Но мы сейчас о реальности. А здесь, увы, альтернатив ракетам с химическими двигателями нет.
Концепт очень прост: есть большая ракета, битком набитая топливом, и есть маленький кораблик, который доставляется на орбиту с помощью этой ракеты. Основной принцип не менялся с 1957 года, единственное критически важное обновлениеэто появление многоразовых первых ступеней.
Как происходит запуск? Лучше один раз увидеть, чем миллиард раз прочитать, так что так что просто зайдите на ютуб и посмотрите запись запуска одной из ракет SpaceX: https://www.youtube.com/watch?v=mp0TW8vkCLg
Несложно увидеть, что орбиты ракета достигает всего за несколько минут. Ступени, израсходовавшие топливо, отделяются, чтобы облегчить всю системув авиации и космонавтике важен каждый грамм. В результате из многотонной ракеты вершины достигает лишь небольшая часть, всё остальноеэто топливо и конструкции первых ступеней.
Насколько это эффективно экономически? Это зависит от ракеты, широты расположения космодрома (оптимальнаяэкватор), много от чего. Вот краткая сравнительная таблица (вывод на низкую околоземную орбиту):
Тут нужно кое-что пояснить. Да, запуск тяжёлой ракеты эффективнее в плане удельной цены. Зато общая стоимость запуска Electron предполагается в районе 5 миллионов долларов, а Фалькона60. Почувствуйте разницу: это примерно как грузовое такси-газелька и фура. Вторая, конечно, эффективнее, но если вам надо отвезти один-единственный холодильник, вы только зря потратите кучу денег.
И хотя из КПД жидкостного реактивного двигателя уже выжали все соки, отрасль всё равно развивается. Например, сейчас идёт постепенный переход от одноразовых ракет к многоразовым«Фальконы» уже летали на использованных первых ступенях, что значительно удешевляет запуск. И есть ещё такие штуки, как космопланы и космолёты.
Самый банальный пример«Спейс Шаттл». Сейчас модно рассуждать о том, что программа шаттлов себя не оправдала, что деньги вылетели в трубу и так далее, но, вообще говоря, это не совсем верно. Да, полёты обходились куда дороже запуска обычного беспилотного корабля ($775 000 000) но зато шаттлы могли полноценно маневрировать на орбите, выводить туда целую команду космонавтов и выполнять задачи, которые были не под силу ни одному другому кораблю. Например, обслуживать «Хаббл». Поэтому неудивительно, что интерес к ним не угас и, хотя шаттлы отлетали своё, разрабатываются новые проекты.
Суть космоплана простаэто такой же корабль, взлетающий с помощью ракеты-носителя, но при этом способный лететь и сам. Обратно он возвращается как обычный самолёт, что является ещё одним преимуществом космопланаон способен не только взять груз на орбиту, но и аккуратно его оттуда снять, что особенно важно, если мы говорим о бренных тушках космонавтов. В смысле, они могут спуститься и в капсулах, но это создаёт кучу проблем. Спускаться на шаттле как-то удобнее.
Суровый, брутальный, жестокий X-37.
Из современных подобных проектов, которые подают хоть какие-то признаки жизни, можно назвать Dream Chaser и X-37. Первый должен совершить реальный полёт с грузом в 2020, второй уже слетал пять раз и вроде бы успешно, но это не грузовой корабль, а летающая лаборатория, фактически многоразовый исследовательский спутник. О стоимости коммерческих запусков говорить пока не приходится.
Dream Chaser.
Ну а космолётэто то же самое, только без ракеты-носителя. Взлетелполетал на орбитеспустился. К сожалению, ни один из проектов пока реализован не был, но разработки ведутся. Конечно может показаться, что космолёт не мене фантастичен, чем аппарат с лазерным двигателем или космический лифт, но это не совсем верно. Он лишь требует нового типа двигателя. Таким вполне может выступить штука под названием Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE), в своей фантастике я перевожу это как «синергетический двигатель». Разрабатывался он именно для доставки груза на орбиту без промежуточных ступеней. В качестве рабочего тела SABRE использует обычный воздух, по сути являясь комбинацией турбокомпрессора с охлаждающей установкой, которая на высоких скоростях охлаждает поступающий извне раскалённый воздух и воспламеняет его в камере сгорания вместе с жидким водородом. После достижения верхних слоёв атмосферы он переключается на безвоздушный режим. Для гиперзвуковых аппаратов, способных домчать вас за пару часов из Лондона в Лос-Анджелес, или для упоминавшихся выше космолётов на сегодня это буквально луч света в тёмном царстве.
