Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах "ведра" – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших "ведро" Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.
К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.
Солнечный парус
Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.
Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.
Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле "Прогресс" провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.
Электрический парус
Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.
Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.
Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.
Ионный двигатель
Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.
В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.
Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.
Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.
Плазменный двигатель
Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.
Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.
Термоядерный двигатель
Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.
В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.
Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.
Двигатель на антиматерии
Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.
Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные "товарищи", отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.
При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом "Царь-бомбы" – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.
Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.
Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания "зеркала", которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.
Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания "абсолютного отражателя". В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.
Космический аппарат, используемый для полетов по околоземной орбите, в том числе под управлением человека.
Все космические корабли можно разделить на два класса: пилотируемые и запускаемые в режиме управления с поверхности Земли.
В начале 20-х гг. XX в. К. Э. Циолковский в очередной раз предсказывает будущее освоение космического пространства землянами. В его работе «Космический корабль» встречается упоминание о так называемых небесных кораблях, основное предназначение которых - реализация полетов человека в космос.
Первые космические корабли серии «Восток» создавались под чутким руководством генерального конструктора ОКБ-1 (ныне ракетно-космическая корпорация «Энергия») С. П. Королева. Первый пилотируемый космический корабль «Восток» смог доставить в космическое пространство человека 12 апреля 1961 г. Этим космонавтом был Ю. А. Гагарин.
Основными задачами, поставленными в эксперименте, были:
1) изучение воздействия условий орбитального полета на человека, в том числе и на его работоспособность;
2) проверка принципов конструирования космических кораблей;
3) отработка конструкций и систем в реальных условиях.
Общая масса корабля составляла 4,7 т, диаметр - 2,4 м, длина - 4,4 м. Среди бортовых систем, которыми был оснащен корабль, можно выделить следующие: системы управления (автоматический и ручной режимы); система автоматической ориентации на Солнце и ручной - на Землю; система жизнеобеспечения; система терморегулирования; система приземления.
В дальнейшем наработки, полученные при реализации программы космических кораблей «Восток», позволили создать намного более совершенные . На сегодняшний день «армада» космических кораблей очень наглядно представлена американским многоразовым транспортным космическим кораблем «Шаттл», или Space Shuttle.
Нельзя не упомянуть про советскую разработку, которая в настоящее время не используется, но могла бы составить серьезную конкуренцию американскому кораблю.
«Буран» - так называлась программа Советского Союза по созданию многоразовой космической системы. Работы по программе «Буран» начались в связи с необходимостью создания многоразовой космической системы как средства сдерживания потенциального противника в связи с началом американского проекта в январе 1971 г.
Для реализации проекта было создано НПО «Молния». В кратчайшие сроки в 1984 г. при поддержке более тысячи предприятий со всего Советского Союза был создан первый полномасштабный экземпляр со следующими техническими характеристиками: его длина составила более 36 м при размахе крыльев в 24 м; стартовая масса - более 100 т при массе полезного груза до
30 т.
«Буран» имел в носовом отсеке герметичную кабину, которая могла вместить около десяти человек и большую часть аппаратуры для обеспечения полета на орбите, спуска и посадки. Корабль был оснащен двумя группами двигателей в конце хвостового отсека и в передней части корпуса для маневрирования, впервые была использована объединенная двигательная установка, которая включала топливные баки окислителя и горючего, термостатирования наддува, забора жидкости в невесомости, аппаратуру системы управления и пр.
Первый и единственный полет космический корабль «Буран» совершил 15 ноября 1988 г. в беспилотном, полностью автоматическом режиме (для справки: «Шаттл» до сих пор совершает посадку только на ручном управлении). К сожалению, полет корабля совпал с тяжелыми временами, которые начались в стране, и в связи с окончанием «холодной войны» и отсутствием достаточных средств программа «Буран» была закрыта.
Начало серии американских космических кораблей типа «Шаттл» было положено в 1972 г., хотя ему предшествовал проект многоразового двухступенчатого летательного аппарата, каждая ступень которого была похожа на реактивный .
Первая ступень выполняла функцию ускорителя, которая после выхода на орбиту заканчивала свою часть задачи и возвращалась на Землю с экипажем, а вторая - являлась орбитальным кораблем и после выполнения программы также возвращалась на место старта. Это было время гонки вооружений, и создание корабля такого типа считалось главным звеном в этой гонке.
Для запуска корабля американцы используют ускоритель и собственный двигатель корабля, топливо для которого размещено во внешнем топливном баке. Отработавшие ускорители после приземления на используются повторно, с ограниченным количеством стартов. Конструктивно корабль серии «Шаттл» состоит из нескольких основных элементов: воздушно-космический самолет «Орбитер», ракетные ускорители многоразового пользования и топливный бак (одноразовый).
Первый полет космического корабля из-за большого количества недоработок и конструктивных изменений состоялся лишь в 1981 г. В период с апреля 1981 по июль 1982 г. была проведена серия орбитальных летных испытаний корабля «Колумбия» во всех режимах полета. К сожалению, в серии полетов кораблей серии «Шаттл» не обошлось без трагедий.
В 1986 г. во время 25-го по счету запуска корабля «Челленджер» произошел взрыв топливного бака из-за несовершенства конструкции аппарата, в результате которого погибли все семь членов экипажа. Лишь в 1988 г., после внесения ряда изменений в программу полетов, был осуществлен запуск космического корабля «Дискавери». На смену «Челленджеру» в эксплуатацию был введен новый корабль «Эндевор», который осуществляет свои рейсы с 1992 г.
Человечество осваивает космическое пространство пилотируемыми кораблями уже более полувека. Увы, за это время оно, образно говоря, недалеко уплыло. Если сравнить Вселенную с океаном, мы всего лишь бродим у кромки прибоя по щиколотку в воде. Однажды, правда, решились поплавать немного поглубже (лунная программа "Аполлон"), и с тех пор живем воспоминаниями об этом событии как о высочайшем достижении.
До сих пор космические корабли в основном служат транспортом доставки на и обратно на Землю. Максимальная продолжительность автономного полета, достижимая многоразовым челноком "Спейс Шаттл", составляет всего лишь 30 дней, да и то теоретически. Но, быть может, космические корабли будущего станут гораздо совершеннее и универсальнее?
Уже лунные экспедиции "Аполлонов" наглядно показали, что требования к грядущим космолетам могут разительно отличаться от заданий для "космических такси". Лунная кабина "Аполлона" имела очень мало общего с обтекаемыми кораблями и не была рассчитана на полет в планетной атмосфере. Некоторое представление о том, как будут выглядеть космические корабли будущего, фото американских астронавтов дают более чем наглядно.
Самый серьезный фактор, который сдерживает эпизодическое исследование человеком Солнечной системы, не говоря уже об организации на планетах и их спутниках научных баз, - радиация. Проблемы возникают даже с лунными миссиями, длящимися от силы неделю. А полуторагодовой полет на Марс, который, казалось, вот-вот состоится, отодвигается все дальше и дальше. Исследования автоматами показали смертельно опасный для человека на всей трассе межпланетного перелета. Так что космические корабли будущего неизбежно обзаведутся серьезной противорадиационной защитой в сочетании со специальными медико-биологическими мерами для экипажа.
Понятно, что чем быстрее он доберется до места назначения, тем лучше. Но для быстрого полета нужны мощные двигатели. А для них, в свою очередь, высокоэффективное топливо, которое не занимало бы много места. Поэтому химические маршевые двигатели уже в ближайшем будущем уступят место ядерным. Если же ученым удастся укрощение антивещества, т. е. перевод массы в световое излучение, космические корабли будущего обретут В этом случае речь пойдет уже о достижении релятивистских скоростей и межзвездных экспедициях.
Еще одним серьезным препятствием на пути освоения человеком Вселенной станет длительное обеспечение его жизнедеятельности. Всего лишь за сутки человеческий организм потребляет немало кислорода, воды и пищи, выделяет твердые и жидкие отходы, выдыхает углекислый газ. Брать с собой на борт полный запас кислорода и продуктов бессмысленно из-за их огромного веса. Проблему решает бортовая замкнутая Однако до сих пор все эксперименты на эту тему не увенчались успехом. А без замкнутой СЖО немыслимы годами летящие сквозь пространство космические корабли будущего; картинки художников, конечно, поражают воображение, но не отражают реальное положение дел.
Итак, все проекты космолетов и звездолетов пока еще далеки от реального воплощения. И человечеству придется смириться с изучением Вселенной космонавтами под прикрытием и получением информации от автоматических зондов. Но это, конечно же, временно. Космонавтика не стоит на месте, и косвенные признаки показывают, что в этой сфере деятельности человечества зреет большой прорыв. Так что, возможно, космические корабли будущего будут построены и совершат первые полеты уже в XXI веке.
В 2011 году США оказались без космических транспортных средств, способных доставить человека на околоземную орбиту. Сейчас американские инженеры конструируют больше новых пилотируемых космических аппаратов, чем когда бы то ни было, причем лидируют частные компании, а это значит, что освоение космоса станет намного дешевле. В этой статье мы расскажем о семи проектируемых аппаратах, и если хотя бы некоторые из этих проектов воплотятся в жизнь, наступит новый золотой век в пилотируемой космонавтике.
- Тип: обитаемая капсула Создатель: Space Exploration Technologies / Элон Маск
- Дата запуска: 2015 год
- Предназначение: рейсы на орбиту (до МКС)
- Шансы на успех: весьма приличные
Когда в 2002 году Элон Маск учредил свою компанию Space Exploration Technologies, или SpaceX, скептики не видели в этом никаких перспектив. Однако уже к 2010 году его стартап стал первым частным предприятием, сумевшим повторить то, что было до того времени епархией государства. Ракета Falcon 9 вывела на орбиту беспилотную капсулу Dragon.
Следующий шаг на пути Маска в космос – разработка на базе капсулы многоразового использования Dragon аппарата, способного нести людей на борту. Он будет носить имя DragonRider и предназначается для полетов к МКС. Используя новаторский подход как в конструировании, так и в принципах эксплуатации, компания SpaceX заявляет, что перевозки пассажиров обойдутся всего по $20 млн за одно пассажиро-место (пассажиро-место в российском «Союзе» обходится сегодня США в $63 млн).
Путь к пилотируемой капсуле
Усовершенствованный интерьер
Капсула будет оборудована под экипаж из семи человек. Уже внутри беспилотной версии поддерживается земное давление, так что ее будет несложно адаптировать для пребывания людей.
Более широкие иллюминаторы
Через них астронавты смогут наблюдать процесс стыковки с МКС. В будущих модификациях капсулы – с возможностью посадки на реактивной струе – потребуется еще более широкий обзор.
Дополнительные двигатели, развивающие тягу 54 т для экстренного подъема на орбиту в случае аварии ракеты-носителя.
Dream Chaser — Потомок космического челнока
- Тип: космический самолет с запуском при помощи ракеты-носителя Создатель: Sierra Nevada Space Systems
- Планируемый запуск на орбиту: 2017 год
- Предназначение: орбитальные полеты
- Шансы на успех: хорошие
Конечно, у космических самолетов есть определенные достоинства. В отличие от обычной пассажирской капсулы, которая, падая сквозь атмосферу, может лишь слегка корректировать траекторию, шаттлы способны осуществлять при спуске маневры и даже менять аэродром назначения. Кроме того, их можно использовать повторно после краткого сервисного обслуживания. Однако катастрофы двух американских челноков показали, что и космические самолеты отнюдь не идеальное средство для орбитальных экспедиций. Во-первых, возить грузы на тех же аппаратах, что и экипажи, дорого, ведь, используя чисто грузовой корабль, можно сэкономить на системах безопасности и жизнеобеспечения.
Во-вторых, крепление шаттла сбоку к ускорителям и топливному баку повышает опасность повреждения от случайно отвалившихся элементов этих конструкций, что и стало причиной гибели челнока Columbia. Однако компания Sierra Nevada Space Systems клянется, что сумеет обелить репутацию орбитального космического самолета. Для этого у нее есть Dream Chaser – крылатый аппарат для доставки экипажей на космическую станцию. Уже сейчас компания борется за контракты NASA. В конструкции Dream Chaser избавились от основных недостатков, характерных для старых космических челноков. Во-первых, теперь грузы и экипажи намерены возить по отдельности. А во-вторых, теперь корабль будет монтироваться не сбоку, а наверху ракеты-носителя Atlas V. При этом все достоинства шаттлов сохранятся.
Суборбитальные полеты аппарата назначены на 2015 год, а на орбиту он будет выведен на два года позже.
Как там внутри?
На этом аппарате в космос могут отправиться сразу семь человек. Корабль стартует на верхушке ракеты.
На заданном участке он отделяется от носителя и затем может причалить к стыковочному узлу космической станции.
