1. HyperV
2. Orion, Daedalus, Longshot і інші ядерні ракетні двигуни
3. VASIMR
4. EmDrive

Нові програми освоєння космосу вимагають розробки досконаліших двигунів. Конструкторам завжди хотілося зменшити їх масу, збільшити тягу і підвищити економічність. Зараз це стало не простим прагненням зробити краще, а необхідною умовою для майбутніх пілотованих місій і доставки наукової апаратури до інших планет в розумні терміни. Які технічні рішення виглядають заманливо у віддаленій перспективі, а які реалізуються прямо зараз?

З рухом ми стикаємося щодня і звикли до нього настільки, що не дуже замислюємося про його природі. У звичайних умовах завжди є якась середовище та можливість взаємодіяти з нею. Ноги і колеса автомобіля відштовхуються від твердої поверхні дороги, гребний гвинт човна захоплює воду, а турбіна літака - повітря. Відсутність звичного середовища в космосі не дає настільки багатих можливостей.

Випробування двигуна LYNX (фото: XCOR)

Єдиний освоєний принцип руху космічних апаратів (КА) був і залишається тим самим: реактивний струмінь викидається в одну сторону, створюючи тягу в протилежному напрямку. Вся сіль в тому, з чого формується і що являє собою сама реактивна струмінь.

Незалежно від типу в ракетних двигунах "робочим тілом" прийнято називати те, що покидає сопло на великій швидкості. Для розгінних блоків ракет-носіїв це продукти згоряння палива, для іонних двигунів супутників - іонізований газ. У всіх випадках час роботи двигуна обмежена наявними на борту запасом речовини, що використовується при створенні реактивної тяги.

Для виведення супутника на орбіту Землі і відправки автоматичних міжпланетних станцій (АМС) за її межі двигун ракети-носія повинен забезпечити тягу в сотні і тисячі кілоньютон, але йому досить пропрацювати кілька хвилин. Самим космічним апаратам поза гравітаційного поля планети досить тяги в частки ньютона, але експлуатуватися їх двигуни будуть роками. Поки навіть на одному КА доводиться використовувати кілька різних типів двигунів в якості маршових і коригувальних, але все може змінитися.

HyperV

Нещодавно в рамках проекту HyperV були зібрані через Kickstarter кошти на доопрацювання імпульсного плазмового двигуна. Як робоче тіло згодяться практично будь-які гази. Сам двигун обіцяє бути набагато дешевше у виробництві і експлуатації, ніж наявні аналоги.

Випробувальний стенд двигуна HyperV (фото: Nancy Atkinson, Universe Today)

Головна перевага полягає в універсальності. За рахунок регулювання співвідношення тяги до питомому імпульсу один двигун можна використовувати для різних завдань.

Orion, Daedalus, Longshot і інші ядерні ракетні двигуни

Ядерні двигуни розробляються з п'ятдесятих років минулого століття і актуальні й досі. Спочатку їх передбачалося робити імпульсними - ядерні вибухи малої потужності повинні були надавати прискорення величезному космічному кораблю. Грандіозний проект Orion був розрахований на пілотовану місію з командою в 200 чоловік, але його так і не вдалося втілити з технічних і економічних причин.

Проект "Оріон" в поданні художника (зображення: Joe Bergeron)

Пізніше перевагу віддали менш екстремальному режиму роботи ЯРД - реактивному, в якому ядерний реактор використовується для контрольованого нагрівання робочого тіла. Наступний проект (Daedalus) передбачав будівництво на орбіті Юпітера автономного зонда. Апарат довжиною майже в півкілометра повинен був розігнатися термоядерними ракетними двигунами і досягти через 49 років зірки Барнарда в сузір'ї Змієносця. Проект був згорнутий в 1977 році через недостатні знання про будову Сонячної системи поблизу її зовнішніх кордонів.

Проект Daedalus - принципова схема (зображення: Adrian Mann)

В кінці вісімдесятих NASA повернулося до ідеї міжзоряних польотів космічних кораблів. Проект Longshot виглядав більш реалістично і ґрунтувався на використанні лазерно-термоядерного двигуна. В якості мети була обрана зірка альфа Центавра B. Час польоту збільшилася до століття, а місія не припускала повернення. На відміну від проекту Daedalus, Longshot спирався переважно на існуючі, а не на перспективні технології. На останньому етапі стало очевидно, що кораблю знадобиться близько 264 тонн суміші гелію-3 і дейтерію, яких отримати в таких кількостях ціною розумних витрат не вдасться.

