Некоторое время назад Европейское космическое агентство анонсировало новинку: ионный двигатель для космических кораблей, работающий на… воздухе. Даже разреженном. Похоже на вечный двигатель. Но облегчит ли это изобретение межпланетные путешествия? И вообще, что нам могут предложить современная наука и техника в плане полетов в космос? Что-то давно не было на этом фронте громких побед. Засиделись мы на своей планете…

Вечный спутник

Ионный двигатель, установленный на Deep Space 1

© nasa.gov

Ионный двигатель давно перестал быть фантастикой: первая действующая модель была сконструирована в США еще в 1959 году, а с конца XX века он стал часто устанавливаться на космических кораблях в качестве маршевого — например, на американских Dawn и Deep Space 1, GOCE и японском «Хаябуса».

Принцип работы ионных двигателей основан на ионизации и разгоне частиц газа с помощью электростатического поля. Корабль отталкивается от этих частиц, приобретая ускорение в соответствии с третьим законом Ньютона. Причем в ионном двигателе молекулы газа разгоняются до гораздо больших скоростей, чем в обычном реактивном двигателе, работающем за счет горения топлива. И, соответственно, для разгона корабля «ионнику» требуется меньше таких частиц, то есть этот двигатель экономичнее. А уж если «топливо» он берет в прямом смысле из воздуха, то это просто чудо! Действительно, если в качестве рабочего тела в двигателе использовать не заранее припасенный газ, а окружающий воздух, это даст кораблю, находящемуся на низких орбитах (где еще можно «наловить» молекулы атмосферных газов), практически неограниченный запас хода. И при этом не нужен топливный бак — вместо него можно взять на борт дополнительный полезный груз. Однако такой корабль будет иметь существенное ограничение в использовании: понятно, что в открытом космосе, где этого воздуха совсем нет, «прямоточный ионник» работать не сможет. То есть такой корабль будет привязан к околоземным орбитам.

Движок-то слабоват!

Ионный двигатель во время испытания

© nasa.gov

Есть и другое ограничение в использовании ионного двигателя. Беда в том, что у него очень слабая тяга. Проводя автомобильные аналогии, он ужасно «неприёмистый»: движок с такими характеристиками разгонял бы машину до 100 километров в час двое суток! В открытом космосе это не критично: там отсутствует сопротивление воздуха и поэтому можно ускоряться сколь угодно долго и неспешно. Но вот для старта ракеты и выхода за пределы плотных слоев атмосферы такой метод не годится: пришлось бы увеличивать мощность «ионника» во много раз, что сделало бы его слишком громоздким и неэкономичным — для разгона требуемого количества частиц понадобилась бы целая электростанция.

Плазма тянет

Схематичное изображение плазменного двигателя

Несколько отличается от ионного другой тип двигателя — плазменный. У него есть специальная газоразрядная камера, где под действием высокого напряжения ионы подаваемого газа превращаются в плазму, которая затем выбрасывается наружу электромагнитным полем через специальный канал, создавая реактивную тягу. Такие двигатели были сконструированы в СССР еще в конце 1960-х годов и с тех пор успешно используются для корректировки орбит спутников. ОКБ «Факел» предлагает широкий ассортимент этих агрегатов разной мощности. Они экономичны, у них хорошая тяга, в качестве рабочего тела используется инертный газ ксенон, негорючий и безопасный в обращении. Недостатком плазменного двигателя является лишь то, что он работает только в вакууме.

Таким образом, ионный и плазменный двигатели хороши для перемещения в космосе. А как туда добраться? Неужели люди не придумали и не придумают для этого ничего лучше, чем сжигать огромные летающие баки с чрезвычайно токсичным и взрывоопасным ракетным топливом? Конечно же, кое-что уже придумали. Вот только до воплощения этих идей никак руки не дойдут. Всё чего-то не хватает: то особого материала, то технологии, то… грузов.

Из пушки в небо

Пушка «Фау-3»

© German Federal Archives

Барон Мюнхгаузен, а затем Жюль Верн использовали для путешествий пушки. Точнее, суперпушки. Их пример вдохновил людей XX века: в Первую мировую немцы создали орудие, стрелявшее на 130 километров, а во Вторую мировую — «Фау-3», отправлявшую 140-килограммовые снаряды на 165 километров. Теоретически эти орудия могли быть использованы для заброски небольших спутников на околоземную орбиту. Затем, во время ирано-иракской войны, по указанию Саддама Хусейна велись разработки суперпушки «Вавилон», способной послать 600-килограммовый снаряд на тысячу километров или запустить в космос 200-килограммовый спутник. Согласно расчетам, доставка груза на орбиту таким способом обошлась бы как минимум вдвое дешевле, чем ракетой.

Еще более эффективной стрельба спутниками может стать при использовании вместо пороховых газов электромагнитного поля. Такая пушка — рельсотрон — может разогнать любого размера снаряд до практически любой скорости, хватило бы только длины рельса, вдоль которого расположены электромагниты. Впрочем, и проблему громоздкости этой конструкции можно решить, если разгонять спутник по кругу и вышвыривать в нужном направлении, когда он достигнет первой космической скорости. Такой метательный агрегат напоминал бы по принципу действия пращу, из-за чего и получил название «слинготрон» (sling — праща). Кстати, идея обычной «механической» пращи, из какой библейский Давид когда-то завалил великана Голиафа, тоже вдохновляет космических инженеров: они рассматривают возможность закидывания грузов в космос с помощью огромной карусели. Причем лучше всего подвесить ее прямо на орбите, где меньше сопротивление воздуха.

