Мы одержимы идеей преодоления гравитации. Мы строим теории, в которых рабочим телом может быть не химическая смесь, а пространство-время.
Здесь я привожу краткий обзор существующих и гипотетических ракетных двигателей.
Существующие ракетные двигатели
Химический ракетный двигатель
Самый изученный и распространенный. В камере сгорания химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию в результате экзотермической реакции. Топливо состоит из горючего и окислителя.
Другими словами: взяли топливо, взяли кислород, смешали и подожгли. И вот мы и летим вперёд, выбрасывая назад продукты горения в газообразном состоянии.
Классификация | |
По агрегатному состоянию топлива | По количеству компонентов |
Жидкостный ракетный двигатель Компоненты топлива хранятся в баках, вне камеры сгорания и находятся в жидком агрегатном состоянии. | Однокомпонентные (монотопливные) Существуют технические реализации, где химическая энергия высвобождается за счёт реакции разложения топлива в камере сгорания. |
Твёрдотопливный ракетный двигатель Компоненты топлива представляют собой спрессованную смесь топлива и окислителя. Требуется внешний источник пламени. | Двухкомпонентные Топливо состоит из горючего и окислителя. |
Гибридный ракетный двигатель Один из компонентов находится в твёрдом состоянии и хранится в камере сгорания, оставшиеся компоненты подаются. | Трёх- и более компонентные Добавляется компонент, служащий либо для воспламенения основных компонентов, либо для повышения температуры горения, либо для повышения удельного импульса |
Электрический ракетный двигатель
Здесь мы уже преобразуем электрическую энергию в направленную кинетическую энергию частиц. Тут нам тоже очень хочется выбросить что-то назад.
С рабочим телом теперь обращаемся иначе. Например, разгоняем в электрическом поле ионизированный газ или испаряем в электрическом разряде твёрдое тело.
Но пока мы не умеем отрываться от Земли с помощью этих двигателей. Взлетать нам придется на «химии». Зато электрический двигатель не вырабатывает свое топливо за несколько минут. Да, он будет очень долго разгоняться, но в космическом пространстве он может работать даже годами (3 года работал на Deep Space без дозаправки).
Химический ракетный двигатель | Электрический ракетный двигатель |
Вырабатывает своё топливо за несколько минут (после чего используем инерцию + гравитационные манёвры). Химический двигатель работает недолго и сразу набирает максимальную скорость. | Чтобы развить скорость, которую химический двигатель набрал за минуты, потребуются месяцы. Подождем еще несколько месяцев и он летит уже вдвое быстрее, да еще и имеет свободу маневра и может корректировать полет. А химический давно выработал все топливо и зависит теперь от инерции и гравитации. |
Пока нам нравится ставить их на спутники. Этому двигателю главное помочь вырваться за пределы Земли, а там он уже и сам справится.
Прототипы ракетных двигателей
Ядерный ракетный двигатель
Использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.
Рабочее тело (водород) поступает из бака в активную зону реактора, где разогревается (за счет энергии, выделяющейся при ядерных реакциях) до высоких температур и выбрасывается через сопло (создавая реактивную тягу).
Типы делятся на твердофазный, жидкофазный и газофазный (название говорит нам о том, в каком агрегатном состоянии находится ядерное топливо в активной зоне реактора).
Основной проблемой при использовании является радиоактивное загрязнение окружающей среды факелом выхлопа двигателя, что затрудняет использование двигателя на ступенях ракет-носителей, работающих в пределах земной атмосферы.
Нет ни одного случая практического применения ядерных ракетных двигателей, несмотря на то, что основные технические проблемы создания такого двигателя были решены ещё в прошлом веке. Авария обеспечит радиационное загрязнение атмосферы и осложнит геополитическую ситуацию. Но мы нуждаемся в ядерных двигателях, так как химические ракетные двигатели достигли предела своей эффективности.
Световой (солнечный, фотонный) парус
Огромное, прочное полотно, которое движется за счёт потока фотонов либо лазера.
Парусу не нужно топливо, но ему необходимо давление света. Если в качестве источника мы возьмем Солнце, то к границам Солнечной системы давление уменьшается до слишком малых величин. Помимо этого нужно быть аккуратным с маневрированием, чтобы солнечный парус не превратился в солнечный тормоз. Свет должен "дышать нам в спину". Плюс парус боится космического мусора. Конструкция очень габаритная (чем больше площадь, тем больше она уловит света). Но ничего, уже проводились испытания по раскрытию паруса в космосе.
С лазером тоже загвоздка.
Во-первых, мы должны вывести лазер за орбиту Земли.
А во-вторых мы боимся, что лазер могут направить не в парус, а на Землю (= орбитальная боевая платформа).
Электрический парус
Вместо фотонов света используем солнечный ветер.
Двигатель состоит из сети длинных алюминиевых тросов с положительным потенциалом и электронной пушки. Электронная пушка создает луч электронов, направленный против движения космического корабля, из-за чего тросы приобретают положительный заряд. Создаётся электрическое поле, тормозящее ионы солнечного ветра. Ударяясь, они передают свой импульс парусу и приводят в движение космический корабль.
Длина "усов" должны быть порядка нескольких тысяч км., но развернуть их проще, чем полотно солнечного паруса. Помимо этого мы можем двигаться к источнику направленных частиц, а не от них. Очевидно, что он куда меньше боится постороннего космического мусора.
Сила разгона корабля электрическим парусом в 200 раз меньше, чем у аналогичного по размерам солнечного паруса.
Гипотетические ракетные двигатели
Фотонный ракетный двигатель
В фотонном двигателе сточником энергии служит тело, которое излучает свет. Фотон имеет импульс и при истекании из двигателя свет создаёт реактивную тягу. То есть "фонарь", излучая свет, толкает сам себя. Теоретически фотонный двигатель позволяет достигать скоростей, близких к скорости света.
Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.
При аннигиляции антивещества (антипротоны + позитроны), примерно 1/3 энергии выделится в виде жёсткого гамма-излучения, 1/3 энергии — в виде заряженных частиц, а 1/3 — безвозвратно будет потеряна (нейтрино). При такой массовой отдаче, эксплуатация фотонного двигателя выглядит не выгодной.
Ряд проблем, которые сейчас не могут быть решены:
Проблема получения большого количества антивещества.
Проблема его хранения.
Проблема полного использования, чтобы аннигиляция происходила полностью, и с выделением именно фотонов.
Проблема создания «зеркала», способного отражать гамма-излучение и другие продукты аннигиляции.
Варп-двигатель
По одной из теорий варп-двигатель будет перераспределять так называемую «тёмную энергию» в охватывающем корабль пространстве, создавая позади корабля её избыток и её недостаток перед кораблем. Т.е. пространство позади корабля «раздуто», а перед кораблём — «сжато».
Корабль оказывается внутри своеобразного пространственного пузыря, как в контейнере, относительно которого неподвижен, а движется сам этот пузырь с кораблем внутри.
По модели «Пузырь Алькубьерре», такое искривление пространства достигается за счет использования релятивистских эффектов, описываемых общей теорией относительности.
