Новые технологии космических двигателей

bazovyj-lager-marsa
Базовый лагерь Марса: одна из концепций орбитального форпоста на Красной планете от Lockheed Martin

Если мы когда-нибудь совершим регулярные полеты с Земли на Марс и в другие отдаленные места, нам могут потребоваться новые виды двигателей. Инженеры изучают новые революционные технологии, которые могут помочь нам пересечь Солнечную систему за гораздо меньшее время.

Из-за орбитальных траекторий, которые Марс и Земля проходят вокруг Солнца, расстояние между ними варьируется от 54,6 млн. До 401 млн. Км.

Миссии на Марс начинаются, когда две планеты приближаются. В течение одного из этих подходов, чтобы добраться до Марса, используя химические ракеты, требуется девять месяцев — форма движения в широко распространенном использовании. Это долгое время для любого, чтобы провести путешествие. Но инженеры, в том числе в американском космическом агентстве (NASA), работают с промышленными партнерами, чтобы разработать более быстрые методы доставки.

Каковы из наиболее перспективных технологий?

Солнечные электрические двигатели могли бы использоваться для отправки грузов на Марс перед выполнением миссии человеком. По словам д-ра Джеффа Шихи, главного инженера в Управлении космических технологий Миссии NASA, это обеспечило бы готовность оборудования и материалов для астронавтов, когда они прибыли с использованием химических ракет. С помощью солнечного электрического двигателя большие солнечные батареи развертываются, чтобы захватывать солнечную энергию, которая затем преобразуется в электричество. Это приводит в действие то, что называется двигателем Холла. Есть плюсы и минусы. С другой стороны, вам нужно гораздо меньше топлива, поэтому космический корабль становится легче. Но это также займет больше времени.

«Для того, чтобы нести полезную нагрузку, которая нам нужна, вероятно, понадобится от двух до 2,5 лет, чтобы добраться туда», — говорит доктор Шихи. «Что касается длительного проживания, то мы должны построить на Марсе форпосты».

dvigatel-holla
Aerojet Rocketdyne работает над двигателем Холла для лунных работ

Aerojet Rocketdyne работает над двигателем Холла для Gateway, предполагаемой космической станции на лунной орбите.

«Солнечная энергия — лучшая, потому что мы знаем, что можем ее расширить, — объясняет Джо Кэссиди, исполнительный директор космического подразделения Aerojet Rocketdyne. У нас уже есть эти полеты сегодня на спутниках связи. Уровень мощности, на котором мы летаем сегодня, составляет 10–15 кВт (киловатт), и мы стремимся повысить мощность более 50 кВт».

Г-н Кэссиди сказал, что двигатель Холла будет намного более экономичным, чем ракетный двигатель с жидким водородом и кислородом.

«Я думаю, что солнечная электрическая тяга — очень хорошая технология, использующая ксенон в качестве топлива. Но два главных недостатка — это время, которое требуется, чтобы добраться туда, и размер солнечных батарей», — говорит Тим ​​Чичан, человек, летающий в космос, архитектор аэрокосмического гиганта Lockheed Martin. Дейл Томас, профессор и выдающийся ученый в области системотехники в Университете Алабамы в Хантсвилле (UAH), согласен с этим.

«Солнечная электрическая система хорошо работает для небольших нагрузок, но у нас все еще есть проблемы с ее масштабированием», — говорит он.

Он считает, что это может стать важной альтернативной технологией, если технические проблемы могут быть решены. Но на данный момент, по его словам, есть и другие лучшие варианты, такие как ядерные тепловые электрические двигатели.

Ядерная тепловая электрическая тяга

Другая идея — использовать химические ракеты, чтобы подняться с Земли и приземлиться на Марс. Но для средней части пути некоторые инженеры предлагают использовать то, что называется ядерно-электрическим двигателем. Космонавтов можно было отправить к Воротам в капсуле NASA Орион. Капсула экипажа «Орион» должна была стыковаться с транспортным средством. Как только Орион будет подключен к транспортному средству, ядерная электрическая ракета будет использоваться для доставки капсулы экипажа и транспортного модуля на Марс, где они соединяются с орбитальным аппаратом Марса и посадочным аппаратом, которые ожидают на орбите Марса. В ядерной тепловой электрической ракете небольшой ядерный реактор нагревает жидкий водород. Газообразная форма элемента расширяется и выходит из движителя.

stykovka-ehkipazha
Стыковка экипажа Orion с шлюзом на лунной орбите

«Если мы сможем сократить время транзита [до Марса] на 30–60 дней, это улучшит воздействие радиации на экипаж», — говорит Кэссиди. «Мы рассматриваем ядерную энергетику как ключевую технологию, поскольку она может ускорить транзит».

У Дейла Томаса, вместе с UAH, есть контракт с NASA на разработку космической ракеты с ядерным тепловым двигателем. Он считает, что ядерная тепловая электротехника — самая новая технология двигателей, готовая к использованию.

«На некоторых траекториях, которые мы используем в моей лаборатории, мы можем сократить время транзита до трех месяцев, что все еще очень долгий путь, но это примерно треть времени, которое требуется для химической тяги, чтобы доставить нас туда», — говорит он.

Находясь в космосе, астронавты подвергаются облучению. Некоторые в космической отрасли опасаются, что ядерное тепловое движение увеличит этот риск. Боинг не заинтересован в ядерном тепловом двигателе, потому что его беспокоит влияние ядерного реактора на космонавтов.

Мистер Томас не согласен: «Это распространенное заблуждение. Водородное топливо — отличный радиационный щит. Экипаж будет находиться на одном конце транспортного средства, а двигатель — на другом. Как таковые, предварительные оценки показывают, что экипаж получит большую дозу радиации от космических лучей, чем от ядерного теплового двигателя».

astronavty-podvergayutsya-oblucheniyu
В космосе, астронавты подвергаются облучению. 
Некоторые в космической отрасли опасаются, что ядерные тепловые двигатели увеличат этот риск.

Тем не менее, он признает, что одним из недостатков технологии является неспособность легко протестировать ее на Земле. Но НАСА разрабатывает аппарат для наземных испытаний, который очищает выхлопные газы от радиоактивных частиц, что делает возможным проведение наземных испытаний.

Электрический ионный двигатель генерирует тягу, ускоряя ионы — заряженные атомы или молекулы — используя электричество.Ионные двигатели уже используются для питания спутников в космосе. Но они производят только малую тягу — больше похоже на мощность фена — и поэтому имеют низкое ускорение. Но со временем они могут достигать высоких скоростей.

Ad Astra говорит, что работает над двигателем типа Vasimr, который использует радиоволны для ионизации и нагрева топлива, а затем магнитное поле для ускорения получающегося в результате смеси частиц — плазмы. Vasimr разработан для создания гораздо большей тяги, чем стандартный ионный двигатель. Необходимое электричество может быть произведено по-разному. Но для отправки людей на Марс команда хочет использовать ядерный реактор. Vasimr будет использовать солнечное электричество для небольших нагрузок. Президент и исполнительный директор «Ad Astra» Франклин Чанг Диас, бывший астронавт NASA, говорит, что в идеале экипаж должен попасть на Марс менее чем за девять месяцев.

franklin-chang-dias
Бывший астронавт NASA Франклин Чанг-Диас

Когда мы доберемся до Марса?

Недавнее исследование, проведенное Институтом научно-технической политики (STPI), показало, что учитывая ограничения на бюджеты NASA, STPI считает, что мы с большей вероятностью отправимся на Марс в 2039 году, хотя Белый дом хочет, чтобы космическое агентство США впервые к 2024 году исследовало Луну в рамках своей программы Artemis.

Leave A Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *