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.

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 удельный импульс — 4.4 км/с при использовании водорода и кислорода (в ЖРД, очевидно). Зато являются рекордсменами среди существующих ракетных двигателей по тяге.
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. 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).

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:

Твердофазный ЯРД. Единственный успевший дойти до стендовых испытаний. Просто жидкий водород греется об активную зону реактора и улетает из сопла на 9 км/с. 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 — темперетурой 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.
- «Солёная ракета» Зубрина. Ещё более теоретический ЯРД, жидкофазный, 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.
Импульсный. Логическое развитие предыдущего пункта. Раз уж активная зона теряется, пусть хоть улетит после того как прореагирует весь уран (или плутоний). А для этого 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. В силу этих последствий реализовать такую штуку можно только при сборке в космосе подальше от Земли и изготовлении плиты из какого-нибудь металлического астероида — зато уж если изготовят, то получится отличный многоразовый тягач-паровоз для межпланетных перебросов тяжелых грузов, дешево и сердито по сравнению с более хитроумными ЯРД.
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.

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.

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

Электрические межпланетные корабли

Используют для разгона реактивной массы электричество, произведенное солнечными батареями или ядерной электростанцией. Из-за большой массы станции и площади батареи либо радиаторов электростанции имеют крайне низкую для своей массы тягу и являются средствами полета между орбитами небесных тел. 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.
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.
Ионы в электрическом поле. Аналогично предыдущему.

Теоретически-предельный удельный импульс ионного двигателя стремиться 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.

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. Так парусник можно разогнать и до околосветовой скорости (что используют, например, звездолеты в «Аватаре»).
Возможен ещё магнитный парус — сверхпроводящая петля с током, улавливающая испускаемые Солнцем заряженные частицы.

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 при нашем техническом уровне, то лифт — мегаструктура, требующая 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 упадет) 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 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.