Проект Longshot (зображення: Beals, KA)

Незважаючи на серію невдалих проектів, ядерні ракетні двигуни не втрачають актуальності. Глава Роскосмосу Володимир Поповкін повідомив в інтерв'ю "Российской газете", що дослідний зразок ядерної установки мегаватного класу для міжпланетних польотів з'явиться в Росії в 2017 році.

Проведення стендових випробувань ядерного реактора заплановано в Сосновому Бору Ленінградської області. У порівнянні з прямоточним ядерним двигуном температура нагріву робочого тіла повинна знизитися до 1500 градусів, а створювана реактивна струмінь не буде радіоактивної. Друге властивість дозволить використовувати двигун вже на ранніх етапах польоту без ризику радіаційного забруднення атмосфери Землі. Подібна програма NASA "Прометей" була закрита в 2006 році через недостатнє фінансування.

VASIMR

Іншим перспективним проектом є розробка електромагнітного прискорювача із змінним питомим імпульсом (в англомовній літературі - VASIMR). Робоче тіло (аргон) іонізується радіохвилями, і отримана плазма потім розганяється в електромагнітному полі, створюючи реактивну тягу.

Вперше з'явившись в 1979 році, ідея стала по-справжньому революційною і зараз близька до втілення. Такий двигун був би вкрай затребуваний в системі орбітального і міжпланетного транспорту. Для початку "космічний буксир" міг би переміщати багатотонні вантажі між орбітами Землі і Місяця. Модель VASIMR VF-200 виробництва Ad Astra Rocket Company планується розмістити на борту МКС.

Макет двигуна VASIMR VF-200-1 представлений в ролику нижче.

EmDrive

В кінці 2012 року професор Академії наук Китаю Ян Цзюань представила переклад своєї статті, яка описує прототип унікального електромагнітного ракетного двигуна. На папері він виглядає набагато цікавіше наявних сьогодні іонних двигунів хоча б тому, що не вимагає витрат робочого тіла, але в цьому і головна причина сумнівів. Зовсім недавно про такий тип електричного ракетного двигуна можна було тільки мріяти.

На відміну від всіх інших типів ракетних двигунів, тут прискорення має досягатися за рахунок спрямованого мікрохвильового випромінювання. Про те, що електромагнітні хвилі створюють тиск, було відомо ще з часів Максвелла, проте опис принципів роботи EmDrive викликає безліч питань.

Образно кажучи, такий двигун схожий на мікрохвильовку, до якої додали резонуючі порожнина у вигляді замкнутого усіченого конуса. За ідеєю, що випромінюються мікрохвилі чинять тиск на внутрішню порожнину, яка не компенсується тільки в одному напрямку. Так (на думку пані Цзюань) у EmDrive виникає реактивна тяга.

Прототип електромагнітного двигуна EmDrive (фото: Yang Juan)

На жаль, такий принцип роботи EmDrive викликає безліч сумнівів і нагадує сумний досвід установки експериментального "рушія без викиду реактивної маси" на супутник "Ювілейний" в 2008 році.

Радує те, що EmDrive хоча б не відноситься до горезвісних інерціоідам - ​​типу пристроїв, працездатність яких без взаємодії із зовнішнім середовищем неможлива. Сумніви стосуються і більшості заявлених характеристик. Крім того що в порівнянні з кращими іонними двигунами EmDrive обіцяє забезпечити більший термін служби, декларується приблизно в десять разів менша маса при тій же потужності і більшої (720 мН) тязі. Детальніше про історію розробки EmDrive дивіться статтю Євгенія Золотова.

Схема електромагнітного двигуна (зображення: peswiki.com)

При дослідженнях далекого космосу енергію для EmDrive, швидше за все, будуть виробляти звичні модулі РІТЕГ. У внутрішній області Сонячної системи (умовно - до головного поясу астероїдів) можна обмежитися сонячними батареями. Термін автономної роботи КА з електромагнітним двигуном і сонячними батареями буде практично обмежений тільки зносом, так як у нього на борту немає витрачаються компонентів.