Космонавтика XXI века: термоядерные двигатели



Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство.

К. Э. Циолковский

Надо признать, что несмотря на четыре десятилетия, прошедших с начала космической эры, мы все еще лишь робко проникаем за пределы атмосферы.

Хотя значительная часть текущих задач в космосе может быть возложена на автоматы, все же главная цель, идея-фикс космонавтики — именно освоение космоса человеком, обживание космоса, и самое заманчивое и труднодоступное — именно дальний космос. Конечно, можно наткнуться на возражения, что это дорого, экономически невыгодно, а, значит, никому не нужно, но ведь в День космонавтики можно почтить память пионеров-мечтателей и позволить себе помечтать, забыв на время об окупаемости, коммерческом заказе (как говорил Петр Первый, на то других дней хватает), и дать фантазии разгуляться, а затем взять ее в шоры расчетов.

XXI век, видимо, станет веком освоения Солнечной системы в промышленных масштабах. Причин тому много — от неистребимого человеческого любопытства, раззадориваемого тайнами марсианских полярных шапок и подледных океанов Европы, до вполне практичных соблазнов — например, производства в невесомости сверхчистых материалов или овладения запасами гелия-3 в лунной коре (см. ЗН от 12 апреля 2001). И одними автоматами не обойтись: даже если говорить только о науке, то исследование наиболее интересных объектов Солнечной системы — Марса и внешних планет — должно проводиться с непосредственным участием человека, ведь дистанционное управление аппаратурой зондов для выбора наиболее интересных для изучения целей практически невозможно по причине запаздывания радиосигналов (уже для Юпитера это часы). Значит, зонд сам должен решать, куда смотреть, а хватит ли у него на это сообразительности — неизвестно, задача создания искусственного интеллекта, способного полноценно заменить специалиста, от разрешения пока что далека. Лететь людям — значит, лететь надо быстро (экипаж не приборы, его нельзя мариновать годами, пока корабль будет падать к Юпитеру) и с большим грузом (обитаемые отсеки, система жизнеобеспечения, запасы воздуха, воды, пищи). Очевидно, что тут необходим сильный двигатель, без него эту задачу не решить, как и проблему коммерческой доставки гелия-3 с Луны и многие другие. Именно в тяговую энергетику упирается масштабное освоение околосолнечного пространства. Эта проблема распадается на две части — выведение грузов на низкие околоземные орбиты (для его удешевления предлагаются, например, многоразовые аэрокосмические системы) и дальнейшую транспортировку в космосе. О ней мы и будем говорить.

Что же по-настоящему откроет нам Солнечную систему?

Жидкостные двигатели (ЖРД), основа всей современной космонавтики, для этого явно не годятся: их УИ никак не может превышать 500 с, поэтому, хоть с их помощью и можно в принципе запустить корабль к Марсу или Венере, но масса его будет колоссальной (и стоить такой проект будет соответственно), а о пилотируемых экспедициях к внешним планетам не стоит и мечтать. К счастью, ЖРД — не единственные возможные двигатели. Например, существуют и используются электрические реактивные двигатели (ЭРД) с высокими импульсами от 1500 до 10 000 с — ионные и плазменные, работать они могут месяцами, но, к сожалению, тяги их очень малы — обычно не выше 1 Н, а то и меньше. К тому же это не двигатели в полном смысле слова, а скорее движители, т.е. для работы им требуется электроэнергия, которую тоже нужно откуда-то взять — с солнечных батарей или ядерных реакторов. Но плотность мощности солнечного излучения невелика даже на земной орбите, а уже за орбитой Марса солнечные батареи превращаются в тяжелый и бесполезный груз, к ядерным же реакторам общественное экологическое мнение питает необоснованную стойкую неприязнь (справедливости ради отметим, что иногда «зеленых» удается уломать, как, например, в случае с американским межпланетным зондом Cassini, бортовая энергоустановка которого содержит 33 кг плутония).

