Что общего между древнегреческим Икаром и современным плазменным двигателем? Оба воплощают извечное стремление человечества преодолеть границы возможного. Но если мифический герой расплатился за свою дерзость падением, то российские ученые предлагают куда более надежный способ покорения космических просторов.
В научных лабораториях Росатома завершилась разработка, способная перевернуть наше представление о межпланетных путешествиях. Прототип плазменного электрореактивного двигателя – это не просто очередное техническое достижение, а потенциальный ключ к дальнему космосу, который веками манил человечество своими тайнами.
Представьте: путешествие до Марса, занимающее сегодня почти год, в перспективе может сократиться до 30–60 дней. И это уже не выглядит как полная фантастика, реальность подобных скоростных полетов, основанная на впечатляющих характеристиках нового двигателя: тяга не менее 6 Н, удельный импульс более 100 км/с и средняя мощность в 300 кВт.
За этими сухими цифрами скрывается революционный потенциал – возможность разгонять космические аппараты до скоростей, недоступных традиционным химическим двигателям, летать напрямую в любую точку Солнечной системы, минуя гравитационные маневры, без которых добраться до отдаленных уголков Солнечной системы сегодня невозможно.
Ракетный плазменный двигатель «Росатома» уже в виде прототипа имеет тягу в 6 Ньютонов, или 0,612 килограмма силы (кгс), а по словам первого заместителя генерального директора по науке Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) Алексея Воронова, в перспективе (к 2030 году) тягу поднимут до 15 Ньютонов, а это уже 1,53 кгс.
Российские ученые совершили прорыв в увеличении мощности и тяги электрических ракетных двигателей. Ранее никто не достигал подобных характеристик.
Например, традиционные ионные двигатели, такие как NASA NEXT, обладают максимальной мощностью 6,9 кВт и тягой 0,236 Н (0,024 кгс). Их удельный импульс составляет 4150 секунд, что соответствует скорости истечения газов 40,7 км в секунду.
- Российские ионные двигатели ИД-300, созданные в Центре Келдыша, обладают мощностью от 2 до 4 кВт и тягой от 0,08 до 0,12 Н. Более мощная версия двигателя ИД-300В может выдавать 10 кВт и развивать тягу до 0,220 Н, обеспечивая удельный импульс 7000 секунд, что эквивалентно скорости около 68,7 км/сек.
Существуют прототипы плазменных двигателей, которые отличаются более высокой мощностью и тягой, но даже среди них российская разработка выделяется своими выдающимися характеристиками.
Например, ионный двигатель «X3», созданный в сотрудничестве между Университетом Мичигана, NASA и Воздушными силами США (AFRL), представляет собой инновационный трёхканальный двигатель Холла. Этот двигатель достиг тяги в 5,4 Н при мощности 102 кВт, однако его удельный импульс оказался значительно ниже — 1800–2650 секунд, что эквивалентно скорости истечения газов от 17 до 26 километров в секунду.
Магнитоплазменный ракетный двигатель VASIMR, которые американцы разрабатывают уже более 40 лет (с 1983 года), достиг более впечатляющих показателей:
- Максимальная мощность - 200 кВт;
- Тяга 5,8 Н, при максимальной мощности;
- Удельный импульс - 3000-5000 сек;
- Скорость реактивной струи от 29,4 км/с до 49,1 км/с.
Важно отметить, что на данный момент при увеличении тяги и мощности двигателя происходит снижение удельного импульса. Это означает, что двигатель начинает расходовать больше топлива и теряет свою эффективность. Чем выше удельный импульс, тем меньше топлива требуется космическому кораблю для достижения высоких скоростей.
Чтобы добиться желаемых характеристик, приходится идти на компромиссы. Например, увеличение соотношения тяги к мощности приводит к снижению удельного импульса.
При мощности 100 кВт двигатель «X3» обеспечивает тягу в 5,4 Н, что почти соответствует показателям двигателя «Росатома», к тому же российский прототип тратит почти в три раза больше энергии для создания тяги в 6 Н.
Однако у двигателя «Росатома» есть значительное преимущество: эффективная скорость истечения газов составляет не менее 100 км/с, в то время как у «X3» — максимум 26 км/с.
- Да, разница между генерацией энергии мощностью 100 кВт и 300 кВт очень велика, особенно в условиях космоса. Это значительно снижает эффективность ракетного двигателя.
Справедливости ради стоит отметить, что для обеспечения высокой мощности двигателя требуется больше генераторов и систем охлаждения. Эта зависимость можно описать как линейную: чем мощнее двигатель, тем больше масса корабля должна быть для его эффективной работы.
Поэтому для сравнения можно рассмотреть два корабля: один массой 10 тонн, а другой — 30 тонн. В первом из них 1 тонна приходится на полезную нагрузку, 8 тонн — на энергетические и охлаждающие системы, а также 1 тонна — на топливо. Этот корабль будет оснащён двигателем «X3» и сможет развить скорость около 2600 м/с за 55,6 дней, исчерпав запасы топлива.
Второй аппарат, оснащённый двигателем «Росатома» (6 Н и 300 кВт), способен развивать скорость до 3333 м/с. Он может проработать 193 дня, пока не закончится топливо. Полезная нагрузка составляет 1 тонну, а вес энергетических систем и систем охлаждения — 28 тонн.
Но что нам дают эти сухие цифры? Сколько времени потребуется, чтобы долететь до Марса?
Если учесть разницу в ускорении кораблей, то первый корабль с двигателем «X3» разгоняется в 2,7 раза быстрее, чем втрое более массивный корабль с двигателем «Росатома». Однако последний способен ускоряться дольше и развивать более высокие скорости.
Опуская подробности расчетов, можно сказать, что 10-тонный корабль достигнет Марса за 1030 дней. Из этого времени 5,4% он будет ускоряться, а остальные 94,6% — двигаться по инерции.
Космический корабль весом 30 тонн с двигателем от «Росатома» будет ускоряться в течение 22% времени полета, а остальные 78% — двигаться по инерции. Он сможет достичь орбиты Марса за 877 дней.
Самая сложная задача — преодолеть энергетический барьер. Почему бы не создать плазменный двигатель мощностью, например, 1000 кВт или 50 мегаватт, что позволило бы сократить время полёта к Марсу до реальных 60 дней? Это было серьёзной проблемой, но, кажется, российские учёные нашли способ увеличить как мощность двигателя, так и его тягу, сохраняя высокие показатели удельного импульса.
При тяге в 15 Н, которую запланировали достигнуть в 2030 году, мощность двигателя возрастёт до 750 кВт. О таких мощных электрических ракетных двигателях мир может только мечтать.
Разработка российских учёных — это очень большой шаг в сторону увеличения мощности электрических ракетных двигателей. До этого ни один аналог даже не приблизился к подобным характеристикам тяги, мощности и удельного импульса.
Таким образом, энергетический барьер был успешно преодолён, что открывает перед человечеством путь к созданию мощных плазменных двигателей практически любого класса. Теперь всё зависит от наличия достаточного количества энергии для их питания.
Но технологический прорыв не ограничивается только двигательной установкой. В подмосковном Троицке создается уникальный испытательный стенд с вакуумной камерой впечатляющих размеров: 4 метра в диаметре, 14 метров в длину. Это сооружение станет земным полигоном для космических технологий будущего, где в условиях, максимально приближенных к реальным космическим, будут отрабатываться новые решения для межпланетных полетов.
Параллельно с этим специалисты АО «ИФТП» создали установку, способную воспроизводить космическую радиацию – один из главных вызовов дальних космических путешествий. А легендарный модуль «Матрешка», детище АО «СНИИП», уже два десятилетия собирает бесценные данные о воздействии космического излучения на человеческий организм на борту МКС.
Все эти разработки — части единого пазла, складывающегося в амбициозную картину российской космической программы.
- Интеграция всех этих технологий происходит в рамках масштабной государственной программы.
С 2025 года работы по федеральным проектам КП РТТН стали частью нового национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии». Это означает не только существенное финансирование, но и признание стратегической важности космических разработок на государственном уровне.
Завершая размышление о новых горизонтах космической эры, нельзя не вспомнить слова Константина Циолковского: «Земля – колыбель человечества, но нельзя вечно оставаться в колыбели».
Похоже, российская наука делает решительный шаг к тому, чтобы человечество наконец покинуло свою космическую колыбель, вооружившись не восковыми крыльями мифического Икара, а надежными плазменными двигателями, на которых будут массово летать космические корабли второй половины XXI века.
Свежие комментарии