Будущее в космосе

Запуск спутников Глонасс в Тихий океан из-за недолива топлива, лишний раз показывает, что фактор энерговооруженности играет важнейшую роль в освоении космоса ближнего и дальнего, поэтому ближайшие 10-20 лет будут потрачены на разработку и поиск новых двигателей и источников энергии без чего полет в пределах Солнечной системы с гарантированным возвращением просто нереален.

 

 

Пока техника и технологии (двигатели, топливо — энергетика) позволяют осваивать только ближний космос в пределах орбиты Луны. И то, у имеющейся техники существуют жесткие ограничения по массам перемещаемых грузов.

А дальше орбиты Луны пока можно посылать только не возвращаемые зонды с научной аппаратурой.

 

Уровень энерговооруженности покорителей пространства.

Сейчас, да и в будущем, энерговооруженность это первый признак уровня развития цивилизации. В быту это комфорт, информация, .... . В производстве это новые материалы, новые промышленные изделия и бытовые приборы. Но не только. Если вдуматься, это и успехи в освоении ближнего и дальнего космоса и других планет.

 

Попробуем оценить энергозатраты ...

… необходимые для покорения окружающего нас пространства. Для этого оценим порядок величины энерговооруженности необходимый для перемещения в космическом пространстве, просто оценив энергию которую надо затратить для придания некоторому телу массой m скорости V.

 

Сведу мою оценку в таблицу 1

Таблица 1

 

Это оценка, только энергии необходимой для достижения необходимой скорости, не учитываются затраты энергии необходимые для поднятия этой массы на орбиту и для обеспечения жизнедеятельности. Последние могут быть, соизмеримы с этими затратами, а иногда и больше.

 

Для сравнения: - энергия выделившаяся при взрыве метеорита в районе Подкаменной Тунгуски оценивается на уровне 4 -16*1015 Дж (эквивалент - бомба 10 мегатонн), что более чем в 10 000 000 меньше энергии необходимой для межзвездных перелетов.

 

Поэтому говорить о полетах к планетам Солнечной системы, с возвращением, можно только при наличии на космических летательных аппаратах энергоустановок производительностью много более 10¹⁵ Дж, а если учесть необходимость посадки, выполнения работ на поверхности планет Солнечной системы и возвращения на Землю эта величина увеличится многократно.

Это энергетические установки не паро—газового цикла (которые составляют основу современной энергетики) или химические (современные полеты на орбиту Земли). Пока это могут быть ядерные реакторы, но в будущем и их мощности не хватит.

Поэтому покорение Солнечной системы возможно только при наличии новых источников энергии и новых типов движителей.

Но нельзя забывать, что энергия нужна не только для движения, она нужна для обеспечения жизнедеятельности (рециркуляции и поддержания среди обитания). Тем более, что энергия требуется и для поддержания нормального температурного режима для космонавтов и для нормального функционирования оборудования.

При длительных полетах на дальние расстояния встает вопрос запаса топлива или активного тела, которое современные химические топлива не обеспечивают из-за их большой массы. Но, сейчас уже известны, работают в космосе и испытываются, плазменные двигатели для космических аппаратов которые обладают достаточной эффективностью или соизмеримым с другими типами ракетных двигателей импульсом при малом расходе рабочего тела.

 

Тягу двигателя F можно выразить следующим образом: F = veff * dm/dt, где:  veff — эффективная скорость истечения реактивной струи (м/с), dm/dt — скорость расхода массы топлива (кг/с). Таким образом, удельная тяга, как отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива определяется как: Im = veff , и измеряется в м/c.

 

 Как известно импульс прилагаемый к космическому аппарату противоположен по знаку и равен импульсу создаваемому истекающими из ракетного двигателя газам и пропорционален произведению их m*V.

Это требование выполняется в плазменных двигателях, где импульс равный ракетному двигателю на химическом топливе обеспечивается за счет много большей скорости активного тела при меньшей его массе.

Но такая система энергозатратна. И это тоже заставляет повышать энерговооруженность космических аппаратов будущего.

Этот тип движителей имеет главное достоинство, при меньшем расходе рабочего тела позволяет получить соизмеримую тягу. Это достигается высокой скоростью истечения рабочего тела. Но ничего не достается просто так, эти движители требуют больших затрат энергии, поскольку чем выше скорость истечения рабочего вещества, тем больше энергии требуется на единицу тяги.

 

Современные плазменные двигатели достигли характеристик
Тяга	1 Н
Энергопотребление	около 30 Квт
Собственная масса	до 25 кГ
Ресурс	более 10000 часов

 

Этого недостаточно для тяговых двигателей при межпланетных полетах на космических кораблях больших масс, поэтому они применяются для корректировки орбиты, ориентации и на роботизированных зондах для изучения Солнечной системы, как разгонные.

Но существуют проекты по созданию более мощных двигателей. Так компания Ad Astra Rocket Company провела испытания самого мощного на сегодняшний день плазменного ракетного двигателя. VASIMR VX-200 который преодолел отметку в 200 кВт.

В настоящее время двигатели малой тяги кораблей, выполняющих аналогичные VASIMR VX-200 задачи, потребляют около 7,5 тонн ракетного топлива в год. Проект VASIMR позволяет снизить его количество до 0,3 т.

В перспективе плазменные двигатели VASIMR мощностью 10 МВт, 20МВт этой системы сможет доставить людей на Марс за 39 дней, тогда как у обычных ракет на это уйдёт полгода, если не больше.

Освоение солнечной системы требует создания двигателей с большой тягой и малым расходом рабочего тела, это могут обеспечить известные уже сейчас плазменные двигатели. Поэтому в будущем можно ожидать применения подобных двигателей как тяговых для полномасштабных межпланетных перелетах. У них остается проблема повышения КПД, ведь при рабочей мощности 50 МВт, примерно столько же потребуется отвести от конструкции при существующем КПД.

Вспомнив принципы физики «Большая тяга — большая выполняемая работа — большая затраченная энергия», мы опять вернемся к энергетической обеспеченности космических полетов.

Если освоение околоземного пространства возможно силами отдельных сверхдержав, то уже освоение Луны требует объединения ресурсов как экономических так и научных. А освоение Солнечной системы объединения ресурсов всей Земли.

 

Можно прогнозировать следующие направления развития техники и технологий для освоения Солнечной системы:

1. Развитие плазменных ракетных двигателей в направлении повышения их тяги. Вплоть до тяги соизмеримой с ракетными двигателями на химическом топливе, при многократно меньшем расходе топлива (рабочего тела),
2. Повышение КПД плазменных двигателей, что особенно важно при их больших мощностях.
3. Снижения расхода рабочего тела плазменных двигателей при сохранении тяги, за счет повышения скорости истечения рабочего тела.
4. Повышение энерговооруженности космических аппаратов более 100 МВт,
5. Объединение усилий и ресурсов пока сверхдержав, а в будущем и всей Земли.

 

P.S.

Если у Вас есть какие-то претензии к цифрам, то это оценочные цифры величина которых существенно зависит от того что имелось в виду при их вычислении, и это тема отдельной статьи.

Наши доморощенные патриоты скажут, что никакого объединения ресурсов не надо. Только почему то с удобствами на улице живут не они, а большая часть населения нашей страны.

 

Ссылки:

1. VASIMR® VX-200  http://www.adastrarocket.com/aarc/Technology
2. http://trendclub.ru/blogs/space_future/7131