Энергодвигательные и энергетические установки в проектах освоения космоса XXI века

Достижения космонавтики XX в. обеспечены созданием высокоэнергетических энергодвигательных установок ракет-носителей и разгонных блоков. Наиболее широко распространены двухкомпонентные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) тягой от нескольких килограммов по нескольких сотен тонн и удельным импульсом в диапазоне

3 000.. .4 500 м/с. Двигательные установки (ДУ) космических аппаратов (КА), работающие на орбитах, имеют несколько двигателей малой тяги. Химические двигатели КА имеют малый удельный импульс, величина которого находится на уровне 2 000.. .2 500 м/с. Наиболее перспективные электрореактивные двигатели (ЭРД), в которых под- вод энергии для ускорения рабочего тела осуществляется извне, от системы электропитания. Их высокий удельный импульс позволяет существенно (на сотни килограммов) уменьшить суммарную массу заправленной ДУ за счет уменьшения массы рабочего тела. В мировой практике XX в. столетия нашли применение так называемые плазменно-ионные (или просто ионные) двигатели и стационарные плазменные двигатели (СПД), относящиеся к классу холловских двигателей [1]. Они характеризуются высоким удельным импульсом от 15 000.. .30 000 м/с и повышенной энергетической ценой тяги.

Сегодня очевидно, что электрореактивные двигатели и двигательные установки на их основе прочно заняли свое место среди двигательных систем. Их применение продолжит расширяться в XXI в. В ближайшие годы основной задачей в области совершенствования электро-рективных ДУ является повышение экономичности двигателей, повышение ресурса их работы, создание облегченных элементов систем хранения и подачи рабочего тела [1]. Увеличение срока активного ресурса спутников до 12.. .15 лет потребует дальнейшего увеличения экономичности ЭРД, что позволит существенно уменьшить массу заправленной ДУ. Таким образом, кроме повышенной экономичности эти двигатели должны обладать повышенным ресурсом как по наработке, так и по количеству включений, так как представляется перспективным использование этих двигателей не только для коррекции орбиты, но и для обеспечения ориентации КА. Для этого необходимо кроме оптимизации компоновки двигателей на аппарате разработать легкую и надежную систему управления положением двигателей относительного корпуса КА [2].

Для пилотируемого полета к Марсу, который может состояться примерно в 2025 г потребуется в составе ДУ система электропитания, способная обеспечивать около 12 МВт электроэнергии. При таком уровне мощности ДУ корабль в течение 30 дней будет по спирали поднимать орбиту еще 85 дней ускоряться, а затем - тормозиться на пути к Марсу. Таким образом, в итоге путешествие к Марсу займет в два раза меньше времени, чем при использовании ЖРД. Посадочный марсианский модуль будет использовать химические двигатели [3].

Как видно, кроме создания мощной ДУ проблемой является и обеспечение необходимой электроэнергией. При полетах в околоземном пространстве химические элементы и солнечные батареи (СБ) обеспечивают потребности пилотируемых КА в электричестве, но при полетах к Марсу и дальше таким путем идти нельзя из-за большой массы химических реагентов и того, что солнечные батареи на больших расстояниях от Солнца неэффективны. Так, 10-мегаваттные СБ на расстоянии Марса имели бы площадь 68 000 м² (квадрат 260 • 260 м, больше чем 16 футбольных полей!) и760 000 м²на расстоянии Юпитера. Строить такие СБ сложно. Остается один источник - ядерный [4].

Некоторый опыт использования «ядерного электричества» уже есть - это радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ). Они используются только на беспилотных КА, так как очень неэффективны для пилотируемых. Намного лучше в качестве источника энер гии представляется ядерный реактор: на 1 кг топлива он производит в 10 млн раз больше энергии, чем РИТЭГ.

Освоение космоса в XXI в. - это, прежде всего, внедрение в нашу жизнь космических технологий, которые радикально изменят лицо планетарной цивилизации. Ученые говорят о начале третьей промышленной революции, сменяющей в исторической цепочке эпох господства технологий пара, электричества и атомной энергии, веком космических технологий. Уникальность этих технологий заключается в отсутствии силы тяжести, в наличи-ях глубокого вакуума и практически неисчерпаемого источника энергии в виде солнечного излучения.

В космических условиях появляется возможность создавать новые материалы с уникальными свойствами, которые в принципе не возможно создать в земных условиях. Это могут быть волокна монокристаллов, из которых можно свить трос с прочностью в 1 000 раз большей, чем у стального. Такой трос позволил бы реализовать фантастический проект Артура Кларка по созданию лифта в космос. Можно будет создавать сверхлегкие и прочные конструкции, которые качественно изменят нашу архитектуру, авиацию и автомобильный транспорт. Появится возможность создать накопители энергии с маховиками, которые будут обеспечивать движение автомобилей, катеров и самолетов, что далеко не полный перечень.

В условиях космоса, т. е. в условиях невесомости, можно производить лекарства, синтез которых невозможен на земле или обходится очень дорого. Космическая фармакология позволит победить такие болезни как рак, спид, диабет.

Большие надежды человечество связывает с созданием сети космических электростанций, которые преобразовывали бы энергию излучения солнца с помощью полупроводниковых фотоэлементов в электрическую энергию. Эта энергия на космических станциях будет преобразовываться в коротковолновое электромагнитное излучение и с помощью параболической антенны в форме направленного луча передаваться на землю, где специальные приемные антенны, образующие круг диаметром до 10 км, будут поглощать эту энергию, и преобразовывать ее в электрический ток промышленной частоты. Эти приемные антенны будут представлять собой ажурную конструкцию на 95 % поглощающую короткие радиоволны, но абсолютно прозрачную для солнечного излучения, поэтому, накрытые антенной площади, не будут выводиться из сельскохозяйственного оборота. Предполагается, что каждая такая космическая электростанция в виде плоской платформы, располагающейся на геостационарной орбите, будет иметь площадь до 10 км2 и будет генерировать порядка 1 ГВт электроэнергии. Располагая на орбите до 1 000 подобных платформ можно к мощности планетарной энергосистемы добавить около 1 ТВт, что составляет примерно 50 % от существующей в настоящее время мощности.

Следующим шагом в создании космической энергосистемы станет развертывание солнечных электростанций на поверхности нашего естественного спутника Луны. Если покрыть только 10% поверхности Луны панелями солнечных элементов, то общая выработка электроэнергии составит порядка 20 ТВт, что соответствует предполагаемым потребностям человечества к концу XXI в. Кроме того, из лунного грунта можно добывать топливо для будущих термоядерных электростанций (гелий-3). Этот изотоп гелия накопился под воздействием солнечного ветра в лунном грунте, но на Земле, которая от солнечного ветра защищена магнитным полем, этого изотопа нет. Гелий-3 является идеальным топливом для термоядерной электростанции, поскольку реакция синтеза с его участием генерирует электрически заряженные частицы, которые можно остановить электрическим полем и обеспечить с КПД близким к 100% преобразование ядерной энергии в электрическую. В обеих вариантах развития планетарной энергетики потребуется создание обитаемой лунной базы с персоналом в 4 000 человек, которые будут производить из лунных пород солнечные панели и работать в лунных карьерах по добыче гелия-3.

Потребность и неизбежность создания подобной космической энергосистемы усугубляется надвигающейся угрозой экологической катастрофы, вызванной потеплением климата из-за выбросов углекислого газа в атмосферу. Мощность земной энергетики на 80 % формируется тепловыми электростанциями, сжигающими уголь, нефтепродукты и природный газ. Именно они ответственны за 50 % выбросов СО2. Космическая энергетика снимает или значительно снижает этот негативный эффект.

Однако при современных ценах на транспортировку грузов с поверхности земли на геостационарную орбиту достигающих 60 тыс. долл./кг, о рентабельности масштабных проектов космических технологий говорить не приходится. Экономические расчеты показали, что для их реализации необходимо более чем в 10 раз снизить эту цену и тогда эти технологии станут рентабельными. Соответственно в этом варианте космос будет осваиваться не только за счет бюджетного финансирования, но туда устремится коммерческий капитал и бурное индустриальное освоение космоса станет реальностью. Таким образом, ключевой проблемой будущих космических технологий являются проблемы создания новых транспортных систем.

В настоящее время все промышленно развитые страны разрабатывают аэрокосмический самолет, который должен стартовать как самолет, разгоняясь до половины первой космической скорости за счет работы реактивного двигателя (гиперзвуковой полет со скоростью, в 10.. .12 раз превышающей скорость звука), затем переключается на ракетный двигатель и выходит на орбиту После завершения миссии аппарат возвращается с орбиты, совершая самолетную посадку Главное преимущество этой схемы в том, что реактивный двигатель потребляет кислород воздуха, и стартовая масса аппарата в результате уменьшается примерно в 5 раз. Соответственно, ожидается, что стоимость перевозки грузов на космическую орбиту снизится от 10 до 100 раз.

Однако такой летательный аппарат будет качественно отличаться и от самолетов и от ракет. При высокой скорости набегающий поток воздуха будет нагреваться до 3 000...4 000 оС,т. е. это будет уже не воздух, а ионизованная электропроводная плазма и полет гиперзвукового самолета будет проходить в этой среде в течение 1.. .2 ч. Такая же плазма будет на входе камеры сгорания реак тивного двигателя, и в ней топливо будет диссоциировать. Для решения этих проблем необходимо управлять плазменными потоками, что осуществляется с помощью электромагнитного воздействия на нее. При этом плазма будет в определенных режимах ускоряться, увеличивая тягу двигателей, а в некоторых режимах тормозится, что будет сопровождаться преобразованием тепловой энергии плазмы в электроэнергию. Математическое моделирование полетных гиперзвуковых режимов показало [5], что электромагнитное воздействие на внешнее обтекание позволяет подавить образование ударной волны, сопровождающей все сверхзвуковые летательные аппараты, и при этом удастся резко снизить сопротивление воздуха. Полет предполагается быстрым и бесшумным.

При всей сложности задачи создания аэрокосмического самолета ученые существенно продвинулись в ее разрешении и в настоящее время модели таких аппаратов уже испытываются в аэродинамических трубах. Прошли первые летные испытания реактивные двигатели для гиперзвуковых самолетов. Можно ожидать, что пробные полеты аэрокосмического самолета состоятся в 2015-2018 гг. Следует отметить существенный вклад в задачу создания такого самолета российских ученых. Можно смело сказать, что практически 80-90 % фундаментальных проблем гиперзвукового полета было решено именно в России.

Другой подход к проблеме снижения стоимости вывода полезного груза на орбиту развивают американские ученые. Речь идет о так называемой электромагнитной пушке, которая в вакуумном туннеле длиной 60_80км будет разгонять космический аппарат до первой космической скорости. Труба туннеля одним концом лежит на земле, где через специальное шлюзовое устройство на вход подается космический аппарат. Вдоль всего туннеля установлены электромагниты, осуществляющие магнитную подвеску. С их помощью аппарат будет двигаться, не касаясь стенок туннеля. Принцип магнитной подвески в настоящее время широко используется в технике. Так, например, он используется в монорельсовой дороге в Японии, где поезда движутся со скоростью 500 км/ч. Разгоняться аппарат будет так же, как ускоряется ротор в электродвигателе синхронного типа. Для этого в корпусе аппарата будут вмонтированы сверхпроводящие обмотки с циркулирующим в них мегаамперным током. В свою очередь будут уложены сверхпроводящие обмотки вдоль всего туннеля, в которых специальным устройством создается бегущее магнитное поле. Взаимодействие этого поля с магнитным полем обмоток на аппарате создаст электродинамическую силу, выталкивающую аппарат из туннеля. Второй конец туннеля будет поднят над поверхностью земли на высоту 20 км. Для этого подъема предполагается использовать магнитную левитацию, суть которой в том, что проводники с противоположным направлением тока отталкиваются. Предполагается сверхпроводящие кабели уложить на земле, а обратный ток, замыкающий эту цепь, пропустить по кабелю, идущему вдоль туннеля. Второй конец туннеля для выпуска космического аппарата должен оставаться открытым и, чтобы воздух не заполнил объем туннеля, на выходном участке создается плазменный затвор. С этой це- лью здесь будут установлены электронные пушки, ионизующие воздух. По электропроводному воздуху предполагается пропустить ток, который будет взаимодействовать с поперечным магнитным полем, созданным специальной магнитной системой. В результате в объеме ионизованного воздуха возникнет объемная выталкивающая сила, не позволяющая воздуху из атмосферы заполнить туннель. Труба туннеля будет удерживаться с помощью специальных особопрочных кевларовых тросов, которые в настоящее время уже созданы. Потребление энергии системой, создающей бегущее магнитное поле, будет осуществляться из индукционного накопителя, представляющего собой сверхпроводящий соленоид с диаметром витков до 10км. Беря на запитку соленоида порядка 1 % мощности от всей энергосистемы США можно в течение получаса накопить необходимую энергию для запуска космического аппарата.

Стоимость затраченной на запуск электроэнергии, отнесенная к 1кг полезного груза составит примерно 0,5 долл. Однако в стоимости транспортировки следует учесть и огромные капитальные затраты на строительство этого гигантского сооружения. Экономические расчеты показывают, что если масштабы перевозок по маршруту зем-ля-космос вырастут от нынешнего уровня в 500 т/г до 500 тыс. т/г, то цена доставки 1 кг составит 30 долл., что примерно в 300 раз меньше нынешнего уровня.

Все описанные здесь элементы проекта, который разработчиками называется «звездным трамваем», могут быть реально осуществлены и его реализация будет возможна в период 2020-2030 гг., когда масштабы космических перевозок вырастут примерно в 1 000 раз.

Следует отметить, что для достижения первой космической скорости на разгонном участке длиной 60 км потребуется ускорение 500 м/с2, что в 50 раз превышает ускорение силы тяжести. Естественно, что человеческий организм не в состоянии выдержать 50 кратную перегрузку, поэтому система «звездного трамвая» будет использоваться только для доставок грузов, а для перевозок людей будет использоваться аэрокосмический самолет.

Кроме описанных выше проектов промышленного освоения «ближнего» космоса (пространство вплоть до орбиты Луны). Ученые активно обсуждают возможность экспедиций в «дальний» космос, т. е. к планетам солнечной системы. До сих пор не утихли споры о том, как возникла жизнь на нашей планете. Ученые разделились на два лагеря: эволюционистов и криативистов. Первые считают, что жизнь на Земле, в том числе разумная, возникла в результате естественного природного процесса, вторые считают, что жизнь возникла в результате творческого процесса Всемирного разума (Бога), либо внеземной высокоразвитой цивилизации. Ответить на этот вопрос невозможно, исследуя только земной процесс образования жизни и ее развитие. Поиск жизни на других планетах и сопоставление ее с земной должны прояснить эту фундаментальную проблему, которая волнует человечество на протяжении всей его истории. Вот почему надо организовывать экспедиции в «дальний» космос. Сейчас можно считать доказанным факт существования (хотя бы в прошлом) биологической жизни на Марсе. Эту информацию принесли метеориты, найденные на Земле, куда они попали в результате взрывных вулканических процессов на Марсе.

Однако согласившись с необходимостью изучения планет солнечной системы, научный мир составил два лагеря, спорящих друг с другом по методам исследования. Сторонники автоматов обосновывают свою точку зрения чрезвычайной дороговизной и опасностью пилотируемых полетов. Потребуется создать систему долговременного комфортного существования экипажа как в корабле, так и на поверхности планеты, решить проблему возвращения на Землю и, самое главное, нужно потратить значительные суммы на создание ракетных двигателей, использующих новые физические принципы, в то время как автоматические зонды могут быть посланы к другим планетам на старых двигателях, сжигающих химическое топливо. Однако реализация такого подхода чревата бесполезной тратой средств на запуски автоматов, статистика запуска которых говорит о том, что примерно одна из трех миссий оказывается успешной, но даже она приносит очень мало информации по такой глобальной проблеме как внеземная жизнь. В настоящее время космические агентства различных стран (в том числе и России) разрабатывают проекты пилотируемых полетов к Марсу. Американский президент объявил о начале национальной программы экспедиции на Марс, которая может состояться в 2015-2020 гг.

Создание эффективной космической энергоустановки с электрическим ракетным двигателем, использующим эффект Т-слоя [6], обеспечит проект марсианского корабля «космический странник», достигающий красную планету всего за 3 месяца. При этом стартовая масса корабля будет не более 200 т. Такой корабль предназначен совершать челночные рейсы (околоземная орбита - око-ломарсианская орбита - околоземная орбита), меняя на орбитальной марсианской станции вахтовые группы исследователей Марса. С орбитальной станции на поверхность Марса (на марсианскую базу) и обратно периодически будут отправляться корабли-посадочные модули. Доставка грузов на орбитальную станцию будет осуществляться одноразовыми ракетами с химическими двигателями, которые будут достигать Марса в течение годового полета по баллистической траектории.

Таким образом, в рамках этого проекта, сочетающегося с проектами гиперзвукового аэрокосмического самолета и «звездного трамвая», удастся в рамках разумных финансовых расходов осуществить долговременную программу исследования Марса.