Полезные заметки/Двигательная установка

То, что двигает космический корабль в безвоздушном пространстве. В реальности пока что представлено лишь ракетными двигателями и солнечными парусами. В научной фантастике и космоопере могут как ограничиваться теми самыми ракетными двигателями, либо изобретать свои аналоги разной степени резиновости. При необходимости летать быстрее света приходится использовать варп-драйв.

Основы

Ракетный двигатель использует закон сохранения импульса: при выбрасывании в одну сторону массы m со скоростью w корабль начнет смещаться в противоположную реактивной струе сторону со скоростью v = m*w/M где M — масса корабля после выбрасывания топлива. Это в случае если акт выброса массы произошел мгновенно, что, вообще-то идеализация. В более приближенном к реальности случае приращение скорости будет:

v = w*ln(M0/M)

где M0 — масса начальная, а M — масса после выработки рабочего тела. Натуральный логарифм появился потому что рабочее тело которое выбросим потом сейчас тоже надо разгонять, тратя рабочее тело. Как видно из формулы, конечная скорость нашего корабля (относительно старта) прямо пропорциональна скорости выбрасывания реактивной струи и логарифму отношения массы пустого корабля к заправленному. А логарифм — это такая нехорошая функция что если мы хотим разогнаться до скорости истечения струи — наша ракета на старте должна быть в 2.7 раза тяжелее чем с сухими баками. А если нужно разогнаться до 2W — на старте мы будем в 7.4 тяжелее чем в конце разгона. И, наконец, отношение начальной массы к конечной станет равным 20 если мы захотим разогнаться до 3w. Одним словом, скорость космического корабля определяется скоростью истечения из его двигателя. Ее ещё называют удельным импульсом и, как правило, измеряют в секундах (получается путем деления скорости в метрах в секунду на ускорение свободного падения на Земле).

По вышеописанной формуле можно получить запас дельта-вэ (Δv) — изменение скорости, которое получится, если прожечь все топливо в корабле в одном направлении. Фактически, дельта-вэ — это такой универсальный эквивалент горючего любого вида. Самая неприятная часть формулы, которая заставляет ученых-ракетчиков применять выражение «тирания ракетного уравнения» — это то, что дельта-вэ никогда не бывает много. Теоретически известны способы создать двигатель с огромным запасом дельта-вэ (пресловутые «Орионы» и «солёные ракеты»), но тут в полный рост встают такие проблемы, что пока лучше даже и не пробовать. Поэтому дельта-вэ всегда приходится экономить, и планировать полёт так, чтобы потратить его как можно меньше, долетев при этом как можно дальше.

По этой причине никто и никогда пока не летает в космосе по брахистохроне — интуитивно понятной траектории, когда летишь прямо к цели, полдороги разгоняешься, полдороги тормозишь. Курс любого межпланетного (да даже и лунного) аппарата прокладывается, так сказать, «галсами» — летим, куда нас несет орбита, и в критических точках делаем прожиги двигателем, чтобы эту орбиту подогнуть, и она нас понесла в примерно правильном направлении. Направление таких прожигов может быть весьма неинтуитивно: например, чтобы долететь до Луны, нужно «жечь» не прямо на Луну, а в направлении, перпендикулярном тому, где Луна будет к моменту пересечения кораблем ее орбиты. Гравитация Земли развернет нас на 90 градусов и швырнет в сторону повысившегося от прожига апогея, где мы и должны сблизиться с Луной. Чтобы при этом еще потратить минимум топлива, нужно рассчитать маневр так, чтобы к моменту сближения с Луной этот самый апогей и настал, и корабль не просвистел мимо Луны на бешеной скорости (именно это случится, если жечь прямо в сторону Луны, пока не получишь пересечение).

Вы можете сказать — всё это как-то излишне мудрено и неэффективно? Двигатель работает три минуты, а остальное время корабль просто несет куда-то, как гамбсовский стул по Волге, силами инерции и гравитации? Такова тирания ракетного уравнения. Поверьте, ученым очень хочется придумать такой двигатель, чтобы можно было лететь «как на самолете», с постоянно работающим двигателем. Но задача очень сложна.