Главным недостатком всех «орудийных» проектов является неизбежность колоссальных перегрузок, которые должен испытывать груз во время такого запуска. Никакая хрупкая аппаратура, а уж тем более человек, их не выдержит. Слишком жесткая заброска!

А если привязать к небу тросик?

Художественное изображение космического лифта

© nasa.gov

Проблему перегрузок полностью снимает другой проект — космический лифт. Он предусматривает очень простую схему: к спутнику, болтающемуся на геостационарной орбите, то есть строго над определенной точкой земной поверхности, прикрепляется трос. Вся конструкция будет удерживаться от падения на землю за счет центробежной силы. Она же облегчит подъем груза в космос. Просто и гениально! Конечно, такой подъем займет куда больше времени, чем на ракете, зато с минимальными перегрузками и затратами. Одна беда: человечество еще не изобрело настолько прочного материала, чтобы сделанный из него трос при такой длине не разорвался бы под собственной тяжестью. Напомним, что геостационарная орбита у нас находится на высоте более 35 тысяч километров. Материал троса должен быть в сто раз прочнее стали.

Кольца и петли

Визуализация Кольца Юницкого

© youtube.com

Кольцо Юницкого. Этот проект, непревзойденный по своей масштабности, оригинальности и… затратности, пожалуй, мог родиться только в голове русского ученого. Предлагается опоясать всю Землю по экватору трубой (на суше она пройдет по опорам, в океане — на понтонах), внутри которой в вакууме свободно двигается стальной трос. Его раскручивает электромагнитное поле. То есть это такой электродвигатель планетарного масштаба, где неподвижная труба — статор, а двигающийся трос — ротор. Когда трос сильно раскручивается, он натягивается и немного удлиняется за счет центробежной силы, а вместе с ним и сама труба — всего-то на несколько процентов. Но за счет этого диаметр ее кольца увеличивается, она плавно отрывается от поверхности Земли и взмывает на километров 200, превращаясь в подобие кольца Сатурна. Если до раскрутки прикрепить к трубе нужные грузы, то затем их можно будет спокойно разгружать в космосе.

Конечно, с сооружением и установкой такой трубы в 40 тысяч километров будут большие проблемы. Как и с возвращением ее из космоса точно на опоры. Но главное — уж очень дорогостоящий получится проект. И тут на помощь русскому гению пришла гениальная американская расчетливость: Кейт Лофстром придумал «облегченную версию» Кольца Юницкого — он завязал его в петлю. Закольцованная труба с тросом внутри должна иметь протяженность «всего» 2000 километров. Сам трос — 5 сантиметров в диаметре и труба ненамного толще его. Но этого достаточно, чтобы при разгоне электромагнитным полем до 14 километров в секунду трос поднял среднюю часть «петли» (вместе с многотонным грузом) на высоту 80 километров.

Этот проект был экономически просчитан. Его стоимость оценили в 10 миллиардов долларов по тогдашним деньгам (а дело было в начале 1980-х). Для разгона троса нужна установочная мощность в 300 МВт. И никаких фантастических материалов. Вложения могут окупиться за год, если найти грузоотправителей, готовых запустить за этот год в космос 40 тысяч тонн груза, заплатив по 250 долларов за килограмм (смешная цена по «космическим» меркам). То есть все осуществимо, вот только одна беда: такой грузопоток обеспечить едва ли удастся. Ведь за все время освоения космоса человечество отправило туда менее 100 тысяч тонн полезного груза. Вот если начнется колонизация Луны или Марса — тогда другое дело, космический грузооборот возрастет в разы.

Фонтан идей

© youtube.com

Есть и другие идеи, как попасть в космос, не используя поднадоевшие всем ракеты. Например, космический мост: это гигантская эстакада, средней частью уходящая в верхние слои атмосферы. Или космический обруч — «хулахуп», вращающийся вокруг Земли. Или космический фонтан — подвижное сооружение, уходящая в небо башня, состоящая из нагнетаемых вверх и затем падающих вниз гранул…

В общем, идей множество, но пока никакие экзотические альтернативы не могут заменить на практике обычную космическую ракету-носитель. Либо нет подходящих материалов, либо (что чаще всего) экономически невыгодно. Но можно ведь усовершенствовать и саму ракету.

Ракета-атомоход

© Коллаж/Ridus

Именно об этой возможности недавно напомнил западным партнерам президент Владимир Путин, рассказав о нашей новой ракете (конечно, военного назначения), неуязвимой для ПРО и имеющей неограниченный запас хода. Это ракета, оснащенная небольшим атомным реактором. Надо сказать, идея отнюдь не новая. Ракету, использующую для полета энергию ядерной реакции, пытались сконструировать в СССР и США начиная с 1950-х. Ничего хорошего не получилось: либо недостаточно мощно, либо слишком опасно. Даже самая прогрессивная советская разработка в этой области — двигатель «Топаз» — обеспечивал тягу, в 25 раз меньшую, чем реактивный двигатель крылатой ракеты «Калибр». То есть годился, опять же, лишь для космоса, но не для вывода спутника на орбиту. А от проектов с «прямоточным» ядерным двигателем, вроде американского SLAM, где реактивная струя воздуха должна была проходить прямо через раскаленный реактор, вовремя отказались — потому что это были бы «летающие Чернобыли», заражающие всё вокруг смертельной дозой радиации… В общем, атомное ракетостроение было признано тупиковым направлением.

Но, как известно, президент слов на ветер не бросает — значит, военные что-то действительно придумали? Может, и для полетов в космос сгодится?

• Телеграм
• Дзен
• Подписывайтесь на наши каналы и первыми узнавайте о главных новостях и важнейших событиях дня.