Топ 10 концептуальних двигунів космічних кораблів
Запуск корабля в космос – дорогий і млявий процес дивної науки і техніки. В основному, нам потрібні ракети, екстремальні двигуни, які викидають високошвидкісні вихлопні гази для генерації тяги. Їх експлуатація є технологічним дивом за стандартами минулого століття, але основи досить прості. При підвищеному тиску запалювач запускає вибух палива всередині камери згоряння разом із джерелом кисню (зазвичай рідини). Отримана рідина витікає з кінця сопла у вигляді реакційної маси.
На відміну від повітряно-дихаючих струменів, ракети не можуть пропускати атмосферні гази, щоб викликати рух, оскільки на орбітальних висотах атмосфера стає занадто тонкою. Отже, ракетний двигун повинен рухати власну вихлопну рідину, щоб отримати тягу. Виглядає просто, але технічні проблеми, пов'язані з проектом, побудовою, складанням та випробуванням експлуатаційних космічних кораблів, здешевлюють бюджет будь-якого запуску satcom.
Очевидно, подолання гравітації Землі та досягнення космічного простору є межею для нинішніх хімічних ракет, які використовують екзотермічну реакцію як рушійну силу. На щастя, прикладна наука – це менше питання боротьби з фізикою, ніж з’ясування того, як зробити так, щоб її закони працювали сприятливо. Ось 10 концепцій приводів космічних кораблів, які можуть розширити кругозір людства.
10 Синергетичний турбореактивний двигун
Одним із методів побудови більш дешевих космічних кораблів може бути одностадійний на орбіту (SSTO), концептуальна рушійна система, яка не покладається на обладнання для виведення з ладу для досягнення висоти орбіти. Він використовував би атмосферне повітря під час запуску, щоб живити реакцію горіння двигуна, що дозволить уникнути додаткового окислювача і, отже, зменшити вагу.
За такою пропозицією британська компанія Reaction Engines Limited (REL) спроектувала свій космічний літак Skylon для експлуатації за допомогою SABER, концепції повітряно-дихального двигуна. Щоб розраховувати лише на власне внутрішнє обладнання, щоб отримати тягу, SABRE зможе перемикатися між двома режимами роботи – типовим турбореактивним двигуном, що спирається на атмосферне повітря для подачі внутрішнього згоряння, та звичайним ракетним двигуном, що використовує подачу рідкого кисню.
REL оприлюднив пропозицію про пілотоване подорож до Марса, в якому космічний корабель Skylon буде використовуватися для побудови кораблів місії на орбіті.
9 Теплова ядерна ракета
Росатом, російська державна корпорація, яка управляє внутрішніми ядерними справами, будує ракетний двигун, на який потрібно всього 45 днів, щоб перейти від Землі до Марса (проти нинішніх 18 місяців). Така технологія буде схожа на ядерно-теплові ракети (НТР) URSS, розроблені під час холодної війни. Усередині бортового реактора енергія, що виділяється від розщеплюючих атомів, перегріває робочу рідину, створюючи високий тиск, а отже і тягу, подібно до реакцій горіння пального в хімічній ракеті. Завдяки енергетичній щільності ядерного палива двигуни NTR важать менше і мають низький рівень споживання.
Аналогічним чином, НАСА відновило свій проект NTR через 40 років після закриття програми NERVA, але космічне агентство також розглядає більш широкий спектр можливостей, пов'язаних з ядерною енергетикою, таких як ракети, керовані термоядерним синтезом, та ядерні лампочки.
8 Тепловий привід антиматерії
Кожна фізична речовина у Всесвіті складається з речовини; речовина складається з частинок, і для кожної частинки існує темний близнюк – античастинка. Античастинка має всі риси відповідника, крім протилежного заряду. Коли обидва близнюки взаємодіють, вони знищують один одного і виділяють при цьому енергію, багато енергії. Вчені NASA хочуть використати цю силу для підвищення ракетних двигунів у епоху міжзоряних подорожей.
Подібно до НТР, знищення антиматерії нагріває робочу рідину, створюючи тягу, але з паливною ефективністю, експоненційно більшою. Для досягнення Марса достатньо 100 міліграмів антиматерії, тоді як хімічній ракеті для пілотованої місії знадобиться тонна ракетного палива. Дослідники хочуть навіть фінансувати корабель антиматерії на Kickstarter.
7 Ядерний імпульсний привід
А як щодо подорожі до Альфа Центавра, який скидає атомні бомби на шляху до руху свого космічного корабля? Рух ядерним імпульсом може бути найбільш здійсненним шляхом до міжзоряного подорожі. Розпочатий у 1958 році як підприємство DARPA, проект "Оріон" прагнув побудувати справжній космічно-оперний корабель – конструкцію підводного човна, 200 членів екіпажу, тисячі тонн злітної ваги – і вивести його на орбіту за допомогою ядерного імпульсного рушія. Все життєздатне, теоретично та технічно.
Двигун "Оріон" міг виробляти мегатони тяги, спрямовуючи невеликі ядерні вибухи на масивну сталеву пластину, приєднану до космічного корабля амортизаторами, але політичні питання та бюджет виявилися проблемами гіршими, ніж механічні перешкоди. Проект "Оріон" був закритий у 1965 році після кількох досягнень, однак подібні концепції, такі як космічний корабель "Медуза" та рушійний механізм антиматерії, все ще досліджуються.
6 Мікропропульсія наночастинок
Електричний зарядками метальних молекули, а потім підвищення їх з допомогою магнітних полів, є надзвичайно ефективним способом для приведення в рух космічного апарату, незважаючи на крихітний імпульсі сили, іонні двигуни мають множинні рази більше енергії, ніж хімічні ракети і в кінцевому рахунку відповідати екзотермічного Propulsion в довгостроковій перспективі. До речі, саме та система рухала космічні кораблі Dawn до Вести та Церери.