SABRE в разрезе.
В целом, однако, перспективы печальные. Из совсем уж фантастических проектов ни один не находится даже в стадии разработкитолько концепты. Остальныеразве что прототипы, успешных запусков не продемонстрировал пока ни один. Именно поэтому, например, в моей НФ-вселенной люди по-прежнему летают на пусть усовершенствованных, но по-прежнему тех же самых химических ракетных двигателях: лично я считаю, что альтернативы им не будет ещё очень, очень, очень долго. И не факт, что будет когда-либо вообще.
Как летать близко
Итак, вы сумели разорвать оковы тяготения, парите на орбите, любуетесь космосом и тут сволочь-капитан врывается в кабину пилота, орёт на вас трёхэтажным матом и требует немедленно запускать двигатели, потому что пассажиры, понимаешь, заплатили за круиз по всегалактически известным садам Альфа Центавры, а до них ещё долететь надо. Что делать? Только грустно пожать плечами, бросить взгляд на затянутую в облегающий костюмчик стюардессу и начать полёт.
В фантастике, понятное дело, вы домчите любителей цветочков до места очень быстро. А в реальности?
А реальность ну вы поняли.
Сначала давайте представим, что всегалактически известные сады Альфа Центавры расположены на Марсе, и летят наши туристы именно туда. Всё-таки долететь куда-то в пределах одной звёздной системы несколько проще, чем отправляться к другому солнцу.
Концептов именно космических двигателей, т. е. изначально предназначенных для перемещения в безвоздушном пространстве, на сегодня имеется немало, и, в отличие от предыдущей главы, тут дела всё-таки обстоят чуть получше: есть успешно испытанные прототипы, а кое-что даже имеет возможность выбраться за их пределы. Все эти интересные штуки, однако, не позволят долететь к Альфа Центаврено об этом позже.
Почему бы не использовать старый добрый химический двигатель, раз уж мы на нём взлетели? Тут надо сделать небольшое отступление в дебри теории. Любой ракетный двигатель характеризуется таким параметром, как удельный импульс. Честно говоря, его определение на википедии кажется лично мне на редкость таинственным для непосвящённого: какое-то там отношение количества движения к расходу топлива хотя это характерно для физики. Долой канцеляриты: удельный импульсэто показатель эффективности ракетного двигателя. Чем он выше, тем меньше топлива аппарат затратит на увеличение своей скорости. Замечу, это касается только расходаи больше ничего.
Традиционные химические двигатели на всяких нитрометанах и гидразинах очень мощны, но тратят на разгон очень много топлива. Это приемлемо, если мы хотим взлететь на орбиту, но для набора скорости вне еёуже не очень. Ракете попросту не хватит горючего, чтобы достичь высоких скоростей.
Тут-то и приходят на помощь новые разработки.
Электрический двигатель.
Как несложно (наверное) догадаться, это такой двигатель, который ускоряет ракету за счёт электроэнергии.
Однако в космосе это несколько сложнее, чем на земле, где можно поставить на машину асинхронный электродвигатель и не париться, используя для разгона сцепление колеса с дорогой, а крутящий момент получая с помощью вращающегося магнитного поля. В космосе единственным доступным способом остаётся реактивное движение, таким образом, общий принцип ракетного электрического двигателя построен на разгоне рабочего тела с помощью магнитного поля, получая таким образом ускорение.
Обычно в качестве топлива выступает ксенон: он ионизируется в специальной камере, после чего положительные ионы газа разгоняются, ускоряя корабль, а электроны утилизируются. Выглядит это приблизительно вот так: