Классификация двигателей зависит от того, переходит ли рабочее тело в состояние плазмы или нет, какое поле используется для разгона и так далее.
Электрические двигатели бесполезны для подъёма ракеты на орбиту. В перспективе они смогут достичь тяги в несколько ньютоновдля сравнения, тяга одного спейс-иксовского «Мерлина»730тысяч ньютонов, а один Falcon 9 поднимают девять таких «Мерлинов». Однако плазменный или ионный двигатель могут работать очень долго, тратя при этом крохи топлива, и когда ЖРД давно потухнет, они будут работать. И в конечном итоге разгонят корабль до куда более высоких скоростей.
Другими словами, упомянутые выше любители цветочков будут ждать целыми сутками, пока их лайнер разгонится до приличной скорости, а вы-пилот сможете спокойно пить кофе и обжиматься в кабине со стюардессойнапряжённых космических погонь не будет. Если представить, что ракета с ЖРД тягой 730 килоньютоновэто Ламборгини Диабло, разгоняющаяся с нуля до сотни за 4 секунды, то ракета с электрическим двигателемэто драндулет, достигающий той же сотни за 4 дня (собственно, у АМС «Dawn» примерно такое ускорение и было во время полёта). Само собой разумеется, что для мочилова в космосе, отчаянных манёвров и радиопередач в духе «АААА ВАСЯ ВРАГ У МЕНЯ НА ХВОСТЕ БДЫЩЬ БУ-БУХ» подобный способ передвижения не особо годится, хотя, к примеру, в Звёздных войнах на кораблях стоят именно ионные двигатели. И, естественно, к настоящим они имеют очень мало отношения, впрочем, то же самое можно сказать практически обо всём в мире франшизы.
Ионный двигатель.
Что у нас там в реальности? В реальности всё сложно. АМС «Dawn» поставила рекорд скорости, используя три ионных двигателя на ксеноне. Каждый двигатель обладал тягой менее 0,1 ньютона, но и весил всего 9 кг, а сам аппарат на стартечуть больше тонны. Разгонялся он несколько лет, имея на борту 425 кг ксенона. Однако технологии не стоят на месте: электрические двигатели сейчас активно развиваются, так что всё у них ещё впереди.
Пример очередного и пока крайнего шага в их развитииэто Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR), он же магнитоплазменный двигатель. Ионизация рабочего тела в нём производится с помощью радиоволн, после чего полученная плазма разгоняется электромагнитным полем. Плазма при этом не контактирует с конструкцией двигателя (а это увеличивает срок его службы на порядки), сам же двигатель способен выдавать тягу в десятки раз большую, чем ионный. Кроме того, вместо ксенона VASIMR использует гораздо более дешёвый и доступный аргон.
Что будет дальше? Трудно сказать. Лично я предполагаю создание гибридных двигателей с возможностью использовать как обычную химическую или ядерную тягу для сложных манёвров, в том числе и в термосфере, так и плазменный режим для штатного разгона в космосе. Скорее всего, никуда не денутся и гравитационные манёврыесли отправить наш лайнер на Нептун, будет очень удобно получить при случае дополнительный разгон у, например, Юпитера. Заодно и туристы насладятся видами гигантской планеты. Однако о регулярных рейсах в современных условиях говорить не приходится: чтобы уверенно летать хотя бы с Земли на Марс, пусть даже за полтора месяца, нужны гораздо более эффективные двигатели, чем VASIMR.
Впрочем, первые баллистические ракеты тоже были далеки от идеала.
А как насчёт фантастики? К сожалению, ионные двигатели там отсутствуют как класс. У некоторых писателей упоминаются плазменные, но с реальными образцами вроде VASIMR у них общего только слово «плазменный» в названии. Причина, на самом деле, очевидна: кораблям любой уважающей себя космооперы нужны мощные двигатели, чтобы истребители могли маневрировать вокруг авианосцев, уклоняться от ракет и взрывать звёзды смерти. Для всего этого ионный двигатель годится чуть менее чем никак. Примерно так же дело обстоит и в твёрдой НФ, где в центре сюжета обычно совсем другие вещи, а перемещение в космосевсего лишь костыль-обоснуй, и неважно, на чём там летает корабль, главное, что он прилетает с Земли на Марс за неделю или две, а лучше за пару дней.