Dream Chaser еще ни разу не летал в космос, но уже готов, по крайней мере, для пробежек по взлетной полосе. Кроме того, его сбрасывали с вертолетов, испытывая аэродинамические возможности корабля.
New Shepard — Секретный корабль от Amazon
- Тип: обитаемая капсула Создатель: Blue Origin / Джефф Безос
- Дата запуска: неизвестна
- Шансы на успех: неплохие
Джефф Безос – 49-летний основатель компании Amazon.com и миллиардер со своим видением будущего – уже более десяти лет воплощает в жизнь тайные планы по освоению космоса. Из своего 25-миллиардного капитала Безос вложил уже многие миллионы в дерзкое начинание, которое получило имя Blue Origin. Его аппарат будет взлетать с экспериментальной стартовой площадки, которая построена (разумеется, с одобрения FAA) в глухом углу Западного Техаса.
В 2011 году компания опубликовала кадры, на которых видна подготовленная к испытаниям конусообразная ракетная система New Shepard. Она взлетает вертикально на высоту в полторы сотни метров, зависает там на некоторое время, а затем плавно опускается на землю с помощью реактивной струи. Согласно проекту, в будущем ракета-носитель сможет, забросив капсулу на суборбитальную высоту, самостоятельно вернуться на космодром, используя собственный двигатель. Это гораздо более экономичная схема, чем вылавливание использованной ступени в океане после приводнения.
После того как в 2000 году интернет-предприниматель Джефф Безос основал свою космическую компанию, он три года хранил в тайне сам факт ее существования. Компания запускает свои экспериментальные аппараты (наподобие той капсулы, которая изображена на фото) с частного космопорта в Западном Техасе.
Система состоит из двух частей.
Капсула для экипажа, в которой поддерживается нормальное атмосферное давление, отделяется от носителя и летит на высоту 100 км. Маршевый двигатель позволяет ракете совершить вертикальную посадку неподалеку от стартового стола. Сама капсула затем возвращается на землю с помощью парашюта.
Ракета-носитель поднимает аппарат со стартового стола.
SpaceShipTwo — Пионер в туристическом бизнесе
- Тип: космический корабль, запускаемый в воздухе с самолета-носителя Создатель: Virgin Galactic /
- Ричард Брэнсон
- Дата запуска: намечено на 2014 год
- Предназначение: суборбитальные полеты
- Шансы на успех: очень хорошие
Первый из аппаратов SpaceShipTwo во время испытательного планирующего полета. В будущем будут построены еще четыре таких же аппарата, которые начнут возить туристов. В очередь на полет записались уже 600 желающих, включая и таких знаменитостей, как Джастин Бибер, Эштон Кутчер и Леонардо Ди Каприо.
Аппарат, построенный знаменитым конструктором Бертом Рутаном в сотрудничестве с магнатом Ричардом Брэнсоном, владельцем компании Virgin Group, заложил основу будущего космического туризма. Почему бы не катать в космос всех желающих? В новой версии этого аппарата смогут разместиться шесть туристов и два пилота. Путешествие в космос будет состоять из двух частей. Сначала авиаматка WhiteKnightTwo (ее длина – 18 м, а размах крыльев – 42) поднимет аппарат SpaceShipTwo на высоту 15 км.
Затем реактивный аппарат отделится от самолета-носителя, запустит собственные двигатели и рванет в космос. На высоте 108 км пассажиры отлично рассмотрят и кривизну земной поверхности, и безмятежное сияние земной атмосферы – и все это на фоне черных космических глубин. Билет стоимостью в четверть миллиона долларов позволит путешественникам наслаждаться невесомостью, но всего лишь четыре минуты.
Inspiration Mars — Поцелуй над Красной планетой
- Тип: межпланетный транспорт Создатель: Фонд Inspiration Mars / Деннис Тито
- Дата запуска: 2018 год
- Предназначение: полет на Марс
- Шансы на успех: сомнительные
Медовый месяц (длиной полтора года) в межпланетной экспедиции? Такую возможность хочет предложить избранной паре фонд Inspiration Mars, которым руководит бывший инженер NASA, специалист по инвестициям и первый космический турист Деннис Тито. Группа Тито рассчитывает воспользоваться преимуществом парада планет, который произойдет в 2018 году (такое бывает раз в 15 лет). «Парад» позволит слетать от Земли до Марса и вернуться по траектории свободного возвращения, то есть без сжигания дополнительного горючего. В будущем году Inspiration Mars начнет принимать заявки на экспедицию длительностью 501 день.