Одно из возможных решений — малые ускорения. Когда видишь цифру в 0.0001 G, хочется расстроенно махнуть рукой: ну что это за ускорение, куда с таким долетишь? Но следует напомнить, что ускорение — это не скорость, а скорость нарастания скорости, а двигатели с малым ускорением, как правило, отличаются очень высокой скоростью истечения и, как следствие, очень большими запасами дельты (или вовсе бесконечными, как солнечные паруса). То есть, они позволяют лететь по той самой брахистохроне. Не три минуты разгоняться и N лет лететь, а, скажем, полтора года разгоняться и полтора года тормозить. И максимальная скорость от полутора лет (а не минут!) разгона малой тягой выходит куда-а-а интереснее, чем от трёх минут разгона на химии. Мораль простая: не надо бояться малых ускорений и низкой тяги, надо уметь их готовить! Самое главное не ускорение и не тяга, а удельный импульс и запас дельты.

Сила и слабость химии

Кто узнал отсылку на Гильзина — тот молодец. Основные двигатели современности. Бывают жидкостными (сокращенно ЖРД) и твердотопливными (сокращенно РДТТ). ЖРД как правило используют два компонента топлива: горючее и окислитель. Существуют также однокомпонентные ЖРД но из-за малого удельного импульса особого распространения не получили. Максимальный практично достижимый удельный импульс — 4.4 км/с при использовании водорода и кислорода (в ЖРД, очевидно). Зато являются рекордсменами среди существующих ракетных двигателей по тяге.

В целом выделяют следующие виды химических ракетных топлив:

• Однокомпонентные (монопропелленты). Химические вещества, имеющие способность диспропорционировать (самоокисляться-самовосстанавливаться) с выделением тепла и газообразных/летучих продуктов. Наиболее распространены среди них гидразин и перекись водорода. Монопропеллентные ракеты во всем хуже бипропеллентных, но устроены намного проще, дешевле и легче миниатюризируются, поэтому и для таких ракетных двигателей нашлось место в космонавтике: на монопропелленте обычно работают маленькие маневровые двигатели для регулировки положения космического аппарата в пространстве. В порядке экзотики — советские стратегические межконтинентальные ядерные ракеты на чистом монопрелленте (динитрат пропиленгликоля как основное вещество), впрочем, на вооружение они так и не были приняты (однако, пропиленгликолевые монопропелленты весьма активно используются как топливо для морских торпед).
• Двухкомпонентные (бипропелленты). Окислитель + восстановитель, стандартное горючее для ЖРД. Бывают гиперголические и не гиперголические. Гиперголические — это когда окислитель и восстановитель сами вступают в требуемую реакцию горения при контакте. Не гиперголические — требуют отдельного зажигания. Гиперголические двигатели проще и дешевле, так как не нужно делать отдельную систему зажигания. Также бипропелленты делятся на криогенные и не криогенные — требуется ли для сохранения топлива и окислителя в жидком виде низкая температура или нет. Наиболее распространенные топливные пары:
  • Керосин + буродымная азотная кислота. Не гиперголическое, не криогенное топливо. Плюс — можно хранить в жидком виде при комнатной температуре. Минус — требует зажигания.
  • Керосин + жидкий кислород. Не гиперголическое, криогенное. Плюс — эффективнее, чем с буродымкой. Минус — кислород требует для содержания в жидком виде примерно такого же холода, как от жидкого воздуха.
  • Гептил + буродымная азотная кислота/амил. Гиперголическое, не криогенное. Плюс — максимально просто, дешево и неприхотливо, открыл краны, двигатель заработал, закрыл краны, ракета может стоять хоть до второго пришествия. Поэтому топливо гептил-амил используется в стратегических ядерных ракетах, от которых требуется подолгу находиться в готовности к пуску. Минусы — гептил является страшной отравой. Впрочем, азотная кислота как отрава не сильно хуже. Любимая топливная пара ОКБ Челомея и всех ракет их универсальной серии — от МБР до «Протона». В принципе, «грузы возим на гептиле, космонавтов — на керосине, а то потравятся», это скорее миф эпохи конкуренции КБ двигателистов — орбитальные двигатели Аполлона и Союза вполне себе успешно его использовали без вреда для экипажа (хотя несколько отравлений все же зафиксировано).
  • Жидкий водород + жидкий кислород. Не гиперголическое, криогенное. Плюс — одна из самых высокоэффективных ракет с хорошим удельным импульсом, экологически чиста, выхлоп — водяной пар. Минус — топливо ужасно прихотливо, водород — очень летучий газ, и чтобы содержать его в жидком виде, нужен холод ниже 200 градусов Цельсия. Кроме того, потихоньку диффундирует, зараза, даже через толстые металлические стенки сосудов, поэтому длительное время не хранится совершенно.
  • Жидкий метан + жидкий кислород. Не гиперголическое, криогенное. По эффективности не сильно уступает водородной ракете, зато топливо значительно менее летуче, хотя все равно криогенное.
  • Экзотические окислители (фтор, трифторид хлора, озон-кислородная смесь) и не менее экзотические восстановители (диборан, пентаборан, триэтилборан). Отличаются очень высокой реакционноспособностью, то есть они все гиперголичны, даже если им в пару поставить обычный компонент. То есть трифторид хлора гиперголичен с керосином, триэтилборан — с кислородом или амилом. Некоторые комбинации позволяют даже ненамного превысить эффективность пары водород-кислород. Жирный минус почти всей этой экзотики — кошмарно ядовитый выхлоп, по сравнению с которым гептил и вовсе не ядовит. А озон-кислородная смесь, хотя и относительно менее ядовита, чем прочие перечисленные здесь индийские специи Сатаны, еще и взрывоопасна.
• Трёхкомпонентные (трипропелленты). Казалось бы, окислитель + восстановитель, третий — лишний. Но иногда добавка третьего вещества позволяет изменить свойства топлива. Например, вышеупомянутый трифторид хлора слишком опасен как самостоятельный окислитель, но может использоваться как присадка-гиперголянт к жидкому кислороду, что позволяет использовать трипропеллент водород-кислород-ClF3 как гиперголическое топливо. Трипропеллент, в котором в качестве восстановителя используется комбинация водорода и лития, а в качестве окислителя фтор, является абсолютным рекордсменом по удельному импульсу среди всей химии. Но такой двигатель очень сложно реализовать технически, так как водород должен быть сжиженным, а литий — расплавленным.
• Твёрдые топлива. За редким исключением они двухкомпонентные, представляют собой столбик из смеси твердого топлива и твёрдого окислителя (например, сахара и перхлората калия). Твердотопливные двигатели проще устроены, чем жидкотопливные, и дешевле, но абсолютно неуправляемы. После того, как ты поджег твердотопливный двигатель, он будет работать с расчётной скоростью и тягой, пока не выгорит весь, после чего его останется только сбросить. Впрочем, твердотопливные ракеты можно делать двух- и многорежимными — используя в «столбике» слойку из разных видов топливных пар или одного топлива с разной плотностью/зернистостью, можно добиваться изменения тяги и удельного импульса в процессе выгорания топлива. Наиболее классическая схема — двухрежимная, «booster + sustainer»: сперва сравнительно короткое время горит твердое топливо с максимальной тягой (пусть и в ущерб удельному импульсу) с целью как можно скорее набрать скорость, а уже выйдя на режим начинает гореть твёрдое топливо с меньшей тягой, но с большим удельным импульсом — чтобы горело дольше и летело дальше. В настоящее время на твёрдых топливах летает всё «малое» ракетостроение — ПТУРы, ЗРК (американцы от зенитных ракет на жидком топливе отказались, перекрестясь, еще в 60х; в СССР, в целом, тоже, но по разным причинам некоторые образцы продержались как бы не до 80х), ОТРК, да и стратегические ядерные ракеты тоже («Тополь», почти все современные не-советские МБР). Так что все не так плохо, твердое топливо — это не бочка которую «поджег и оно горит» — современные знания позволяют очень серьезно варьировать тягу такой ракеты на разных этапах полёта, главный минус — необходимо, чтобы эти изменения были просчитаны заранее и заложены на этапе производства ракеты, отклонений от плана полёта и всяких форс-мажоров твердое топливо не прощает.

Часто отсутствие более совершенных двигателей считается причиной того что у нас вместо космопанка на дворе киберпанк. Но не все так однозначно. Да, им нужно много топлива, но само топливо может быть очень дешевым. Так жидкий кислород, основной по массе компонент большинства топливных пар, можно купить оптом за ~10 р/кг. Цены на метан или сжиженный природный газ (считающийся сейчас наиболее перспективным горючим) не намного выше. Большая часть цены — это не топливо, а двигатель (именно поэтому популярностью у конструкторов пользуются гиперголические двигатели, которые проще и дешевле в разработке и производстве) и сама конструкция ракеты. Непомерная цена запуска современных ракет обусловлена тем что из-за военного прошлого у них (за одним исключением) не предусмотрено спасения ступени и дорогое железо, включая тот самый ЖРД, убивается о степь или океан. Сейчас интенсивно ведутся работы по освоению многоразового использования в авиационном смысле — чтобы вернувшуюся ракету можно было просто заправить и запустить обратно, без всяких ремонтов. Благо научились мягко приземлять ракету на платформу, а не макать в океан на парашюте, как раньше.

Кроме того, современные ракеты многоступенчатые, что затрудняет повторное их использование: даже если все части ракеты можно использовать повторно, замучаешься собирать их по всему шарику, свозить обратно на космодром и собирать обратно саму ракету. Умные люди работают и над этим, пытаясь создать эффективную одноступенчатую ракету многоразового использования. Что из этого получится — будем посмотреть. Вполне возможно что и тот самый космопанк о котором писал А.Кларк.
Еще одним преимуществом ЖРД является возможность добывать топливо почти в любом уголке Солнечной системы. Водяной лед есть на Марсе, полюсах Луны и, тем более, кометах и спутниках Планет Гигантов. А где вода — там и кислород с водородом, нужно лишь иметь электролизер, криогенную установку и источник энергии (намного менее мощный, чем при использовании его непосредственно в двигателе). Твердотопливщики на это отвечают «алюминиевой» ракетой из нано-порошка алюминия (уж что-то, а оксида алюминия полно вообще везде) с водой (или водяным льдом). Фактически, впрочем, это «полужидкое» топливо — алюминий окисляется кислородом из воды, а атомарный водород выступает в качестве дополнительного рабочего тела

Некоторые учёные полагают, что существует метастабильный металлический водород — то есть, металлическая форма водорода, которая может существовать при нормальном давлении. Если такое вещество действительно существует, то оно является королём химических ракет. Оно может использоваться как монопропеллент — сама реакция разложения металлического водорода на молекулы H2 вполне способна дать удельный импульс, превышающий таковой у трипропеллента водород-литий-фтор. А если его еще и использовать как восстановитель в бипропелленте с кислородом… Но само существование такого топлива под большим вопросом.

Ядерная ракета

Удельный импульс ЖРД ограничен энергоемкостью химического горючего — ему просто не хватает джоулей чтобы разогнать само себя больше чем на те самые 4.4 км/с. Но что если использовать горючее ядерное? Варианты тут такие:

• ЯРД с раздельным топливом и рабочим телом (реактивной массой). Здесь задумка такая: есть активная зона, она же ядро реактора, в нем происходит ядерная реакция, оно светит, оно греет, и оно нагревает проходящее через активную зону рабочее тело — инертное, не участвующее в ядерной реакции вещество (например — водород). Рабочее тело расширяется, скорость его истечения увеличивается, и оно дает реактивную струю с высоким удельным импульсом. Далее — технические подробности того, в каком виде существует активная зона и как ее удерживать. Полезное свойство этого типа двигателей — безопасность их выхлопа прямо пропорциональна эффективности удержания активной зоны, удерживается на 100 % — выхлоп безопасен, как огурец, радионуклидов в нем нет.
  • Твердофазный ЯРД. Единственный успевший дойти до стендовых испытаний. Просто жидкий водород греется об активную зону реактора и улетает из сопла на 9 км/с. Удержание активной зоны достигается ее твёрдым состоянием и жаропрочностью. С одной стороны это лучше чем ЖРД, но с другой хотелось бы большего. А не получается поскольку передаваемая водороду энергия ограничена температурой стенок активной зоны, а она — температурой её плавления. Типичный представитель семейства — ядерный двигатель из KSP: крайне вкусный удельный импульс и низкая тяга, нечего и думать, что он поднимет с Земли хотя бы сам себя.
  • Пылефазный, жидкофазный, газофазный — попытки решить описанную выше проблему путем замены твердой активной зоны на расплавленную или вообще испаренную. У всех проблема как удержать активную зону от уноса. И дело даже не столько в экологии, сколько в том что так делящихся материалов не напасешься. По-этому наиболее перспективным считается газофазник — в нем можно либо попробовать удержать активную зону магнитным полем (нагрев её до плазмы), либо компенсировать потерю урана высокой эффективностью.
  • «Атомная лампочка». Разновидность газофазного ЯРД, в котором активная зона удерживается неким прозрачным и тугоплавким куполом, например, из кварца, пропускающего ультрафиолет — основной спектр излучения активной зоны. Преимущество «лампочки» в том, что ядерные материалы не выбрасываются из двигателя ни в каком виде. Недостаток — хрен поймешь, как сделать, чтобы купол не расплавлялся.
• ЯРД с топливом-рабочим телом. Обычные ЯРД построены на той философии, что топливо и реактивная масса — разные вещи. Топливо — это то, что «горит» в активной зоне, и его стараются там сохранить, а реактивная масса — это то, что льется через активную зону из бака, нагревается и выбрасывается сзади. А может быть и ЯРД, построенный по философии химической ракеты. Если активная зона уносится, то пусть она уносится как можно быстрее и сильнее, и это и будет наша реактивная струя, а потери делящегося материала мы будем компенсировать постоянным вливанием в активную зону нового ядерного топлива, которое и является реактивной массой. Само собой, выхлоп опасен, так как представляет собой тугую струю фоллаута. Применять такое в космосе — можно (сделать космос более радиоактивным — это примерно как сделать океан более мокрым), но на Земле такое включать ой-ой-ой.
  • «Солёная ракета» Зубрина. В качестве топлива используются концентраты солей делящихся актиноидов в воде. Хранят их в трубках из карбида бора, благодаря чему подавляется цепная реакция — а в активную зону они вливаются и ВСПЫХИВАЮТ. Преимущество — самая мощная тяга среди всех ЯРД при сохранении отличного удельного импульса, недостаток — выхлоп убийственно радиоактивен. И ещё куча сложностей в реализации. Две основных сложности — это как добиться того, чтобы большинство ядерного топлива прогорало, а не уносилось со струей, как в ядерной бомбе-«шипучке», и как сделать такое сопло, которое не испарится от постоянно горящего в нем атомного огня.
  • Двигатель на осколках деления. Другой подход к той же философии «топливо = рабочее тело, уносится — хорошо». При ядерной реакции происходят выбросы ядер-осколков, эти ядра тормозятся и вызывают нагрев, который и является главным способом снимать энергию с реактора. А если ядра не тормозятся, и дать им свободно вылетать, и это и будет реактивная струя? Такой подход, в отличие от зубринской «шипучки», гарантирует, что всё ядерное топливо прореагирует, и дает очень высокую скорость истечения, и как следствие — удельный импульс. Тяга, правда, будет малой, как у ионника — если позволить реакции разгореться настолько, чтобы продукты деления вылетали тугой струей, то вместе с ними будет уноситься и всё остальное, и в итоге зубринский свистун и получится со всеми его сложностями, в том числе невозможными требованиями к жаропрочности сопла.
  • Импульсный, он же взрыволёт «Орион». Зачем вообще нужен реактор и активная зона? Вместо реактора возьмем много ядерных бомб малой мощности — в них делящиеся материалы «сгорают» почти полностью. Бомбочки направленного взрыва, бьют в массивную, прочную и тугоплавкую плиту, а та передает импульс космическому аппарату, к которому привинчена (предпочтительно на гигантском амортизаторе, чтобы у экипажа не посыпались позвонки от ударных перегрузок). Не пошел дальше прототипа на химической взрывчатке, так как экологические последствия сотни-другой ядерных взрывов на разных высотах в одном месте более-менее ясны любому здравомыслящему человеку. Впрочем, кроме совсем уж ранних проектов, запуск ядерного взрыволёта в атмосфере земли никогда серьезно и не рассматривался — по наиболее проработанной версии, взрыволёт (вместе с ударной плитой и запасом ядрён-батонов) выводится на суборбитальную траекторию сверхтяжелой химической ракетой, а вот уже в 70 километрах от земли можно и начинать разгон ядерными бомбами). А вот если химическая ракета не выдаст нужной тяги или же не случится детонации разгонных бомб… будет очень плохо, орбиту на таком не взять, и вся конструкция заканчивает свою жизнь литосферным торможением о землю.
    
  • Импульсно-плазменная ракета (PPR), она же «Маг-Орион» или «Мини-Орион» — в которой вместо настоящего взрыва происходит хлопок двух кило урана обращающегося в плазму отражаемого магнитным соплом. Как и «Солёная ракета» Зубрина щедро засевает всё непрореагировавшим ураном и продуктами деления.
  • Термоядерная импульсная ракета (проект «Дедал»). То же, что импульсно-плазменная, но термоядерная — для «хлопков» используются пеллеты твердого термоядерного топлива, например, дейтерида лития. Реакция инициируется путем обжатия пеллеты в полёте импульсами мощных лазеров. Преимущество — нет зловредного радиоактивного выхлопа. Недостаток — инициация обжатием лазерами очень сложна в реализации.
• Ядерный воздушно-реактивный двигатель. Не ракетный, так как работает только в атмосфере, но для космоса полезен, так как не нуждается в кислороде и будет летать хоть на Венере, хоть на Юпитере. Возможно, единственный реально летавший — если не врали российские СМИ, сообщавшие об успешном испытании нашего аналога «Проекта Плутон» (американский прототип прошел стендовые испытания, но в полет его не запускали, уж очень грязный двигатель вышел). В 1960-е были летные испытания неких атомных самолетов — но там реактор к двигателю не подключали. В теории, при 100% удержании активной зоны этот двигатель можно сделать безопасным.

