Какие двигатели используют в космосе

Космические двигатели будущего

Современные космические аппараты выводятся на орбиту или отправляются к другим планетам с помощью химических двигателей, технология которых со времён первой немецкой ракеты «Фау-2» 40-х годов ничем не изменилась. Конечно, с такой технологией осваивать Солнечную систему, а в будущем дальний Космос просто бессмысленно. Какие перспективные двигатели заменят хоть и надёжную, но уже устаревшую технологию?

1. Коротко о химических двигателях

Другое название, жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Они работают по принципу отдачи или закона сохранения импульса. Смесь горючего с окислителем, чаще всего связка керосин-кислород, нагревается до высоких температур. Мощное пламя вырывается из сопла ракеты, придавая импульс ракете, направленный в противоположную сторону.

То есть создаётся тяга с постепенным увеличением скорости и быстрым расходом массы самой ракеты. Только чтобы вывести космический аппарат хотя бы на низкую околоземную орбиту, доставляется 4% всей ракеты, остальные 96% (топливо) сгорают. Очень низкий КПД.

2. Детонационные двигатели

Их ещё называют импульсными двигателями. Здесь уже более современный тип, модификация обычного химического двигателя. Топливо используется такое же, но вместо плавного горения происходят взрывные процессы паров керосина. Ударные волны вылетают из сопла ракеты со скоростью 2,5 км/сек, создавая тягу.

Эффективность импульсных двигателей по сравнению с химическими на 25% выше. В августе 2016 года российская НПО «Энергомаш» впервые успешно испытала импульсный двигатель на стенде. Но у таких двигателей присутствует значительный недостаток: если обычный химический двигатель спокойно отрывает с поверхности Земли ракету массой 200 тонн, то импульсный сможет максимум 4 тонны .

Импульсные двигатели полезны будут на самих космических аппаратах для коррекции направления к небесным объектам. Для освоения Космоса понадобится другой тип двигателя.

3. Ионные двигатели

В настоящее время, уже используются ионные двигатели на космических аппаратах: Артемис, Дон . Первый ионный двигатель запущен ещё в 1964 году на космическом советском аппарате «Зонд-2» .

Принцип работы в следующем, вместо горючего используется инертный газ ксенон или аргон. В спецкамере газ ионизируется под воздействием электрического заряда солнечных батарей. Инертный газ вылетает через отверстия наружу с громадной скоростью 200 км/сек .

Минус по сравнению с химическими двигателями: создаваемая тяга в 100 тысяч раз ниже. Плюс: газ может расходоваться не 3 минуты, а 10 лет. Космический аппарат может годами ускоряться, достигая астероидов, планет и спутников.

Ионные двигатели полезны при смене траектории движения аппарата, при работе в межпланетном режиме. Только чем дальше от Солнца, тем солнечные батареи получают меньше энергии. Соответственно, путь к дальнему Космосу не представляется возможным.

4. Двигатели на ядерной энергодвигательной установке (ЯЭДУ)

Прорывная технология, в конструкции которой будут использоваться ядерный реактор, для преобразования тепловой энергии в электрическую, и ионные двигатели. Газ (ксенон) будет ионизироваться под воздействием образовавшейся электрической энергии от ядерного реактора.

В связи с этим отпадает потребность в солнечных батареях. Установка работает в автономном режиме

10 лет . Чтобы добраться до Марса, достаточно 45 дней вместо 8-месячного полёта на обычном химическом двигателе. Теоретически корабль сможет разогнаться до 25%-й световой скорости, что доставит корабль до ближайшей звезды Альфа Центавра за 13 лет.

Запуск первого корабля состоится в ближайшие 10 лет.

5. Двигатели на антиматерии

Самые передовая технология. В 21 веке вряд ли появится. Смысл в следующем, в природе помимо частиц существуют античастицы. Например, для электрона позитрон, которые похожи, но отличаются зарядами. Если их соединить, то они аннигилируются (уничтожаются полностью), при этом выделяется максимально возможная энергия.

Читайте также:  Какое масло лить в двигатель вортекс тинго

Соответственно, КПД на таких двигателях будет 100%. У двигателей такого типа 2 недостатка:

  • самый дорогой материал: 1 грамм антиводорода стоит 62,5 триллиона долларов ;
  • энергия при вылете из сопла ракеты будет настолько высокой, что любая конструкция разлетится вдребезги.