Фінансуваний Управлінням наукових досліджень ВПС, Мічиганський університет розробляє експериментальний іонний рушій під назвою NanoFET. Двигун буде запускати трильйони наночастинок ракетного палива через наноелектромеханічні системи, відкриваючи концепцію двигуна на чіпі, яка може рухати мініатюризовані супутники завтра. Сітки модулів NanoFET можна гнучко адаптувати та нарощувати відповідно до різних конструкцій та інженерних потреб.
5 Q-рушій
Ракети виганяють паливо (дію), щоб отримати тягу (реакцію) відповідно до третього закону Ньютона, але що, якщо привід може порушити це основне правило природи? Британський аерокосмічний інженер Роджер Шойєр вважав, що це цілком можливо, коли в 1999 році він запропонував безреакційний двигун, який називався радіочастотним резонансно-порожнистим рушієм або просто EmDrive (електромагнітний привід). EmDrive відбивав би мікрохвилі всередині конуса, створюючи тягу до вузького кінця. Експеримент породив суперечки в науковому співтоваристві навіть після того, як китайські, німецькі та дослідники NASA відтворили процедури Шойєра з позитивними результатами.
Те, як саме працює EmDrives, залишається на межі фізики. Теорія квантових коливань говорить, що вакуум шипиться з енергетичними частинками, що вискакують і виходять з реальності. Взаємодіючи з цими частинками через мікрохвилі, можна було б отримати судно, щоб отримати судно.
EmDrive створив цілком нову концепцію ракетних двигунів, відому як квантові вакуумні рушії (Q-рушії).
4 Фотонний лазерний рушій
Молодий К. Бе – доктор філософії Доктор фізик, засновник YK Bae Corp – зусилля, присвячене дослідженню "зелених" технологій у галузі енергетики та космічних подорожей. Патенти Bae включають фотонні залізниці, новий молекулярний клас та Photonic Laser Thruster (PLT). Бе вивчав PLT за фінансування НАСА і зміг розробити концепцію космічного водія, який не потребував би перевезення паливних баків. Натомість PLT отримає свою тягу від лазерів, що вистрілюють космічний корабель. Оскільки вакуум без тертя, судно, кероване PLT, стабільно набирало б обертів, щоб пройти відстань до Марса за лічені дні.
Розвиток технології Directed Energy буде мати вирішальне значення для доставки багатомегаватних лазерних променів, здатних проштовхувати космічний корабель у космічний простір, забезпечуючи архітектуру без важких компонентів, таких як паливо та основні джерела живлення.
3 космічний пусковий пристрій Coilgun
Письменники наукової фантастики, такі як Артур К. Кларк та Роберт Хайнлайн, десятиліттями розраховували на електромагнітні катапульти як на сюжетні пристрої. Навіть сьогодні магнітне прискорення корисного навантаження на сотні миль над Землею може здатися чистою науковою фантастикою, і все ж такі вчені, як доктор Джеймс Пауелл і доктор Гордон Денбі, вважають, що це буде частиною майбутнього космічних подорожей. Пауелл і Денбі спільно винайшли надпровідний маглев (магнітну підвіску), що дозволило розробляти поточні поїзди ЕМ, і тепер вони хочуть застосувати цю технологію в космічних подорожах через свій проект Startram.
У баченні Пауелла і Денбі, котушки створювали б сильне магнітне поле для проштовхування космічного корабля або корисного навантаження на високій швидкості через кілометри залізниці, подібно до того, що відбувається з проектом спіралі. Щоб досягти достатнього імпульсу, траса матиме довжину кілька миль і коштуватиме десятки мільярдів доларів, але – на думку її винахідників – це невелика ціна, яку потрібно заплатити за майбутнє.
2 Зоряний вітряк
Сонце, як і будь-яка інша зірка, постійно виливає заряджені частинки – справжній шторм швидкісних протонів та електронів. Такий радіаційний тиск може штовхати магнітне поле і створювати тягу.
Після десятиліття космічного блукання космічний корабель "сунджамер" зможе перетнути далекі межі нашої Сонячної системи, не витрачаючи витрат палива, маневруючи в екзопланетарних магнітних та гравітаційних полях для калібрування своєї траєкторії. Напрямок тяги можна було регулювати, змінюючи вітрило відповідно до сонячного вітру.
Оскільки рушійна сила буде залежати від розміру магнітного поля, сонячному вітрилу знадобляться сотні метрів і кілометри надпровідного матеріалу, щоб створити своє магнітне поле, що нагадує циклопічні петлі дроту замість полотна навігаційного віку.
НАСА планує запустити сонячний вітрило в 2018 році під час обстеження розвідника астероїдів.
1 Alcubierre Drive
Рівняння поля Ейнштейна стверджують, що енергія і речовина можуть вигинати просторово-часову сітку реальності. Вражаючи, розтягуючи тканину простору за кораблем і стискаючи простір перед ним, можна досягти очевидних подорожей FTL (швидше, ніж світло). Звичайно, це буде космічний рух, а не корабель, як гра прокрутки, тому жоден релятивістський закон не буде порушений. Їдучи на деформаційній бульбашці космічно-часових хвиль, наш корабель може досягати швидкостей на багато порядків більших, ніж швидкість світла. Ми могли б навіть відправитися на Марс менш ніж за секунду, але я думаю, що уповільнення було б проблемою!
Привід Alcubierre або просто варп диск був запропонований мексиканський фізик Мігель Алькубіерре як рішення рівнянь поля Ейнштейна, в якому говориться, що енергія і матерія може викривляти простір – сітка. Використовуючи поле з масою менше нуля, привід основи призведе до того, що тканина космосу буде крутитися і прокручуватися.