|
1. скорость в районе 70 км/с была получена лишь благодаря тому, что аппараты двигались к Солнцу, используя его гравитацию для разгона;
2. скорость в районе 70 км/с была получена лишь тносительно лёгкими беспилотными аппаратами.
О том, чтобы разогнать хотябы до 50 км/с по направлению от Солнца пилотируемый аппарат с помощью обычных химических двигателей, не может быть и речи.
Дело в том, что скорость реактивной струи химических ракетных двигателей не может превышать 5 км/с. А конечная скорость ракеты превышает скорость реактивной струи в натуральный логарифм отношения масс заправленной и пустой ракеты. Чтобы получить 50 км/с нам потребуется чтобы заправленная ракета весила примерно в 22 000 раз больше, чем пустая. Чтобы понять, на сколько это огромное отношение, сообщу, что пластиковый пакет-"майка", рассчитанный на 30 кг груза, весит 8,5 г (только что взвесил), т.е. отношение массы полного и пустого пакета - лишь около 3500!
К счастью, на химических двигателях свет клином не сошёлся.
Ионные и плазменные двигатели (давно существующие и серийно выпускающиеся) легко могут разгонять струю до 50-100 км/с (и даже больше). А в этом случае для достижения 50 км/с скорости корабля потребуется отношение масс заправленной и пустой ракеты лишь 2,72, а то и вовсе 1,65 (т.е. ракете с пустой массой 100 т потребуется лишь 65 т рабочего тела, в то время как для вывода нескольких тонн груза на орбиту сжигают сотни тонн топлива).
НО, ионные двигатели, в отличии от химических, требуют для работы подвода энергии. ОГРОМНОГО количества энергии! И чем выше скорость струи - тем больше энергии требует двигатель. В итоге, если нам нужно не чуть-чуть подправить орбиту спутника, на что хватит небольшой солнечной батареи, а разогнать огромный корабль до большой скорости, оказывается, что даже ядерный реактор нужной мощности получится отнюдь не лёгким. Если мы хотим получить тягу одна тонна (для справки, при такой тяге разгон описанного выше корабля до 50 км/с займёт больше недели, т.е. это вполне умеренная тяга), добились КПД ионного двигателя 100% (реально КПД не более 50%, так что расчётную мощность можно смело удваивать, а то и утраивать) и ограничились скоростью струи 50 км/с, то расходовать двигатель будет 250 МВт мощности. При скорости струи в 100 км/с - уже 500 МВт. Если вспомнить про реальный КПД, то получим, что для работы этого двигателя потребуется целый энергоблок АЭС... Разумеется, можно сделать реактор с лучшим отношением мощности и массы, чем те, что на АЭС (ведь для стационарных АЭС этот параметр не важен), но даже новейшие перспективные технологии ядерной энергетики не позволяют получить отношение массы энергитической установки к электрической мощности лучше 1 т/МВт, т.е. реактор на 250 МВт электрической мощности будет весить в идеальном случае 250 т - в разы больше корабля! Если же брать серийные реакторы, то масса такой силовой установки составляет тысячи тонн...
Что же делать?..
а)ограничить скорость струи. Где-то на уровне 10-20 км/с. Да, масса рабочего тела в разы увеличится, но необходимая мощность, а значит и масса реактора, будет в разы меньше;
б)сделать двигатель слабее. Тягу где-то 100-500 кг. Да, время разгона в разы увеличится, но потребляемая мощность, а значит и масса реактора, в разы уменьшится;
в)не гнаться за такими большими скоростями. 20-30 км/с вполне хватит. Да, время полёта возрастёт в разы (полёт на Марс займёт в лучшем случае месяца три), но и масса рабочего тела будет нужна в разы меньше (не забываем, что я там дал массу рабочего тела только для разгона, а нам нужно разогнаться, затормозить, потом снова разогнаться и снова затормозить - для этого нужно многократно больше топлива).
Далее, есть ядерные ракетные двигатели. В них рабочее тело нагревается от раскалённого ядерного топлива и, проходя специальное сопло, ускоряется. Скорость струи теоретически может составлять 10 км/с (практически лишь немного до этой цифры не дотянули). Если же брать ещё не воплощённые "в металле", но серьёзно теоретически продуманные, газофазные ядерные ракетные двигатели (в готорых уран нагревается до испарения), то там скорость струи может достигать 20-30, и даже 50 км/с! Т.е. по этому параметру они не уступают ионным и плазменным. И если там у нас есть масса двигателя, масса реактора, масса электрогенератора, масса преобразователя и т.д., то здесь же всё собирается в единый компактный двигатель-реактор. Если напревать на радиационную опасность (даже в двигателях с твёрдой активной зоной часть урана выбрасывается в сопло, что уж говорить про газофазные), то такие двигатели могли бы поднимать грузы с поверхности Земли на орбиту - столь велико у них отношение тяги к массе!
НО, радиационная опасность мешает проводить испытания таких двигателей, а в чистой теории всё не проработаешь...
Наконец, теоретически возможны термоядерные ракетные двигатели. Они, как и химические, будут использовать в качестве рабочего тела источник энергии (смесь изотопов водорода или водорода и гелия), а значит у них не будет стоять вопрос о том, где взять мощность для питания. И, теоретически, скорость струи у них может превышать 1000 км/с! Если такие двигатели будут созданы, то скорость в 100 км/с для космического коробля будет примерно как 40 км/ч для автомобиля...
НО, пока ещё есть огронейшее количество научно-технических проблем, которые необходимо решить для создания прототипа такого двигателя. Их хватит ещё на десятки лет работы. |