Корабль должен будет пролететь на расстоянии 150 км от поверхности Марса. Для участия в полете предполагается выбрать супружескую пару – возможно, молодоженов (важен вопрос психологической совместимости). «По оценкам фонда Inspiration Mars, потребуется собрать $1–2 млрд. Мы закладываем фундамент под дела, которые раньше казались просто немыслимыми, такие, скажем, как полет на другие планеты», – говорит Марко Касерес, руководитель космических исследований фирмы Teal Group.
- Тип: космический самолет, способный взлетать самостоятельно Создатель: XCOR Aerospace
- Дата планируемого запуска: 2014 год
- Предназначение: суборбитальные полеты
- Шансы на успех: вполне приличные
В калифорнийской компании XCOR Aerospace (штаб-квартира в Мохаве) полагают, что у них в руках ключ к самым дешевым суборбитальным полетам. Компания уже продает билеты на свой 9-метровый аппарат Lynx, рассчитанный всего на двух пассажиров. Билеты стоят $95 000.
В отличие от других космических самолетов и пассажирских капсул, Lynx для выхода в космос не нуждается в ракете-носителе. Запустив специально разработанные под этот проект реактивные двигатели (в них будет сжигаться керосин с жидким кислородом), Lynx взлетит с полосы в горизонтальном направлении, как это делает обычный самолет, и, лишь разогнавшись, круто взмоет по своей космической траектории. Первый испытательный полет аппарата может состояться в ближайшие месяцы.
Взлет: космический самолет разгоняется по взлетной полосе.
Подъем: достигнув скорости 2,9 Маха, он круто набирает высоту.
Цель: примерно через 3 минуты после взлета двигатели выключаются. Самолет следует параболической траектории, проносясь сквозь суборбитальное космическое пространство.
Возвращение в плотные слои атмосферы и посадка.
Аппарат постепенно сбрасывает скорость, нарезая круги по нисходящей спирали.
Orion — Пассажирская капсула для большой компании
- Тип: обитаемый корабль повышенного объема для межзвездных перелетов
- Создатель: NASA / Конгресс США
- Дата запуска: 2021–2025 годы
Полеты на околоземную орбиту NASA уже без сожаления уступило частным компаниям, однако от претензий на дальний космос агентство еще не отказалось. К планетам и астероидам, возможно, полетит многоцелевой обитаемый аппарат Orion. Он будет состоять из капсулы, состыкованной с модулем, который, в свою очередь, будет заключать в себе силовую установку с запасом топлива, а также жилой отсек. Первый испытательный полет капсулы состоится в 2014 году. Ее выведет в космос ракета-носитель Delta длиной 70 м. Затем капсула должна вернуться в атмосферу и приземлиться в воды Тихого океана.
Под дальние экспедиции, для которых готовится Orion, будет, видимо, построена и новая ракета. На заводах NASA в Хантсвилле, штат Алабама, уже ведутся работы над новой 98-метровой ракетой Space Launch System. Этот сверхтяжелый транспорт должен быть готов к тому моменту, когда (и если) астронавты NASA соберутся лететь на Луну, на какой-нибудь астероид или еще дальше. «Мы все больше думаем о Марсе, – говорит Дэн Дамбахер, заведующий в NASA отделом разработки исследовательских систем, – как о нашей главной цели». Правда, некоторые критики говорят, что подобные претензии несколько чрезмерны. Проектируемая система столь огромна, что NASA сможет использовать ее не чаще, чем раз в два года, так как один ее запуск будет обходиться в $6 млрд.
Когда человек ступит на астероид?
В 2025 году NASA планирует отправить астронавтов в корабле Orion на один из расположенных недалеко от Земли астероидов – 1999АО10. Путешествие должно занять пять месяцев.
Запуск: Orion с экипажем из четырех человек взлетит с мыса Канаверал, штат Флорида.
Перелет: после пяти дней полета Orion, используя силу притяжения Луны, сделает вокруг нее вираж и возьмет курс на 1999АО10.
Встреча: астронавты долетят до астероида спустя два месяца после старта. Две недели они проведут на его поверхности, но о настоящей посадке не идет речи, так как этот космический камень имеет слишком слабую гравитацию. Скорее, члены экипажа просто прикрепят свой корабль к поверхности астероида и соберут образцы минералов.
