Александр Дмитриев - Космические двигатели будущего

А. С. Дмитриев, кандидат физико-математических наук

В. А. Кошелев

КОСМИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ БУДУЩЕГО

ВВЕДЕНИЕ

Два с половиной десятка лет отделяют нас от 4 октября 1957 г., которому суждено было разделить историю человечества на две эпохи: докосмическую и космическую. За это время родилось и выросло поколение, которое первичные знания о космосе приобрело не из романа Жюль Верна, а из почти ежедневных сообщений телеграфных агентств, телерепортажей и кинохроники. Космосом сегодня в той или иной степени «занимаются» сотни тысяч людей в лабораториях, научных центрах, конструкторских бюро, заводах и фабриках. Он давно перестал быть сенсацией, но стал очень нужным. Пилотируемые аппараты, космические средства связи, метеорологические спутники и навигационные системы в значительной степени определяют облик нашего времени.

Вместе с тем не зря дороги космоса называют крутыми. Не все на них происходит так, как этого бы хотелось. Радикально изменились за прошедшие два с половиной десятилетия представления о первоочередных задачах освоения космического пространства. Почти очевидная не только для любителей, фантастов, но и для специалистов «магистральная» линия развития космонавтики «Луна — Марс — далее везде» значительно трансформировалась с учетом потребностей и возможностей общества. Ряд проектов, как, например, полет человека на Марс, оказались на грани технически реализуемых при современном уровне развития космической техники и в то же время за гранью экономически допустимых на эти цели затрат.[1]

Сам факт отказа от дальнейшего следования по «магистральному» пути показывает, что космос и космическая индустрия превратились в весьма существенный не только эмоциональный и политический, но и экономический фактор. Дальнейшее увеличение затрат становится оправданным только в том случае, если от вложенных средств можно будет ожидать отдачи, покрывающей значительную часть вложений. Требование экономической окупаемости космических программ на этом новом этапе в значительной степени определяет пути развития космонавтики в целом.

В данной брошюре сделана попытка представить себе возможные пути развития космических двигательных систем завтрашнего дня. Естественно, в таком сложном и трудном деле, как создание космических средств, всегда существуют многочисленные варианты решения одной и той же задачи. Кроме того, арсенал технических идей и возможностей постоянно пополняется, и многие из новых могут оказаться в чем-то лучше тех, которые известны сегодня. Поэтому тех из читателей, которые хотели бы получить ясный ответ на вопрос, какими же двигателями будут оснащены космические аппараты, скажем, через 30–50 лет, возможно ждет разочарование. В брошюре не содержится однозначного ответа на этот вопрос, да и вряд ли он вообще возможен. Здесь рассматривается ряд традиционных и новых идей и проектов в области космических двигателей, их возможности и соответствие тем задачам, которые по сегодняшним представлениям станут наиболее актуальными в не очень отдаленной перспективе.

С точки зрения перспектив космического двигателестроения основные направления развития космической техники условно можно разбить на четыре группы.

1. Организация больших грузопотоков (десятки и сотни тысяч тонн в год) с поверхности Земли на низкие орбиты. В настоящее время эти грузопотоки примерно в 10 раз меньше. Значительное увеличение грузопотоков необходимо как для решения принципиально новых задач (в частности, для создания космических технологических производств и энергетических систем), так и для обеспечения продолжения исследований в дальнем космосе.

2. Транспортировка крупногабаритных грузов с низких орбит на высокие и обратно, транспортировка аналогичных грузов с околоземной орбиты к Луне. Для большинства задач вывод космического аппарата на опорную орбиту является промежуточным этапом. Спутники связи, упомянутые энергетические системы и многие другие космические средства должны располагаться на высоких орбитах. Поэтому растет потребность в экономичных средствах для межорбитальных перелетов.

3. Быстрые межпланетные перелеты.

4. Создание космических аппаратов для полетов вне Солнечной системы, запуск космических аппаратов к ближайшим звездам.

В целях систематизации рассматриваемые в брошюре космические двигатели условно разбиты на три группы: 1) автономные, характеризующиеся тем, что источник энергии и рабочее тело у них находятся на борту; 2) двигательные системы с внешними источниками энергии и 3) двигательные системы, использующие в качестве рабочего тела внешние источники массы.

В первую группу входят жидкостные и другие химические ракетные двигатели, ядерные и термоядерные двигатели, во вторую — космические двигатели, использующие для ускорения рабочего тела энергию лазеров или сверхвысокочастотных генераторов, расположенных вне космического аппарата, а также двигатели, в той или иной форме использующие энергию Солнца. Наконец, к третьей группе относятся двигатели, в которых в качестве рабочего тела используется атмосфера, межпланетная среда, горные породы планет и астероидов.

АВТОНОМНЫЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Возможности автономных двигательных систем. Роль ракетного двигателя заключается в преобразовании какого-либо вида энергии в кинетическую энергию ракеты. В соответствии с известным принципом реактивного движения это преобразование может быть реализовано путем отбрасывания вспомогательной массы, т. е. путем сообщения рабочему телу двигателя некоторой скорости. Таким образом, любая двигательная система должна включать в себя источник энергий, источник отбрасываемой массы (рабочее тело двигателя) и собственно двигатель — устройство, в котором энергия источника преобразуется в кинетическую энергию рабочего тела.

В некоторых схемах двигателей источник энергии и рабочее тело могут быть совмещены. Например, в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) энергия выделяется за счет химической реакции компонентов рабочего тела. Если же источник энергии и рабочее тело располагаются на борту ракеты, то такие двигательные системы называются автономными.

Из закона сохранения энергии следует, что минимальный се запас на борту ракеты должен равняться сумме кинетической энергии полезного груза и работы, затрачиваемой на преодоление силы тяжести и сопротивления воздуха при старте ракеты с поверхности Земли. Например, затраты на вывод массы 1 кг при запуске искусственного спутника на орбиту высотой 300 км составляют 4,5 · 107 Дж.

Поскольку на разгон источника энергии также требуются затраты работы, то желательно использовать такие источники, которые обладали бы максимальным энерговыделением на единицу массы. Энергия может быть запасена в самой разнообразной форме — механической, электрической, магнитной, химической, ядерной. Наилучшие характеристики имеют источники энергии, использующие химические и ядерные реакции.

Удельные энергии для реакций, использующихся в настоящее время, и перспективных реакций, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры источников энергии для различных типов ракетных двигателей

Источники и используемые реакции Энерговыделение, МДж/кг Скорость истечения, км/с Удельная тяга, с Химические реакции: 1) 2Н2 + О2 = 2Н2О 10 4,5 456 2) Н2 + F2 = 2HF 11,5 4,8 490 Реакции свободных радикалов (Н + Н = Н2) 436 29 3000 Радиоизотопные источники энергии (Ро210 → Рв206) 5 · 105 103 105 Ядерные реакции деления (U235 → 2 осколка) 8 · 107 12,6 · 103 12,8 · 105 Ядерные реакции синтеза (Д + Т → Не42 + Н) 3,36 · 108 2,59 · 104 2,64 · 106 Аннигиляция вещества (р+ + р— → γ) 9 · 1010 3 · 105 3 · 107

Из нее можно сделать вывод, что для запуска на орбиту спутника Земли массой 1 кг, казалось бы, достаточно энергии, выделяющейся при реакции кислородводородной смеси массой 3,5 кг или при расщеплении урана-235 массой 0,5 мг. Однако полное превращение энергии, запасенной на борту ракеты, в ее кинетическую энергию на практике неосуществимо.