«Аэрокосмическая техника» 1991 №2, с. 64-69
1) Aerospace America, 1990, No. 7, pp. 60-64. Перевод А. А. Гафарова.
© American Institute of Astronautics and Aeronautics, Inc., 1990. Все права сохраняются.
2) Forvard Unlimited, Malibu, Cal. 90265.
Освоение космического пространства было начато с помощью химических ракетных двигателей. Эти двигатели обеспечили высадку людей на Луне, доставку посадочных аппаратов на поверхность Венеры и Марса, пролет космических зондов около всех основных планет и лун Солнечной системы. Ныне президент Буш выдвигает задачу создания базы на Луне и исследования Марса. Но если бы мы попытались использовать для решения этой задачи двигатели, работающие на химическом топливе, то затраты оказались бы настолько велики, что осуществить эти пролеты так и не удалось бы. Если мы хотим быстро и экономично путешествовать в пределах Солнечной системы, нам необходимы более эффективные средства передвижения по сравнению с теми, что работают на химическом топливе. Именно этому посвящена довольно обширная и разноплановая область исследований и разработок под названием перспективные космические двигательные системы. К категории перспективных космических двигательных систем можно отнести и уже практически используемые электрореактивные двигатели. На сегодняшний день они уже настолько хорошо отработаны, что им отводится вполне определенное место в программах космических полетов. Однако электрореактивные двигатели не обеспечивают решения проблемы осуществления межпланетных космических путешествий. Ни один из известных типов электрореактивных двигателей не может быть использован для выведения полезной нагрузки с поверхности Земли на орбиту, времена перелета в космическом пространстве при их использовании оказываются очень большими и, наконец, они требуют дозаправки топливом.
 В соответствии с разработанным фирмой Marttin Marietta проектом привязной системы спутник для проведения электродинамических исследований выпускается вверх из отсека полезной нагрузки КЛАМИ "Спейс шаттл" на электропроводящем изолированном тросе толщиной 2 мм и длиной 3,7 км. |
Для специалистов в области химических двигателей материалы с высоким энергосодержанием (МВЭС) стали чем-то вроде Чаши Грааля. К настоящему времени изучены почти все возможные комбинации известных элементов и их молекулярных соединений. Наиболее эффективным топливом, которым мы располагаем в настоящее время, является пара жидкий кислород — жидкий водород, которая обеспечивает достижение максимального удельного импульса 500 с. Целью программы МВЭС является поиск химических топлив с высоким энергосодержанием и малой молекулярной массой.
Многообещающим в этом отношении считается тетраводород, который представляет собой возбужденную молекулу с четырьмя атомами водорода в молекуле тетраэдрической формы. Однако расчеты на больших ЭВМ показали, что это вещество распадается с очень высокой скоростью, из-за чего оно до сих пор не обнаружено в природе. Тем не менее изучение этого вещества привело к другим МВЭС, таким, как a-N2O2 (несимметричная перекись азота), Li3Н, FN3 и В2Ве2. Теоретически В2Ве2 имеет теплоту образования 1395 кДж/моль и при молекулярном распаде обеспечивает достижение удельного импульса свыше 600 с. Соединение FN3 является устойчивым при низких температурах и находит применение в качестве рабочего тела для химических лазеров и мощного взрывчатого вещества.
В количествах, вполне достаточных для возникновения разрушительных взрывов в криогенной стеклянной емкости, был получен атомарный водород с поляризованным спином, который в принципе может обеспечить достижение удельного импульса 2100 с. Но время существования этих атомов резко уменьшается при росте плотности благодаря увеличению количества столкновений, при которых происходит рекомбинация по схеме соударения трех тел. Поэтому пока не будет найден способ предотвращения таких столкновений, это вещество невозможно будет производить в качестве практически приемлемого топлива.
Проводится исследование необычных молекул с "напряженными" связями, таких, например, как кубаны (кубы, составленные из атомов углерода). Кое-что из этого можно получить, но удельная тяга на таком топливе будет не намного выше, чем при использовании пары жидкий кислород — жидкий водород.
Вполне возможно, что топливом, которое получит широкое признание, станет металлический водород. Это плотная форма атомарного водорода с плотностью 1,15 г/см3, позволяющая достичь удельного импульса 1700 с. С помощью прессов, предназначенных для производства алмазов, удается создавать на образцах молекулярного водорода микронного размера давления до 300 ГПа. Сообщалось о потемнении образца при этих условиях, что свидетельствует о поглощении им света. Но требуются еще дополнительные исследования, чтобы определить, является ли это вещество проводящей формой молекулярного водорода или металлическим атомарным водородом. Если даже металлический водород сохраняет свою устойчивость при некотором давлении, более низком, чем при котором он был получен, возникнет грандиозная техническая проблема перехода от партий микронного размера к широкомасштабному производству, измеряемому тоннами в сутки. Но надо иметь в виду, что при удельном импульсе 1700 с ракета, использующая металлический водород, может решить все те задачи, для которых предполагают применить ракеты с лазерными, солнечными, ядерными двигателями, и даже двигателями, использующими в качестве рабочего тела антивещество, причем с меньшими затратами и риском.
За последние несколько лет значительное развитие получили работы по лазерным тепловым двигателям, при этом наибольшее внимание было уделено планарным двигателям малой тяги. Полезная нагрузка в этом случае размещается над блоком из твердого аблирующего топлива, такого, например, как пластик или лед. Под воздействием "испаряющего" импульса лазерного излучения происходит абляция очень тонкого слоя топлива, в результате чего образуется слой газа. Второй лазерный импульс "взрывает" этот газовый слой, благодаря чему возникает тяга. Этот процесс длится несколько микросекунд и повторяется с частотой 100 -1000 Гц. Расширение газов при взрыве происходит в непосредственной близости от поверхности топлива, в связи с чем отпадает необходимость в сопле. Тяга направлена по нормали к плоской поверхности топлива и ее направление не зависит от направления падающего лазерного излучения, что позволяет аппарату лететь под углом к лазерному лучу.
 В солнечных тепловых ракетных двигателях используются концентрирующие зеркала для сбора и фокусировки солнечной энергии. Эта энергия идет на нагрев ракетного топлива, при истечении которого через сопло создается тяга. |
Космический аппарат с лазерным ракетным двигателем может осуществить выход на орбиту, близкую к круговой, без использования специального апогейного двигателя. Управление аппаратом с поверхности Земли может осуществляться путем смещения луча относительно центра основания топливного блока. В связи с этим отпадает необходимость в бортовой системе управления полетом. Величина полезной нагрузки такого аппарата зависит от мощности лазера; при мощности 20 МВт может быть осуществлен запуск аппарата массой 150 кг с полезной нагрузкой 20 кг. При большей мощности лазерного излучения можно запускать пропорционально более массивные полезные нагрузки. Максимальные ускорения на аппаратах с лазерными двигателями соизмеримы с ускорениями на химических ракетах.
Другим вариантом лазерного двигателя является поглощение лазерного излучения в плазменном "факеле", который возникает под действием лазерного излучения, сфокусированного на ядро потока истекающего топливного газа. По имеющимся оценкам при использовании в качестве топливного газа водорода тяга может достигнуть 10 кН при удельной тяге 1000 с. При мощности лазерного излучения, не превышающей 1 МВт, может оказаться возможным без использования промежуточных оптических систем увеличивать высоту как низких околоземных орбит, так и геосинхронных орбит. Если же мощность лазеров окажется на уровне 10 — 100 МВт, то можно будет выводить небольшие полезные нагрузки непосредственно с поверхности Земли на орбиту. Если с помощью лазера мощностью 20 МВт запускать в день 100 аппаратов массой по 20 кг, то можно будет выводить на орбиту несколько сотен тонн грузов ежегодно. С помощью лазеров мощностью всего в несколько гигаватт может быть осуществлен запуск многотонных космических аппаратов, запускаемых в настоящее время химическими ракетами, мощность которых измеряется многими гигаваттами. Относительная масса полезной нагрузки в лазерных ракетах будет намного выше, чем в химических, так как тяжелый источник энергии остается на Земле. Кроме того, благодаря более высокой удельной тяге в лазерных ракетах будет меньше относительная масса топлива. Хотя лазеры гигаваттного уровня мощности и отсутствуют в настоящее время, тем не менее нет сомнений в том, что они могут быть созданы в случае сильной необходимости.
Фокусировку солнечного излучения на светопоглощающую поверхность теплообменника солнечных тепловых двигателей предполагают осуществлять крупногабаритными надувными концентрирующими зеркалами. Солнечная энергия нагревает топливо (как правило, водород), при истечении которого возникает тяга. В середине 1980-х годов был построен двигатель малой тяги, который состоял из цилиндрической полости, образованной трубкой из рения, через которую протекал водород. Солнечная энергия, поступающая в полость от солнечной энергоустановки мощностью 25 кВт, создавала тягу 4,45 Н при измеренной величине удельной тяги 650 с.
Приблизительно в это же время был создан надувной концентратор солнечного излучения диаметром 3 м. Измеренная величина степени концентрации составила впечатляющее значение 12 000:1. Позднее был изготовлен внеосевой надувной отражатель размером 4x6 м со степенью концентрации 10 000:1. Дальнейшие работы в этом направлении свидетельствуют о том, что вполне реальным является создание полноразмерных внеосевых концентраторов диаметром до 30 м. В настоящее время прорабатывается проект солнечной тепловой двигательной установки, в состав которой входят два зеркала диаметром 30 м, обеспечивающие получение тепловой энергии мощностью 1,5 МВт, и два двигателя тягой 222,5 Н при удельном импульсе 900 с.
Возможность создания ядерных ракетных двигателей была продемонстрирована в ходе испытаний ядерных реакторов с твердой активной зоной в рамках программ ROVER и NERVA, выполненных в период с 1959 по 1972 г. В последнее время предпринимаются усилия для использования результатов, полученных в ходе выполнения программ ROVER и NERVA, в целях организации двухрежимной работы ядерного двигателя. Первоначально ядерный реактор используется в качестве теплового двигателя с высоким удельным импульсом и большой тягой для быстрого перевода аппарата с низкой околоземной орбиты на траекторию ухода от Земли. После выхода из сферы земного притяжения системы реактора переключаются
 Одним из возможных применений космических привязных систем является марсианская система транспортировки грузов. |
Ведутся также исследования реакторов с радиальным течением потока рабочего тела (в реакторах VER/NERVA водород протекает через реактор вдоль его оси). При рабочей температуре 3200 К и давлении 70 кПа удельная тяга такого двигателя составит 1250 с. При отношении тяги к массе, достаточном для осуществления пилотируемого полета на Марс, этот двигатель может работать в двух режимах. После выхода из сферы земного притяжения давление в рабочей камере должно быть снижено до 0,7 кПа, при этом удельная тяга возрастет до 1500 с. При этих параметрах может быть обеспечена непрерывная работа двигателя в режиме малой тяги, благодаря чему время перелета к Марсу составит менее 100 дней. Современный реактор с активной зоной из гранулированного ядерного горючего при тепловой мощности 300 МВт имеет диаметр всего лишь 56 см и длину 102 см. Такой реактор развивает тягу 66 750 Н при удельной тяге 1000 с. Как показали результаты исследований, посвященных осуществлению межпланетных полетов, в качестве топлива ядерных ракетных двигателей могут быть использованы вещества, содержащиеся в атмосфере Марса, а также лун других планет, что открывает возможность для неограниченного исследования этих небесных тел.
Техническими средствами для сообщения движения космическим аппаратам, которые найдут практическое применение в ближайшее время, являются привязные (или тросовые) системы. На 1991 г. запланирован первый эксперимент по выпуску космического аппарата вверх из отсека полезной нагрузки орбитальной ступени космического летательного аппарата многоразового использования (КЛАМИ) "Спейс шаттл". КЛА будет выпущен на проводящем тросе, представляющем собой проводящий кабель диаметром 2,5 мм и длиной 100 км. При пропускании тока через кабель может быть получена тяга в результате его взаимодействия с полем Земли.
Привязные системы предлагались для решения многих космических задач, в том числе для перевода полезных нагрузок с низких околоземных орбит на геосинхронные, а также для передачи количества движения от одного КЛА к другому с помощью орбитальной космической станции (ОКС). В последнем случае межорбитальный транспортный аппарат (МТА) запускается с ОКС на тросе, направленном вверх, и одновременно орбитальная ступень КЛАМИ спускается с орбиты на тросе, направленном с ОКС вниз, при этом не расходуется никакого топлива. На станцию это никак не влияет — она просто перераспределяет энергию и количество движения между космическими аппаратами. Можно использовать привязные системы для перемещения полезных нагрузок от одной планеты к другой, например с низкой марсианской орбиты на низкую околоземную орбиту. В частности, было показано, что длинный кевларовый трос, центр вращения которого находится на орбите небольшой лишенной плотной атмосферы планеты (подобной Луне или Марсу), может коснуться концом поверхности планеты шесть раз за период вращения по орбите, опуская и поднимая при этом полезные нагрузки, масса которых сравнима с массой троса.
Имеются оценки возможности использования концепции привязных систем для доставки грузов на Луну и Марс. На базе материала фирмы Spectra, имеющего более высокие характеристики, чем кевлар, спроектировано небывалое привязное транспортное устройство, способное сообщить грузу массой 10 т ускорение 1 км/с. Для того чтобы оставаться на орбите при перемещении 10-тонных полезных нагрузок, масса устройства должна быть не менее 300 тонн, при этом масса троса составляет всего лишь 7 т. Одно привязное устройство должно быть расположено на круговой орбите высотой 500 км, а другое — на сильно вытянутой эллиптической орбите с периодом обращения, в четыре раза превышающим период обращения по круговой орбите.
Полезные нагрузки должны подниматься с двухсоткилометровой околоземной орбиты посредством наматывания троса и выводиться на промежуточную эллиптическую орбиту с периодом обращения, в два раза превышающим период обращения наматывающего устройства, движущегося по круговой орбите. С этой переходной орбиты полезные нагрузки поднимаются с помощью более высоко расположенного наматывающего устройства и выводятся на траекторию полета к Луне. У Луны полезные нагрузки захватываются на этот раз вращающимся тросом массой 200 т, концы которого описывают окружность диаметром 1160 км. С помощью этого троса грузы безопасно опускаются на поверхность Луны. Если организовать работу этой системы таким образом, чтобы грузопотоки в обоих направлениях были равны, для ее работы не потребуется дополнительного подвода энергии.
 В солнечных парусах сила тяги возникает под воздействием светового давления солнечных протонов. Этот солнечный парус спроектирован для сближения с кометой Галлея. |  Проект термоядерного двигателя для многоразовых межорбитальных транспортных аппаратов. |
Двигательные установки с солнечными парусами основаны на использовании прикрепленных к КЛА больших сверхлегких отражателей, на которые воздействует световое давление солнечных протонов, в результате чего возникает тяга. За счет поворота паруса можно изменять направление действующей на него силы, благодаря чему давление света может быть использовано для увеличения орбитальной скорости КЛА и направления его движения в сторону, противоположную от Солнца, или для уменьшения орбитальной скорости КЛА, в результате чего он может приблизиться к Солнцу. В 1976-1977 гг. были выполнены детальные инженерные проработки паруса квадратной формы и паруса в виде 12-лопастной "солнечной вертушки", предназначенных для сближения с кометой Галлея.
Первый солнечный парус был построен в 1981 г. Латунная модель паруса прошла наземные испытания, в ходе которых она была развернута. Изготовлен опытный образец, предназначенный для испытаний в космосе. Сначала планируется провести испытания по развертыванию паруса, а затем выполнить испытательный полет к Луне.
В 1988 г. была повторно "изобретена" двухпарусная схема солнечного фотонного двигателя. Согласно этой схеме, один большой коллекторный парус постоянно обращен к Солнцу таким образом, чтобы обеспечивалась его максимальная освещенность. Коллекторный парус имеет небольшую кривизну, чтобы сфокусировать солнечный свет на гораздо меньшем парусе, который, отражая солнечный свет, и создает тягу. Благодаря тому, что такая схема фотонного двигателя является более эффективной по сравнению с обычной однопарусной схемой, она может оказаться эффективной даже на высоте полета КЛАМИ "Спейс шаттл", тогда как применение однопарусной схемы возможно только на высотах, больших 1000 км, где давление света превышает сопротивление атмосферы (при движении паруса).
В последнее время вновь рассматривается возможность использования солнечных парусов для пилотируемого полета к Марсу. Согласно предшествующим исследованиям, оптимизированное время перелета от Земли до Марса составляет 825 сут. Как показали новые расчеты, при использовании для выхода в ближайший космос с поверхности Земли носителя на химическом топливе солнечного паруса на участке перелета к Марсу и аэродинамического торможения при сближении с планетой время полета составит 120 сут., а время возвращения паруса без полезной нагрузки 80 сут.
Если солнечный парус сделать достаточно легким, он сможет зависать над планетой, не обращаясь по орбите, — световое давление солнечных фотонов в этом случае будет уравновешивать гравитационное притяжение Солнца и (или) Земли. В последнее время было рассчитано большое семейство гелеоцентрических орбит для солнечных парусов. Это семейство включает орбиты почти с любым периодом обращения (например, для КЛА, пролетающих в непосредственной близости от Солнца, находящихся на гелеосинхронной орбите или с периодом обращения какой-либо планеты) с почти любым расстоянием от Солнца, расположенные как в плоскости эклиптики, так и вне ее. Возможно размещение такого аппарата над полюсом планеты без перемещения его по орбите, благодаря чему связные, радиотрансляционные или метеорологические спутники могут парить над полярными областями Земли (или любой другой планеты Солнечной системы).
Магнитные паруса представляют собой дальнейшее развитие солнечных парусов, в которых используется совершенно другой тип физического взаимодействия с Солнцем. Магнитный парус — это петля, изготовленная из высокотемпературного сверхпроводника, по которому течет постоянный ток. Заряженные частицы солнечного ветра отражаются от магнитного поля паруса, благодаря чему возникает тяга. Хотя тяга, получаемая таким образом с единицы площади сечения, где происходит взаимодействие с солнечным ионным ветром, в 5000 раз меньше тяги, получаемой с единицы площади солнечного паруса, масса солнечных парусов растет прямо пропорционально их площади, в то время как масса магнитных парусов растет лишь пропорционально периметру охватываемой ими области.
Эффективная площадь поперечного сечения магнитных полей вокруг магнитного паруса в сотни раз превышает площадь, фактически охватываемую петлей. В связи с этим по результатам предварительных расчетов тяговооруженность (отношение тяги к массе) для магнитных парусов может быть на порядок выше, чем у солнечных парусов. Результаты проведенных в последнее время тепловых расчетов свидетельствуют о том, что при организации соответствующей защиты проводника от облучения солнечным светом его температура может пассивно поддерживаться на уровне 65 К, что существенно ниже точки перехода в сверхпроводящее состояние для многих новых высокотемпературных сверхпроводников.
Имеется немало публикаций, касающихся термоядерных ракетных двигателей, двигателей, работающих на продуктах деления, на антивеществе, и даже небывалых космических аппаратов и нереактивных средств передвижения, использующих вещество отрицательной массы. Но нам нет необходимости дожидаться появления экзотических космических аппаратов, отличающихся небывалыми характеристиками и высокой эффективностью. Для достижения относительно небольших скоростей прекрасным средством являются ракетные двигатели на химическом топливе. Но для решения более сложных задач необходимо вложить значительные средства в НИОКР, связанные с развитием тех средств передвижения в космосе, которые уже доказали свои потенциальные возможности применения в следующем десятилетии.
Мы должны начать с электрических реактивных движителей, но не таких небольших систем, которые используются для решения вспомогательных задач, типа сохранения ориентации КЛА или компенсации аэродинамического торможения ОКС. Нам нужны мегаваттные и даже мультимегаваттные двигательные системы для межорбитальных транспортных аппаратов, аппаратов, курсирующих между Землей и Луной, а также для осуществления пилотируемых полетов на Марс. Следующим шагом должно стать использование солнечных парусов, сначала для создания связных, радиовещательных и метеорологических спутников, которые не обязательно должны находиться на экваториальной геосинхронной орбите, затем для создания научных станций, "парящих" над Солнцем или исследующих выбранные районы Солнечной системы, и, наконец, для организации перевозок различных грузов в пределах Солнечной системы — и все это без расхода топлива.
Затем наступит пора использования вращающихся тросовых систем, которые позволят перемещать большие количества материалов между низкой орбитой и поверхностью планетных тел, таких, как Луна, Марс, Меркурий, а также большинства планетоидов Солнечной системы, и опять-таки без использования топлива. С помощью вращающихся тросовых систем, находящихся в околоземном космическом пространстве, можно было бы организовать большие грузопотоки с низкой околоземной орбиты на геосинхронную или выведение грузов из сферы действия Земли, при этом расход топлива будет определяться разностью масс поднимаемых и опускаемых грузов.
Для выхода из сферы гравитационного действия Земли нам придется воспользоваться ядерными ракетными двигателями большой тяги, работающими на водороде. Однако применение таких двигателей связано с необходимостью решения проблемы обеспечения радиационной безопасности. Альтернативным вариантом являются лазерные двигатели большой тяги, работающие либо в импульсном, либо в непрерывном режиме. Но и при их использовании возникает целый ряд проблем. Пора наконец перейти от изучения лазерных двигателей на бумаге к испытаниям их моделей.
Разработчики космических программ должны предусматривать использование такой техники, о которой они знают, что она будет работать. Убедиться в экономической обоснованности будущих космических полетов, в частности на Луну, или пилотируемой экспедиции на Марс, можно лишь прекратив бесконечные исследования, предварительно проводимые NASA, и немедленно приступив к конструктивной проработке перспективных типов космических двигательных систем, и, таким образом, получив возможность реального выбора лучшего варианта. В противном случае мы не добьемся успехов в освоении космического пространства.