Теоретически ядерные двигатели уже позволяют создать челнок взлетающий на орбиту Земли самостоятельно безо всяких там первых ступеней. Но требуется сеттинг, в котором такие мелочи, как радиоактивное заражение, никого не волнуют.

Кроме того, вместо ядерных реакций теоретически можно использовать термоядерные. Надо «всего-лишь» научиться строить термоядерные реакторы, тратящие меньше энергии чем производят и достаточно компактные для установки в ракету. Отличаются от ЯРД тем что проблема радиационного заражения стоит не столь остро (или вообще не стоит у ряда реакций) и что активная зона уже в состоянии плазмы. А ещё, он во внештанной ситуации не идёт в разнос как ЧАЭС, а просто гаснет.

Теоретический предельный удельный импульс для термоядерных двигателей — около 30-40 тысяч километров в секунду.

Ракета на антивеществе может работать аналогично взрыволету, а может аналогично ракете с раздельными топливом и рабочим телом. Минус обоих вариантов в крайней взрывоопасности антивещества, взрывающегося при соприкосновении с веществом, и в том что хранение антивещества (чтобы ничего не касалось) требует затрат энергии.

Электрические межпланетные корабли

Используют для разгона реактивной массы электричество, произведенное солнечными батареями или ядерной электростанцией. Главным преимуществом имеют значительно меньший расход массы на дельту скорости. Но вот тут начинаются проблемки. Импульс рабочего тела есть масса на скорость. Энергия - половина массы на квадрат скорости. Если вдвое скинуть расход массы и вдвое поднять скорость истечения, итоговый импульс останется тем же. А вот вложенная в него энергия возрастет вдвое. Проще говоря, чтобы движок с большим удельным импульсом отдал этот импульс быстро, в него нужно столь же быстро лить энергию. Чем экономнее по массе движок, тем больше он хочет джоулей. За отсутствием же в космосе гигаваттных источников энергии, ускоряться подобные движки будут медленно и печально. Для разгона рабочего тела могут использовать следующие принципы:

• Нагрев. Получается либо пародия на твердофазный ЯРД с заменой активной зоны твердыми нагревательными элементами, либо нечто с электрической дугой и очень ограниченным ресурсом (дуга разрушает электроды). Почти не используется.
  • Нагрев микроволнами. Преимуществ перед другими способами нагрева — почти никаких, кроме одного: этот способ удобен для того, чтобы греть воду. А добыть воду можно на любом ледяном теле во Внешней системе. Поэтому микроволновый двигатель на водяном пару имеет по меньшей мере одно конкурентное преимущество: легко доступное рабочее тело, а не эти ваши экзотические аргоны да ксеноны. Ну, а если интенсивность микроволн увеличить, то вода разваливается на плазму, и дальше с ней уже можно работать как с плазмой в магнитном поле (см. следующий пункт).
• Плазма в магнитном поле. А вот этот вариант прижился и работает в современной космонавтике на спутниках. Причем с недавнего времени ещё и как двигатель довывода на геостационарную орбиту.
  • Разновидность плазменного двигателя — VASIMR (магнитоплазмадинамическая ракета с переменным удельным импульсом). Особенность этого двигателя в том, что он умеет менять характеристики в зависимости от того, что вам больше нужно — больше дельты или больше тяги. Можно увеличивать тягу, уменьшая запас дельты, а можно наоборот.
• Ионы в электрическом поле. Аналогично предыдущему.
• Электронный двигатель Уэйкфилда. Радиолампа, возомнившая себя ракетой. Рабочее тело ионизируется, но основной отбрасываемой массой являются не положительные ионы, а электроны. Эти легкие частицы легко разогнать до околосветовой скорости и получить почти максимально возможный удельный импульс... но до смешного малую тягу.
• Ускоритель массы. Это пушка, просто обычная пушка. Не пороховая, само собой — Гаусса или рельсовая, для стрельбы снарядами-болванками. Но ее отдача используется как реактивная тяга. В обычных условиях это неудобный и малополезный двигатель. Но в ситуациях, когда можно прямо на месте изготавливать новые снаряды — например, когда речь идет о перемещении металлического астероида на другую орбиту — этот двигатель может быть полезен. Кроме того, помимо того, что это двигатель — это, блин, пушка, поэтому он может быть полезен как двигатель «двойного назначения», которым можно давать тягу, а можно кого-нибудь расстрелять.