Две важнейшие характеристики ракетных двигателей — тяга и удельный импульс. Суть тяги, вероятно, пояснять не требуется, а на удельном импульсе во избежание недоразумений остановимся. Удельный импульс — величина, характеризующая скорость истечения рабочего тела из двигателя, измеряется она в секундах, что часто вызывает возмущение людей, незнакомых с предметом: «Какая безграмотность, единица импульса — кг·м/с!». Дело в том, что понятие это возникло на заре ракетной техники, и по определению УИ равен времени, в течении которого двигатель создает тягу в один килограмм силы, израсходовав один килограмм топлива. Если струю выхлопа можно считать монохроматичной, то УИ — просто скорость вылетающих частиц в м/с, деленная на g.

Очевидно, без ядерной энергии не обойтись — только она может обеспечить нужную энерговооруженность при разумных массах. Можно было бы помянуть здесь и антивещество, которому в качестве топлива конкурентов нет, но его массового производства в ближайшие десятилетия, увы, не ожидается (правда, существуют проекты использования малых количеств антипротонов — к ним мы вернемся позже). Вариантов использования ядерной энергии для получения тяги три:

1. Наиболее близкий к реализации — связка ЭРД и обычного ядерного реактора. Его недостатки — необходимость преобразования энергии и неизбежные при этом потери, лишняя масса преобразователя.

2. Ядерный ракетный двигатель. Мог бы быть трех видов — твердофазным (относительно простой реактор с прокачкой водорода, выбрасываемого затем из сопла, через горячую зону с делящимся веществом в виде твердых ТВЭЛов), жидкофазным или газофазным (есть и другие идеи, наподобие изотопного паруса, но мы не станем на них задерживаться). Прототипы твердофазных ЯРД создавались и испытывались на стендах в США и СССР начиная с конца 50-х годов, концепция газофазного двигателя в нашей стране была тщательно проработана и работы подошли вплотную к стадии эксперимента, но, к сожалению, в начале 90-х все работы по этой теме были окончательно свернуты. Тяги ЯРД могут быть порядка тонн, УИ — вряд ли больше 7000 с.

3. Термоядерный ракетный двигатель. По многочисленным оценкам, здесь могут быть получены тяги в единицы и десятки тонн при УИ от 100 000 с до 1 000 000 с (!). Для Солнечной системы это — предел мечтаний. С такой энерговооруженностью можно быстро летать к самым отдаленным планетам в любое время суток и года (об окнах запуска — периодах, когда можно стартовать к цели, чтобы аппарат оказался на орбите планеты одновременно с нею самой — можно забыть), можно поддерживать искусственную гравитацию в течение всего полета, наконец, можно взлетать и садиться на безатмосферных небесных телах со слабым тяготением.

Правда, энергетически выгодного термоядерного реактора еще нет, и промышленной термоядерной электростанции не будет еще не менее десяти или двадцати лет — казалось бы, стоит ли при наличии таких проблем думать о том, как приспособить термоядерный реактор на космический корабль, когда его и на земле-то не построишь? Оказывается, тяговое применение термояда в открытом космосе может даже упростить задачу по сравнению с коммерческим наземным производством энергии, и Эдвард Теллер, отец американской водородной бомбы, недаром считал, что управляемый ядерный синтез найдет применение в космосе раньше, чем на Земле. Причин тому несколько:

1. Менее жесткие требования к Q, коэффициенту воспроизводства вложенной энергии — чтобы реактор был конкурентоспособен по сравнению с уже существующими электростанциями, Q должен быть порядка пяти, двигатель же интересует нас не как источник электроэнергии, а как генератор энергетически самоокупающейся горячей плазмы, так что Q=1 будет вполне достаточно. Даже если он окажется немного меньше единицы — установка все равно будет очень заманчива, как движитель, за счет высоких тяговых характеристик (потери энергии, если они не очень велики, можно восполнить с помощью реактора деления, то есть плазма будет самоокупаемой частично).

2. Даровой высокий вакуум (для энергетической выгодности очень важно отсутствие в плазме примесей — они сильно увеличивают потери на излучение).

