На близкие друг к другу встречные орбиты (орбиты с противоположным вращением) выводится система спутников, часть из которых снабжена ускорителями заряженных частиц. Заряжая встречные спутники противоположного вращения, можно изменять параметры орбит всей системы. При этом удовлетворяются все условия эффективного применения такого способа ускорения: большая частота встреч и большие относительные скорости.

Одним из существенных недостатков электростатического ускорения космических аппаратов является бомбардировка их поверхности частицами космической плазмы, ускоренными до высоких энергий электрическим полем аппарата. В результате возникает проникающее излучение гамма- и рентгеновского диапазонов. Этот недостаток будет отсутствовать при использовании магнитного взаимодействия.

Если ракету снабдить источником магнитного поля, она будет взаимодействовать с магнитными полями Земли, планет и железоникелевыми астероидами. Напряженность космических магнитных полей на несколько порядков превосходит в сопоставимых единицах напряженность электрических полей. Но, к сожалению, магнитное поле имеет дипольный характер, и его силовое взаимодействие проявляется лишь при наличии неоднородностей (градиента). Градиент космических полей очень мал: для того чтобы получить силу взаимодействия, например 0,1 кгс, с магнитным полем Земли, нужен соленоид, имеющий более 10⁶ ампер-витков и диаметр 100 м. При существующих способах получения магнитного поля ракета с таким соленоидом, даже если пренебречь массой полезного груза, будет иметь ускорение всего 10^–6 м/с².

Более перспективным является применение магнитных систем в описанном ранее межорбитальном транспорте при транспортировке групп спутников, вращающихся на встречных орбитах. За счет взаимного притяжения или отталкивания таких аппаратов можно изменять их орбитальную скорость. Однако поскольку магнитное поле из-за его дипольного характера спадает пропорционально кубу расстояния, а электрическое — квадрату, такие двигательные системы будут уступать электростатическим по своим массовым характеристикам.

Современная теория электромагнетизма допускает существование магнитных монополей — аналогов электрических зарядов. Если такие монополи будут обнаружены и их можно будет получать в достаточном количестве, перед космической техникой откроются огромные возможности. Ракета, имеющая монопольный магнитный заряд, могла бы стартовать с поверхности Земли без всяких затрат бортового запаса массы, только лишь за счет взаимодействия с ее магнитным полем, и далее продолжать разгоняться в межзвездных и межпланетных полях.

О ПРАВЕ РОДИТЬСЯ И ВЫЖИТЬ

Путь к реализации новых типов двигательных систем долог и труден, и создаются они, как правило, лишь в том случае, когда их преимущества по отношению к существующим выражаются не в единицах процентов, а существенно меняют ситуацию. Либо при этом кардинально улучшаются экономические показатели транспортных операций, либо они позволяют решить задачи, которые не решаются уже имеющимися средствами.

Каковы же возможности различных двигательных систем при решении проблем, наиболее остро стоящих перед космонавтикой?

Организация больших грузопотоков с поверхности Земли на низкие орбиты. Задача решается только с применением двигателей большой тяги, поэтому целесообразно рассматривать такие средства ее решения, как химические двигатели, тепловые ядерные и термоядерные и двигатели большой тяги с дистанционной передачей энергии. Из указанных двигателей основная роль в решении задачи вывода на низкую орбиту принадлежит и долгое время будет принадлежать химическим двигателям. По энергетическим и тяговым характеристикам для решения этой задачи подходят газофазные ядерные двигатели и термоядерные двигатели, однако опасность радиоактивного заражения атмосферы при этом слишком велика.

Вообще следует отметить, что по мере интенсификации грузопотоков с поверхности Земли на низкие орбиты вопросы минимизации воздействия на природные процессы со стороны средств выведения будут приобретать все большее значение. При достаточно низкой интенсивности пусков и относительной «маломощности» средств выведения естественные процессы в атмосфере и ионосфере в состоянии компенсировать локальные возмущения параметров, образующиеся при пусках ракет. В качестве примера можно привести процесс затягивания «окна», возникающего в слое озона при взаимодействии последнего с факелом ракеты. Однако компенсирующие возможности природной среды не безграничны, и с этим нельзя не считаться.

Требование минимального воздействия на природные процессы, видимо, послужит дополнительным стимулом для создания средств выведения, использующих внешние источники энергии. В силу того, что в двигателях с внешними источниками энергии (в частности, с лазерными источниками) в качестве рабочего тела могут применяться самые различные вещества, появляется возможность выбора рабочего тела с минимальным влиянием на природные процессы.

Другой привлекательной стороной использования двигателей с внешними источниками в средствах выведения на орбиту является то обстоятельство, что наиболее сложная часть оборудования (источник энергии и лазерный передатчик) находится вне аппарата, не подвергается воздействиям, характерным для этапа выведения (перегрузки, вибрации и т. д.), и доступна для обслуживания и ремонта. Наконец, такая система выведения является системой многократного пользования (во всяком случае в смысле использования оборудования наземной части системы), что очень важно для организации интенсивных грузопотоков.

По этим причинам двигатели, использующие энергию лазеров, расположенных на Земле или околоземной орбите, в перспективе составят серьезную конкуренцию традиционному способу выведения, особенно в задачах массового вывода относительно небольших грузов. Появление таких систем следует ожидать в начале следующего века, тогда же, когда предполагается реализовать первые ССЭ, имеющие промышленное значение.

Транспортировка крупногабаритных грузов с низких орбит на высокие и обратно, транспортировка аналогичных грузов с орбиты Земли к Луне. В отличие от вывода грузов на низкую орбиту эта операция может производиться двигателями как большой, так и малой тяги. При использовании двигателей большой тяги аппарат достигает высокой орбиты или окрестностей Луны значительно быстрее, чем при использовании двигателей малой тяги (единицы и десятки килограммсилы). Однако доля полезного груза, доставленного на высокую орбиту, зависит от скорости истечения рабочего тела, и здесь двигатели малой тяги могут иметь преимущества по сравнению с некоторыми типами двигателей большой тяги.

В частности, сравнительный анализ возможностей решения этой задачи с помощью ЖРД и электрореактивных двигателей с ядерными энергоустановками показывает, что если в первом случае доля груза, доставляемого с низкой орбиты на стационарную, составляет около 30 %, то во втором — 60–65 %. Это обстоятельство может иметь решающее значение при выборе средств доставки для транспортировки крупногабаритных грузов, когда определяющим фактором является количество груза, транспортируемого за один перелет, а не продолжительность последнего.