Теоретически-предельный удельный импульс ионного двигателя стремится к скорости света — была бы энергия. Ну или время чтобы разогнаться с той тягой, которую даст околосветовой ионник при имеющихся мощностях. Чем выше удельный импульс ионного двигателя, тем слабее его тяга. Но ведь мы же не собираемся на них взлетать с Земли, верно? А значит, и малая тяга подойдет. Ведь если космический корабль, к примеру, будет две недели ускоряться на 0,001g, то итоговая дельта-V будет равняться 11,8 тысяч километров в секунду, а это очень много! Этого вполне достаточно для брахистохронного полёта куда угодно в Солнечной системе. А для вывода «атомоэлектрички» на орбиту прекрасно подходит химическая ступень. Построить двуступенчатую ракету, в которой первая ступень — химическая и тянет корабль до околоземной орбиты, а вторая ступень — «атомоэлектричка», которая дальше летит своим ходом под малой тягой, вполне возможно. А если еще сделать химическую ступень возвращаемой, то такие корабли можно будет запускать в большом количестве и они откроют для пилотируемой космонавтики всю Солнечную систему вплоть до Плутона.

Фототермические двигатели

• Солнечный мотылек. Вы когда-нибудь в детстве разжигали костёр с помощью лупы? А что, если на аналогичном принципе сделать ракету? Рабочее тело будет разогреваться с помощью сфокусированного солнечного света. Двигатель хорош своей всеядностью — ему все равно, что греть, и плох своей зависимостью от Солнца, то есть адекватно использовать его можно только для полетов ниже орбиты Земли.
• Лазерно-аблятивный двигатель. А что, если заменить Солнце лучом очень мощного лазера, который светит откуда-нибудь с Земли? Или мазера. Или аналогичного излучателя. Он будет светить прямо в сопло ракеты и испарять произвольный пропеллент. В итоге получается двигатель, который целиком зависит от внешней подкачки. Есть она — летит. Нет ее — не летит. Сам двигатель можно сделать таким образом очень простым и дешевым, но основные затраты будут именно на лазер, который будет дуть ему в сопло. Причём, лазерный луч, из-за эффектов нелинейной оптики, на космических расстояниях рассеивается в расплывчатое пятно, и потому чем дальше корабль тем мощнее должен быть луч вплоть до того, что КПД на больших расстояниях упадёт ниже 0.01%.

Романтика парусов

Солнечные паруса как бы и не реактивные двигатели, но все-таки принцип отбрасывания частиц используют. Только тут отбрасываются отраженные зеркальной пленкой фотоны солнечного света. Отличаются крайне низкой тягой на единицу площади — около Земли идеальное заркало даст чуть меньше килограмма силы на квадратный километр. Лайфхак — понаставить везде лазеров, которые будут дуть в наши паруса. Причём, лазерный луч, из-за эффектов нелинейной оптики, на космических расстояниях рассеивается в расплывчатое пятно, и потому чем дальше корабль тем мощнее должен быть луч вплоть до того, что КПД на больших расстояниях упадёт ниже 0.01%. Так парусник можно разогнать и до околосветовой скорости (что используют, например, звездолеты в «Аватаре»).

Также существует дифракционный (дифрактивный) солнечный парус, в котором тяга берётся не от отражения света, а от его преломления (точнее, от дифракции в тонкой решетке, изменяющей его направление распространения). Важное преимущество такого паруса заключается в том, что тянет он не только в сторону от Солнца, и ему не нужно светить на космические расстояния сверхмощным лазером, чтобы он летел куда надо. Обычный рефлективный солнечный парус дает максимальную тягу в фордевинд, то есть, когда свет падает на него под углом ровно 90 градусов, и угол между светом и вектором тяги паруса равен 0 градусов. При отклонении от этого угла вектор тяги меняется, но сама тяга быстро падает. На полном бакштаге, то есть на углах, близких к 0, она остаётся сносной, но чем ближе к галфвинду, то есть к курсу, при котором парус параллелен лучам, а его вектор тяги перпендикулярен, тем сильнее она падает, пока на галфвинде не становится равной 0. С дифрактивным парусом всё не так. Его вектор тяги не перпендикулярен плоскости паруса, и вдобавок (если сделать его из метаматериалов, способных менять показатель преломления) может регулироваться. Благодаря этому с ним можно преспокойно идти с приемлемой тягой в галфвинд и даже забираться в полный бейдевинд (тяга, правда, в этом случае будет не совсем туда — с этим в отсутствие космического киля ничего сделать нельзя — но, по крайней мере, не назад). Можно сказать, что рефлективный солнечный парус — аналог прямого морского паруса, а дифрактивный — косого. Пока латинского. Время покажет, прокачают ли его в гоночный бермудский.