Другими словами, медленный бережливый двигатель попросту непригоден для подавляющего большинства используемых в фантастике сюжетов.
Космические паруса.
У света есть своё собственное давлениеслабое, но всё же есть. Осознание этого факта привело людей к идее солнечного паруса, который работает так же, как и обычный, но вместо ветра использует солнечный свет.
Плюсы такого подхода очевидны. В первую очередь это халявасолнце светит всем и бесплатно. Во вторую э-э, в общем, на первом пункте плюсы заканчиваются и начинаются минусы.
Для начала это низкаянет, действительно низкаятяга. Если тяга ионного двигателя показалась вам до смешного маленькой, то вы просто ещё не видели солнечный парус: на земной орбите каждый метр полотна сообщает аппарату усилие в 9e-6 ньютон, т. е. 0,000009 ньютон. Соответственно, парус размером, скажем, 100 на 100 метров сообщит нашему лайнеру тягу в 0,09 ньютонав десять раз меньше, чем ионный двигатель.
Кроме того, ускоряться на этом парусе можно только в сторону от солнца (можно и в сторону, но потребуется зеркало). Кроме того, указанная выше значение тягиэто для земной орбиты, а дальше оно будет падать, причём не линейно, а по квадратичной зависимости (а это нивелирует единственный плюсна парусе нельзя ускоряться бесконечно). Кроме того, такой огромный парус надо ещё развернуть. Кроме того, из-за большой площади он становится уязвим для космического мусоракаждая песчинка будет пробивать это ультратонкое полотно, превращая его в решето. Кроме того
Ну, в общем, дальше продолжать, наверное, будет излишним. О солнечных парусах почитать можно у Кларка в рассказе «Солнечный ветер», они упоминались у Пьера Буля в «Планете обезьян», да и ещё много где. Реальность, увы
Так это выглядит на Земле.
Почему бы не использовать в качестве дополнительного движителя лазерный луч, хотя бы теоретически? Потому что лазер, к сожалению, имеет угол расхождения, хоть и небольшой. Когда корабль улетит на достаточное расстояние, связь пропадёт. От Солнца до пояса Койпера (как у Уоттса в «Ложной слепоте») дострельнуть лазером не получится, а если бы даже и получилось, возникает другая проблема: настройка и точность. Изменение угла на долю угловой секунды вызвало бы срыв корабля с лазерного «поводка», а учитывая, что свет идёт до Плутона девять часов, вернуть его обратно было бы затруднительно.
Ядерный двигатель.
Это тоже далеко не фантастический концептпервые разработки ЯРД появились ещё в 50-х годах. Суть ядерного двигателя очень простаесть ядерный реактор, есть рабочее тело (чаще всего старый добрый водород). Реактор нагревает рабочее тело, которое радостно устремляется в космос, разгоняя корабль. Вот так:
По сравнению с обычными ЖРД такой двигатель обладает значительно более высоким удельным импульсом и меньшей тягой (но повыше, чем у ионника), что делает его более эффективным в космосе, чем на земле. Лёгкие газы вроде водорода при той же энергии будут иметь более высокую скорость, чем тяжёлые продукты сгорания химического топлива.
Например, единственный советский ЯРД РД-0410 обладал тягой в 35,2 кН и удельным импульсом 9000 м/с, а американские NERVA333 кН и 8500 м/с (для сравнения, спейс-иксовские ЖРД «Мерлин»740 кН и 3000 м/с соответственно). Однако в ходе разработок возникло множество трудностей, в результате чего приоритет отдали жидкостным двигателям.
Сейчас пациент скорее мёртв, чем жив. Впрочем, в последнее время народ зашевелилсяи NASA, и Роскосмос возобновили разработки. Может, и не зря.
Ну а в фантастике ЯРД фигурирует достаточно редко, в основном в твёрдой НФ. Как правило, потому, что в космоопере либо вообще не заморачиваются упоминанием типа двигателей, либо летают на хреноптаниуме.
Термоядерные ракетные двигатели.
С описанием устройства тут посложнее, чем в предыдущих случаяхготовьтесь, гуманитарии. Впрочем, абстрактное математическое мышление для понимания не требуется, так что не отмажетесь.
Сначала что-нибудь попроще. Итак, вот схема открытой аксиально-симметричной ловушки: