Всё о космических путешествиях за 60 минут - Пол Парсонс
В ближайшие годы ядерные электроракетные установки могут обрести популярность благодаря новому виду двигателя с электрическим приводом под названием Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket («Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом»), или VASIMR. Удельный импульс, как вы помните из второй главы, – это величина тяги, которую двигатель генерирует на единицу массы сгоревшего топлива. И чем она выше, тем эффективнее двигатель. По техническим причинам удельный импульс измеряется в секундах. Главный двигатель «Спейс шаттла» (в котором сжигается жидкий кислород и жидкий водород) обладает удельным импульсом величиной около 450 секунд, которого он достигает, разгоняя свои выхлопные газы до скорости свыше 4000 м/с. Ионный двигатель может значительно улучшить эту характеристику, развивая удельный импульс примерно до 3000 секунд при скорости выхлопа до 50 000 м/с. Но у VASIMR есть потенциал побить и этот рекорд. Его удельный импульс может равняться 12 000 секунд, а скорость выхлопа – ошеломительным 120 000 м/с.
Обычный ионный двигатель генерирует ионы, выбивая электроны из нейтральных атомов, делая их заряженными, и поэтому они могут ускоряться электрическим полем. VASIMR использует радиоволны для преобразования холодного газа в плазму – ионизированный газ, который в итоге достигает температуры более 1 000 000°С. Мощные электромагниты, изготовленные из сверхпроводящего (с нулевым электрическим сопротивлением) материала для максимизации их эффективности, затем направляют плазму в выхлопную струю, то есть действуют как своего рода магнитное сопло ракеты.
Первоначально VASIMR был разработан для создания высокотемпературной плазмы при термоядерном синтезе – методе получения ядерной энергии путем соединения более легких атомов для ее выделения. Слияние атомов – это источник энергии, который имеет место в горячем ядре Солнца и других звезд, но для его запуска требуются высокие температуры. И именно в этом заключается принцип действия VASIMR. В настоящее время в Техасе, на базе Ad Astra Rocket Company, которой руководит бывший астронавт NASA Франклин Чанг-Диас, технология адаптируется для космических полетов. В 2008 году компания успешно провела наземные испытания 200-киловаттного двигателя VASIMR, а в 2015 году получила грант от NASA в размере 9 миллионов долларов на разработку плана возможных летных испытаний в течение трех лет.
Вы сможете добраться до Марса на аппарате с химическим двигателем, но это сложно. Лететь дальше, чем на Луну, гораздо лучше с ядерным двигателем.
Билл Эмрих (2019)
Как и ионные двигатели, VASIMR – это технология для движения непосредственно в космосе, которая будет использоваться после того, как на космический аппарат перестанет влиять гравитация Земли. Но тогда как ионные двигатели имеют фиксированный удельный импульс, у VASIMR он регулируется, что позволяет ему «переключать передачи», регулируя тягу и эффективность, как того требуют условия. В глубоком космосе лучше всего работает высокоэффективная конфигурация с малой тягой – когда аппарат постепенно набирает скорость, непрерывно накапливая Av, пока двигатель работает в течение длительного времени (недель или месяцев); в то время как вблизи планеты, где гравитационное поле сильнее, больше подойдет конфигурация с малым удельным импульсом и с высоким тяговым усилием – похожая на ту, что обеспечивает химический двигатель.
Двигатель VASIMR, вероятно, найдет применение в рамках межпланетных полетов в дальний космос, а также при доставке грузов на Луну и в обратном направлении. Его даже предлагали использовать для отклонения астероидов, которые могут представлять угрозу для Земли – путем присоединения двигателя VASIMR к астероиду, чтобы постепенно перевести последний на новую траекторию.
Верхом на солнечном свете
Другая концепция двигателя с малой тягой и долгим временем работы, вызывающая интерес, заключается в использовании солнечного паруса. Подобно парусному кораблю, несомому ветром через океан, космический аппарат с солнечным парусом, гигантским листом отражающего материала, будет лететь через Солнечную систему под действием света, исходящего от звезды.
Эта идея основывается на таком физическом явлении, как давление света. В 1860-х годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою теорию электричества и магнетизма. Он предположил, что свет, который является формой электромагнитного излучения, может создавать давление, подобно газу, и способен оказывать воздействие на твердые объекты. Российский физик Петр Лебедев впервые измерил давление света (экспериментальным путем) в 1899 году, определив его незначительную величину с помощью специального прибора – очень легкого стержня на тонкой нити, к которому были приклеены практически невесомые «крылышки».
Успех LightSail-2 изменит освоение космоса.
Билл Най, исполнительный директор Планетарного общества[14] (2019)
Как это ни парадоксально, но, пожалуй, свет легче всего представить в одной из самых непостижимых областей современной науки – квантовой физике. Она описывает фундаментальные частицы материи и их взаимодействие между собой. Свет обладает довольно странным свойством, известным как корпускулярно-волновой дуализм. То, что мы традиционно рассматриваем как частицы (протоны и электроны), может также вести себя как волны, и наоборот: то, что мы обычно считаем волнами (например, свет), может вести себя как поток частиц. С этой точки зрения солнечный свет, бьющий в солнечный парус, подобен потоку частиц, каждая из которых передает крошечный импульс и толкает парус вперед.
Суммарное ускорение незначительно, но оно быстро накапливается. Парус шириной в несколько сотен метров может разогнаться до 240 000 км/ч примерно за три года. Космический аппарат с таким парусом, запущенный с Земли, сможет добраться до Плутона за пять лет. Вспомните в связи с этим «Новые горизонты» – самый быстрый космический аппарат, когда-либо улетавший с Земли, – которому, благодаря комбинации химического двигателя и гравитационных маневров, понадобилось 9,5 года, чтобы достичь своей цели.
Настоящие солнечные паруса испытывались в вакуумной камере на Земле с 2001 по 2005 год. Первый полет состоялся в 2010 году, когда японский аппарат IKAROS смог продемонстрировать жизнеспособность идеи солнечных парусов в межпланетном пространстве, достигнув Av (см. главу 2) 100 м/с за 6 месяцев. Совсем недавно ракета Falcon Heavy доставила на околоземную орбиту LightSail-2 – разработанный Планетарным обществом аппарат с солнечным парусом, деньги для которого собрали путем краудфандинга. Диспетчеры могли регулировать высоту орбиты аппарата, располагая парус по-разному относительно солнечного света.
С помощью солнечного паруса можно летать даже по направлению к Солнцу. Наша планета находится на околосолнечной орбите, и потому все, что запускается на ракетах с Земли, следует по аналогичному пути. Когда парус направлен к Солнцу, космический аппарат не получает тяги от солнечного света и, таким образом, сохраняет свою орбиту. Но наклон паруса вперед позволяет свету попасть на переднюю поверхность паруса, в результате чего аппарат замедляется и постепенно начинает вращаться по орбите. При наклоне паруса назад – в