Возможен ещё магнитный парус — сверхпроводящая петля с током, улавливающая испускаемые Солнцем заряженные частицы, и электрический — «звёздочка» из заряженных электростатикой проводников. Теоретически, комбинируя эти паруса, можно сделать двигатели, которые отталкиваются от солнечного ветра как от среды и тянут в любом направлении (например, дипольный двигатель Зубрина). Но практическое применение — под вопросом, хотя вот из них-то как раз и можно было бы соорудить «космический киль»… если бы не проблемы массы, энергопрожорливости и соразмерности солнечному парусу, с которым их предлагается использовать.

На буксире

Совсем обойтись без двигателя таким образом нельзя, но облегчить ему задачу можно: нечто цепляет космический аппарат длинным прочным тросом и тянет его вверх. Тут вариантов несколько. Так называемый momentum exchange tether (трос передачи импульса) позволяет космическому аппарату, уже набравшему некую скорость на орбите, цепануть длинной верёвкой взлетающий аппарат с Земли и вытянуть его. «Буксир» потеряет скорость, его апогей просядет, зато «баржа» будет вытащена на орбиту. А «буксир» потом можно будет не спеша разогнать ионным, плазменным или другим низкотяговым двигателем, вернув его апогей обратно куда надо.

Другой вариант — космический лифт. Но если «буксир» — не столь сложный аппарат, который реально построить даже при нашем техническом уровне, то лифт — мегаструктура, требующая [пока?] невозможных легких и прочных тросов.

Третий вариант — ротоватор. Представляет гигантскую космическую пращу: трос длинною в сотни километров вращается в плоскости своей орбиты таким образом? чтобы в ближайшей к Земле точке его конец имел скорость меньше первой космической (вся конструкция движется с орбитальной скоростью, так что не упадёт) и к нему может подцепиться ракета, не сумевшая разогнаться до этой самой космической скорости. И отцепиться в верхней точке оборота со скоростью уже выше первой космической. Отличие от троса передачи импульса в том что устройство может сводить спутники с орбиты — им нужно лишь цепляться к тросу в верхней точке. И если при закидывании груза в космос орбита ротоватора «проседает», то при сведении с орбиты — восстанавливается. В принципе можно собрать с имеющимися материалами — нужно лишь вывести на орбиту этих самых материалов порядка тысячи тонн.

С передовой физики

Двигатель на антиматерии и двигатель Хокинга. В первом для создания тяги используется аннигиляция антиматерии при контакте с обычной. Можно выбрасывать как исключительно продукты аннигиляции на скорости света, так и превращать в плазму обычное вещество теряя в скорости истечения, но экономя антиматерию. Главная проблема — как блин эту антиматерию получить и хранить. Классический представитель семейства — фотонная ракета: наилучший возможный удельный импульс, скорость истечения световая, но для достижения хоть сколь-либо интересного ускорения нужно скармливать ей антивещество килограммами и давать в качестве выхлопа луч Звезды Смерти. Другая проблема — аннигиляция максимально эффективна только тогда, когда аннигилируем электроны с позитронами. При аннигиляции барионов выделяется дофига нейтрино, которые никак не отразишь в нужном направлении и которые снижают КПД.

Двигатель Хокинга, он же микроколлапсарный, использует в качестве источника энергии процесс «испарения» чёрной дыры через излучение Хокинга. Черную дыру создать сложно, но исключительно в техническом плане — нужен просто очень большой ускоритель чтобы получить плотность энергии достаточную для появления горизонта событий нужных размеров (слишком маленький очень быстро испарится). А чтобы дыру можно было подвесить в камере она должна иметь электрический заряд. А она будет его иметь раз изготовлена в ускорителе заряженных частиц. Преимущество такого двигателя перед двигателем на антиматерии — ему не нужен в качестве горючего экзотический хренполучий, он жрет и перерабатывает в энергию обычную материю (total conversion).

С совсем передовой физики

Игры с пространством и временем посредством физики высоких энергий и не до конца проверенных теорий вроде теорий струн и бран. Подробности тут.