Возвращение: поскольку все это время астероид 1999АО10 постепенно приближается к Земле, обратный путь окажется немного короче. Добравшись до околоземной орбиты, капсула отделится от корабля и приводнится в океане.
В ноябре прошлого года во время TVIW (астрономического семинара в Теннесси, посвященного межзвездным перелетам) Роб Суинни – бывший командир эскадрильи Королевских Военно-воздушных сил, инженер и магистр наук, ответственный за проект «Икар» - представил доклад о работе, проделанной над проектом за последнее время. Суинни освежил в памяти публики историю «Икара»: от вдохновения идеями проекта «Дедал», освещенными в докладе BIS (Британское межпланетное общество – старейшая организация, поддерживающая космические исследования) в 1978, до совместного решения БИС и компании энтузиастов Tau Zero возобновить исследования в 2009 году, и до последних известий о проекте, датированных 2014 годом.
Оригинальный проект 78-го года имел простую по формулировке, но сложную в осуществлении цель – ответить на вопрос, поставленный Энрике Ферми: «Если существует разумная жизнь за пределами Земли, и межзвездные перелеты возможны, то почему нет доказательств наличия других инопланетных цивилизаций?». Исследования «Дедала» были направлены на разработку дизайна межзвездного космического корабля с использованием существующих технологий в разумных экстраполяциях. И результаты работы прогремели на весь научный мир: создание такого корабля действительно возможно. Доклад о проекте был подкреплен детальным планом корабля, использующего термоядерный синтез дейтерия-гелия-3 из предварительно заготовленных гранул. «Дедал» затем служил ориентиром для всех последующих разработок в сфере межзвездных перелетов в течение 30 лет.
Однако после такого долгого срока было необходимо пересмотреть идеи и технические решения, принятые в «Дедале», чтобы оценить, насколько они выдержали проверку временем. Кроме того, за этот период совершались новые открытия, изменение конструкции в соответствии с ними улучшило бы общие показатели корабля. Также организаторы хотели заинтересовать подрастающее поколение астрономией и строительством межзвездных космических станций. Новый проект был назван в честь Икара, сына Дедала, что, не смотря на негативный оттенок имени, соответствовало первым словам в отчете 78-го года:
«Мы надеемся, что этот вариант заменит собой будущий дизайн, аналог Икара, в котором найдут отображения последние открытия и технические инновации, чтобы Икар смог достичь еще непокоренных Дедалом высот. Надеемся, благодаря развитию наших идей настанет день, когда человечество буквально прикоснется к звездам».
Итак, «Икар» создан именно как продолжение «Дедала». Показатели старого проекта и по сей день выглядят весьма многообещающе, но все же должны быть доработаны и обновлены:
1) В «Дедале» использовались релятивистские пучки электронов для компрессии гранул топлива, но последующие исследования показали, что этот метод не способен дать необходимый импульс. Вместо него в лабораториях для термоядерного синтеза используют пучки ионов. Тем не менее, такой просчет, стоивший Национальному комплексу термоядерных реакций 20 лет работы и 4 миллиардов долларов, показал сложность обращения с термоядерным синтезом даже в идеальных условиях.
2) Главным препятствием, с которым столкнулся «Дедал» - Гелий-3. Его нет на Земле, и поэтому добывать его нужно из отдаленных от нашей планеты газовых гигантов. Этот процесс слишком дорогостоящий и сложный.
3) Еще одна проблема, которую придется решить «Икару» - брак информации об ядерных реакциях. Именно недостаток сведений дал возможность 30 лет назад сделать весьма оптимистичные расчеты воздействия облучения всего корабля гамма-лучами и нейтронами, без выброса которых не обойтись двигателю на термоядерном синтезе.
4) Тритий был использован в гранулах топлива для зажигания, но тепла от распада его атомов выделялось слишком много. Без должной системы охлаждения зажигание топлива будет сопровождаться зажиганием всего остального.
5) Декомпрессия баков с топливом вследствие опорожнения может стать причиной взрыва в камере сгорания. Для решения этой проблемы в конструкцию бака добавлены утяжелители, уравновешивающие давление в разных частях механизма.
6) Последняя сложность – обслуживание судна. По проекту, корабль оснащен парой роботов, похожих на R2D2, которые при помощи диагностических алгоритмов будут выявлять и устранять возможные повреждения. Такие технологии кажутся очень сложными даже сейчас, в компьютерную эру, что уж говорить о 70-х.
Новая команда дизайнеров уже не ограничена созданием маневренного корабля. Для исследования объектов «Икар» использует зонды, перевозимые на борту судна. Это не только упрощает задачу дизайнеров, но и значительно уменьшает время на изучение звездных систем. Вместо дейтерия-гелия-3, новый космический корабль работает на чистом дейтерий-дейтерие. Не смотря на больший выброс нейтронов, новое топливо не только увеличит КПД двигателей, но и избавит от необходимости добывать ресурсы с поверхности других планет. Дейтерий активно добывается из океанов и используется в АЭС, работающих на тяжелой воде.
Тем не менее, человечеству до сих пор не удалось получить контролируемую реакцию распада с выделением энергии. Затянувшаяся гонка лабораторий всего мира за экзотермическим ядерным синтезом тормозит проектирование корабля. Так что вопрос об оптимальном топливе для межзвездного судна остается открытым. В попытке найти решение в 2013 году был проведен внутренний конкурс среди подразделений БИС. Выиграла команда WWAR Ghost из Мюнхенского университета. Их дизайн основан на термоядерном синтезе при помощи лазера, который обеспечивает быстрое нагревание топлива до необходимой температуры.
Не смотря на оригинальность идеи и некоторых инженерных ходов, конкурсанты не смогли решить главную дилемму – выбор топлива. К тому же корабль-победитель огромен. Он превосходит по размерам «Дедала» в 4-5 раз, а другие методы термоядерного синтеза могут нуждаться в меньшем пространстве.
Соответственно, было принято решение продвигать 2 типа двигателей: основанный на термоядерном синтезе и базирующийся на пинче Беннета (плазменный двигатель). Кроме того, параллельно дейтерий-дейтерию рассматривают и старую версию с тритием-гелием-3. Фактически гелий-3 дает лучшие результаты в любом виде двигателей, так что ученые работают над способами его получения.
В работах всех участников конкурса прослеживается интересная зависимость: некоторые элементы конструкции (зонды для исследования окружающей среды, хранилища топлива, системы вторичного электропитания и прочие) любого корабля остаются неизменными. Однозначно можно утверждать следующее:
- Корабль будет горячим. Любой способ сжигания любого из представленных видов топлива сопровождается выбросом большого количества тепла. Дейтерий требует наличия массивной системы охлаждения из-за непосредственного выделения тепловой энергии во время реакции. Магнитно-плазменный двигатель будет создавать вихревые токи в окружающих металлах, также нагревая их. На Земле уже существуют радиаторы достаточной мощности, чтобы эффективно охлаждать тела температурой более 1000 C, осталось адаптировать их для нужд и условий звездолета.
- Судно будет колоссальных размеров. Одной из главных задач, поставленных перед проектом «Икар», было уменьшение габаритов, но со временем стало понятно, что для термоядерных реакций требуется много пространства. Даже варианты дизайна с самой маленькой массой весят десятки тысяч тонн.
- Корабль будет длинным. «Дедал» был весьма компактен, каждая его часть совмещалась с другой, как матрешка. В «Икаре» попытки минимизировать радиоактивное воздействие на судно привели к его удлинению (это хорошо продемонстрировано в проекте «Светлячок» за авторством Роберта Фриленда).
Роб Суинни сообщил, что к проекту «Икар» присоединилась группа из Университета Дрексела. «Новички» продвигают идею использования PJMIF (системы, основанной на струйной подаче плазмы при помощи магнитов, при этом плазма расслаивается, обеспечивая условия для ядерных реакций). Этот принцип на данный момент самый эффективный. По сути, это симбиоз двух методов ядерных реакций, он вобрал в себя все плюсы инерциального и магнитного термоядерного синтеза, такие как уменьшение массы конструкции, и значительное уменьшение стоимости. Их проект называется «Зевс».
После этой встречи состоялся TVIW, на котором Суинни обозначил предварительную дату завершения проекта «Икар» – август 2015 года. Последний доклад будет включать в себя упоминания о модификациях старых наработок «Дедала» и нововведениях, полностью созданных новой командой. Завершил семинар монолог Роба Суинни, в котором он сказал: «Загадки Вселенной ждут нас где-то там! Время выбираться отсюда!»