3. Менее жесткие требования к радиационной безопасности — не нужно заботиться ни о захоронении частей конструкции, ставших радиоактивными, ни о их радиационной прочности (в отличие от реакторов электростанций, которые должны работать годами, срок работы ТЯРД, исчисляемый месяцами, вполне достаточен).

Как видим, проблема выглядит вполне разрешимой. О возможных путях ее решения — в следующем номере.

Д. ОЗОЛ, студент 3-го курса ФАКИ

Вот,ё мое,забыл войти

"NASA отправит в космос на верную смерть пару сотен человек.

На ежегодной встрече членов Американской ассоциации развития науки (American Association for the Advancement of Science) представитель NASA заявил, что Агентство собирается отправить за пределы Солнечной системы в одном космической корабле около 200 человек.

В своем сенсационном докладе учёный Джеффри Лэндис (Geoffrey Landis) описал подробности проекта, который условно можно назвать "Ноев ковчег". 180 добровольцев детородного возраста будут отправлены в космос, практически не имея возможности вернуться: "Это билет в один конец", - заявил Лэндис.


Предположительное время путешествия - 200 лет, за это время должно смениться около десяти поколений. Путешественники будут сами производить еду, когда закончатся запасы пищи: для этого на корабле будут оборудованы парники. Также астронавты смогут разводить животных. Корабль будет иметь размеры маленького города и сможет перевозить около миллиона тонн груза. Системы очистки воздуха и жизнеобеспечения будут черпать энергию из ядерного генератора..."

http://www.membrana.ru/articles/global/ ... 40000.html

Мне кажется проект садистский .... Добровольцы конечно сами делали свой выбор, заточая себя навечно в корабле. А как быть с потомством,с их детьми? Ведь оно не давало своего согласия провести всю свою жизнь ради одной цели - дать потомство. И всю жизнь провести в заточении в тесной кабине звездолета. Да от такой жизни дети и внуки просто спятят,с ума сойжут и проклянут своих родителей, обрекших их на судьбу пожизненно заключенных!

Мне кажется,что сейчас,используя современные традиционные технологии ,полет к звездат - пустая трата времени и денег.
Вот когда космические корабли будут летать со скоростью света или хотя с 1/2 скорости света, тогда полет к ближайшим звездам не станет крайне таким адистским занятием,а станет привычном делом.

В наше же время рановато об этом думать. Предположим запускают космический корабль к какой-нибудь звезде. Время путешествия этого корабля 200 лет. Пока этот корабль летит, на земле изобретают еще один более скоростной корабль, который сможет долететь до этой же звезды не за 200, а за 50 лет. Получается второй корабль обгонит первого и достигнет звезды раньше. В итоге производство первого корабля - лишняя трата денег.
Летит Второй корабль, но наука на земле не стоит. Человечсетво изобретает третий еще более скоростной корабль, который сможет долететь до этой же звезды не за 50, а за 10 лет. Третий кораль обгонит уже второго. Тут уже лишняя трата на производство второго корабля. И так далее.
Ессно,все имхо...

SHADOW а что ты думаешь насчёт" нейтрина "в использовании бесконечного топлива для ракет.(прошу извенить за хамство но если можно -ответь в развёрнутой форме) (°_°) {*-*} :=)))

Современные технологии это научный задел для технологий будущего и опыт строительства шатлов и буранов непременно будет востребован при создании межзвёздного корабля, так что это не пустая трата денег а нормальная работа. Есле бы в своё время братья Райт не изобрели свой "самолёт" мы бы не могли даже думать о полёте из Москвы в Краснодар (хотябы).

Да ладно тебе Шедо, неужели ты в это веришь? Это же наверняка жёлтая пресса. Как такое возможно, да и 200 лет пройдёт ещё на земле... пока технология созреет. О таком же нельзя писать серьёзно - это какой-нибудь журналист-нероеализованный фантаст сочинил. Как думаешь?

Конечно не верю Что-то часто от NASA стали слышится фантастические проекты(космо.лифт и.т.п ,небось денег выбить хотят или отвлечь внимание от проблем с СОИ и т.п,это я так писал,мысли вслух...

