Последний космический шанс - Антон Первушин

В ходе исторических экспериментов Глушко удалось добиться эффекта «электрического взрыва», когда металлический проводник разогревался до миллиона градусов и мгновенно превращался в пар. Аналогичные опыты были проведены в США только в конце 1950-х годов. И получились совершенно шикарные цифры по удельному импульсу. Электрический взрыв вольфрамовой проволоки дал удельный импульс в 2200 секунд (на порядок больше кислородно-керосинового двигателя РД-107).

Эксперименты с алюминием, железом, медью, золотом и серебром дали разброс импульса от 1000 до 5000 секунд! Подставим последнее число в нашу формулу и получим на выходе 25 т – то есть корабль вместе с запасом металлического топлива будет весить всего 125 т и его можно будет вывести на опорную орбиту одной сверхтяжелой ракетой типа «Сатурн-5».

К сожалению, природа легко не сдается: при взрыве тяжелых металлов образуются твердые частицы, которые разрушают сопло. Посему имеет смысл использовать более легкие металлы с меньшим удельным импульсом (литий, натрий, бериллий, магний) и разогревать их постепенно, жертвуя реальной тягой. Другой путь – греть с помощью жаропрочного элемента инертный газ (гелий, ксенон, аргон).

Европейский межпланетный аппарат «SMART-1»

Электроракетные двигатели уже находили применение в космонавтике. Например, в 2003 году к Луне был запущен аппарат «Смарт-1» (“SMART-1”, “Small Missions for Advanced Research in Technology”), на котором стоял французский двигатель PPS-1350-G. В качестве рабочего тела применялся разогретый до плазмы ксенон. Двигатель проработал в космосе приблизительно 5000 часов, истратив за это время 80 кг ксенона, причем удельный импульс составил 1670 секунд. Двигатели на ксеноне и ртути использовались в системах ориентации и маневрирования спутников СССР, США и Великобритании. Сегодня они находят все большее применение в межпланетных аппаратах. Три ксеноновых двигателя NSTAR установлены на американском аппарате «Рассвет», изучающем главный пояс астероидов. За время этой миссии, которая еще не завершена, будет израсходовано 425 кг ксенона при массе аппарата 1240 кг, удельный импульс достигает 3100 секунд – фантастическая величина! И сразу бросается в глаза, что «топливо» весит намного меньше, чем сам космический аппарат – при использовании обычных химических топлив все было бы ровно наоборот.

Электротермические ракетные двигатели планируется использовать и в дальнейшем. В 2004 году НАСА инициировало проект «Спутник юпитерианских ледяных лун» (“Jupiter Icy Moons Orbiter”, JIMO) – большого межпланетного аппарата, нацеленного на изучение системы спутников Юпитера. Научный модуль массой 1,5 т должны были доставить к далекой планете восемь ксеноновых двигателей “Herakles” с удельным импульсом 7000 секунд. К сожалению, из-за экономических трудностей этот проект заморожен.

Давайте возьмем удельный импульс 7000 секунд и подставим его в нашу формулу. На выходе получим 17 т ксенона. Получается, что корабль, создаваемый для полета на Марс и снабженный такими двигателями, будет весить всего-навсего 117 т (близко к грузоподъемности ракеты «Энергия»), и это не фантастика, а техническая реальность. Почему же конструкторы ракетно-космической техники не бросили все силы на создание электро-ракетных двигателей, отказавшись от «химии»?

Ответ на этот вопрос можно найти в первой главе, но повторим его, чтобы зафиксировать еще раз. Электроракетные двигатели нуждаются в мощном источнике энергии. Никаких аккумуляторов не хватит, чтобы поддерживать их работу достаточно продолжительное время. Энергию необходимо восполнять, но в космосе это можно сделать только двумя способами: преобразуя с помощью солнечных батарей энергию нашего светила или организовав на борту собственную электростанцию. Упомянутые двигатели “Herakles” потребляют 104 киловатт. На орбите Земли на квадратный метр поверхности от Солнца поступает около 1,4 киловатт («солнечная постоянная»). Коэффициент фотоэлектрического преобразования лучших солнечных батарей, созданных сегодня в виде уникальных лабораторных образцов, не превышает 43 % (самые дорогие промышленно выпускаемые солнечные батареи дают 24 %) – т. е. в наилучшем случае мы может рассчитывать на 0,6 киловатт с квадратного метра. Таким образом, чтобы выдать 104 киловатт, мы должны разместить на JIMO панели солнечных батарей общей площадью 173 м2, а это довольно громоздкая конструкция. Причем следует помнить, что батареи деградируют под воздействием заряженных частиц и микрометеоритов, а главное – чем дальше мы улетаем от Солнца, тем быстрее падает производительность. Если же поставить на JIMO ядерный реактор соответствующей мощности, то ему потребуется большой радиатор для сброса избыточного тепла – площадью 422 м2. Но речь, напомню, идет всего лишь о межпланетном аппарате с полезным грузом 1,5 т. А пилотируемый корабль должен весить около 100 т и потребности его в энергии будут велики – по разным оценкам, от 7 до 15 мегаватт. Соответственно, ему понадобятся либо колоссальные панели солнечных батарей, либо огромные панели радиатора. Такую конструкцию не то, что построить, ее и представить себе трудно.

Электроракетный двигатель PPS-1350-G

Возьмем самый современный из существующих проектов экспедиции на Марс, подготовленный в 1999 году инженерами Ракетно-космической корпорации «Энергия». На Марс летят шесть космонавтов, общее время экспедиции – два года. Полет обеспечит блок электроракетных двигателей, работающих на литии. Масса всего корабля составляет 600 т, из них на жилой модуль объемом 410 м3 приходится лишь 70 т. Общая потребляемая мощность – 15 мегаватт, источником энергии станут панели солнечных батарей площадью 120 000 м2 (семнадцать стандартных футбольных полей). Получается, что основную массу корабля составят именно солнечные батареи, что логично. И знаете, ради чего будет создана эта циклопическая и дорогая конструкция (если, конечно, она будет создана)? Ради того, чтобы два члена экипажа высадились на Марс и пробыли там семь суток. Не месяц, не год – семь суток! То есть воткнули флаг, прогулялись по округе, собрали энное количество грунта и полетели назад. На серьезные научные исследования у подобной экспедиции просто не будет времени. Стоит ли овчинка выделки?..

К счастью, инженерная мысль не стоит на месте. С принципиально новым проектом космического движителя для межпланетного корабля выступили ученые из Исследовательского центра имени Мстислава Келдыша. Они предложили создать космическую атомную электростанцию турбомашинного типа: ядерный реактор будет греть рабочее тело (инертный газ), которое вращает турбину, приводящую в действие генератор – тот вырабатывает электроэнергию, которая идет на питание электроракетных двигателей. Сброс избыточного тепла при этом осуществляется через холодильник-излучатель довольно оригинальной конструкции: специальное устройство формирует и выпускает поток капель, которые излучают тепло в космос, проходя какое-то расстояние через вакуум, а потом капли собираются и снова вводятся в контур. В 1999 году на станции «Мир» уже проводился соответствующий эксперимент, и ученые убедились, что необычная система сброса избыточного тепла вполне работоспособна.