Это делается не прессой, а предвыборным штабом Буша чтоб поднять его рейтинги. Большинство американцев не знают что у них над головой летает МКС но зато все знают про марс (очевидно в вавилоне видели ) и поэтому Буш увеличил финансирование марсианской программы, а расходы на МКС снизил. Буш сказал что в 2030 году американца полетят на марс но всё это лажа т.к. у них нет даже искизного проекта корабля а у нас уже есть чертёж такова корабля и в следующем году из госбютжета на него выделят значительные средства. Возможно мы сможем отправить своих сограждан до 2020 года. Так что посмотрим кто первый внатуре.

Все-таки хочется верить,что выступление Буша - это непросто предвыборная риторика,может действительно им нужна великая цель,чтобы объединить нацию,как было во время лунной программы.Ведь,имхо,в Америке сложиласть тяжелая экономическая ситуация,огромный внешний долг,безработица,падение уровня жизни ,утекание производства в Азию.Мне вообще кажется ,что если лететь ,то лететь всем миром.Хорошим способом,для восстановление экономики и является вложение средств в ВПК и др. высоких технологий,здесь они преобретут огромный опыт и оторвуться от других стран в уровне развитии технологий,а заодно и покажут всему миру кто здесь хозяин...Хотя планы Буша могут иметь и другую причину.До объявления новой космической программы Америки о своих планах объявил Китай,они неменее амбициозны,к 2020 создать колонию на Луне,полететь к Марсу.И почему-то я уверен,что если сказали - сделают,нет там демократии,лишних проволочек,в отличии от Америки они непиарятся.Так что,вполне возможно,если бы Китай не заявил о своих планах ,Америка о космосе вряд ли бы задумывалась.Может быть мы станем свидетелями новой космической гонки.Что же касается наших планов,то я к ним отношусь скептически,прсто этих проетов было уже черти сколько,слишком много разговоров,а денег-то все-равно нет,и ведь надо признать за время перестройки ,имхо,конечно,мы потеряли многое..Одно дело лететь на Марс ,другое проводить испытания на Земле.Ведь мы на Марс удачно не посадили ниодного зонда,хотя очень хочется верит,что полетим...

Я верю в существования таких технологий,которые сделаю полеты к звездам не через двести лет ,а может быть в течении жизни одного поколения,хотел бы я сказать ,что бы я быть на 100% уверенным ,но не могу.Косвенных фактов куча:от Филадельфийского экспермента,работ Третьего рейха,Серла и прочих,но проблема в том ,что они не ипользуются,миллиарды вкладываются куда угодно,только не туда.Вообще я считаю,что надо найти способ как управлять гравитацией,хотя современная наука не знает что такое гравитация.Читал я вчера про коралловый замок,это просто фантастика,масштабы сооружения впечаляют!И все это построил ОДИН человек,блоки из которых замок сделан с трудом сдвигают современные бульдозеры,а строли он его 50 лет назад!!

Честно,сам я ответить не могу,так как совсем не физик,а полный гуманитарий ,но информацию поищу,обязательно,если что найду кину сюда...

Господин Shadow вы зря скептически относитесь к нашей марсианской программе ведь дело не только в количестве денег, а в эфективности их использования. У американцев даже их расхваленый "команч" (вертолёт последнего поколения) на 20000000$ дороже нашего "ночного охотника" и уступает ему по всем параметрам на порядок и так во всех сферах наук(космонавтика не исключение). В америке осталось два авиастроительных супер гиганта "Локхид Мартин" и "Боинг", конкуренцыи никакой и за кождый проект самолёта они заламывают цену в 4 раза большую его реальной стоимости, потому и дифицыт бютжета (плюс война в Ираке). У нас есть один серьёзный марсианский проект КОСМОНАВТЫ К КОТОРОМУ УЖЕ ГОТОВЯТСЯ. При ежегодно увеличивающемся бютжете вполне вероятно что мы полетим на марс певей американцев (и вавилон построим МЫ ).

Будем надеятся ,но Вавилон лучше строить всем миром