Заключение

Будущее развития Космоса за ЯЭДУ. В России проект успешно развивается, но это тема отдельной статьи. Илон Маск планирует в 2031 году отправить первых людей на Марс на обычном химическом двигателе с полётом в один конец без возможности возвращения назад. Такая технология непродуктивна.

Понравилась статья, подписывайтесь на канал, ставьте лайк, делитесь информацией в социальных сетях. Дальше будет интереснее!

Источник

Испытания двигателя будущего завершены. Роскосмос празднует успех

На днях в одной из статей я писал про то, что Роскосмос успешно реализует работы над одним из самых амбициозных космических проектов в истории космонавтики.

Все в этом космическом кораблей революционно. Впервые, в качестве источника энергии для космического аппарата будет использоваться ядерный реактор мегаваттного класса , а в качестве двигательной установки будут использоваться тяжелые электрические ионные двигатели.

В комментариях многие читатели спрашивают, мол как же космический двигатель может работать на электричестве и создавать реактивную тягу в вакууме?

Все просто, никакого нарушения физики или магии.

В качестве рабочего тела выступает газ, обычно это аргон или водород. Под действием электростатического поля, газ ионизируется и благодаря высокому отношению заряда к массе, его ионы разгоняются и создают тягу.

Но раз нам все равно необходимо использовать газ в качестве рабочего тела, то для чего тогда нужны эти сложности?

Секрет заключается в очень большом удельном импульсе. Гипотетически такой двигатель способен разогнать корабль до 210 км/c тогда, как максимальная скорость рабочего тела химических двигателях обычных ракет не превышает 5 км/c ., что означет, что использование таких двигателей дает почти 100 кратное преимущество в скорости.

что использование таких двигателей дает почти 100 кратное преимущество в скорости. ., что значит что использование таких двигателей дает почти 100 кратное преимущество в скорости.

При этом, в отличие от химического двигателя, электрический расходует рабочее тело/топливо крайне экономно. Например, американский DAWN потратил всего 410 кг. аргона, чтобы достичь скорости в

40 000 км/ч . При этом, двигатель дает тягу очень равномерно, разгоняя аппарат на всей траектории полета.

И вот тут кроется самый интересный вопрос, если такие двигатели уже созданы, то в чем же инновации?

Дело в том, что все ранее испытанные и реализованные двигатели использовались на малых аппаратах и имели малый объем. Питались они либо за счет РИТЭГов , либо за счет солнечных панелей, т.е. тех источников питания, которые не могут дать много энергии, а следовательно и размеры таких движков были невелики.

Поскольку Роскосмос сообщает о расчетной массе нового комического корабля в районе 30 тонн, то и двигатели ему требуются тоже очень большие.

С этой целью были разработаны тяжелые ионные двигатели, аналогов, которых ранее не было.

Судите сами, если исследовательский аппарат NASA «DAWN» оснащен двигателями с 19-92 мН тяги, то отечественный ИД-500 имеет тягу 375750 мН, а в перспективной модификации новое поколение двигателя ВЧИД-45 будет развивать тягу в 1,8Н , что позволит успешно реализовывать проекты по колонизации дальнего космоса и Марса. Мощность ядерного реактора позволит установить не менее 30 таких двигателей на одном кораблей.

Создать такой двигатель оказалось не просто. Дело в том, что с масштабированием такого устройства и увеличением тяги, существенно возрастает износ ионной оптики и многократное увеличение расхода рабочего тела. Все эти проблемы и удалось решить нашим ученым.

Читайте также:  Если недостаточное давления масла двигатель заведется или нет

Как отметил один из читателей, все это больше похоже на строчки из научной фантастике, однако это правда, двигатели существуют, реактор испытан, программа приоритетна и возможно, что в ближайшие 1015 лет, Россия снова проложит дорогу для всего мира к дальнему освоению космоса.

Дорогие друзья, нам очень важна ваша поддержка- подписывайтесь на канал, ставьте палец вверх. Вам не сложно, а нам приятно.

Источник

Какие ракетные двигатели будущего для освоения Солнечной системы создаются уже сегодня?

Наша Солнечная система богата всевозможными ресурсами, способными обеспечить человеческую цивилизацию на десятки тысяч лет, а может быть, и больше. Планы по освоению Солнечной системы серьёзно обсуждаются на самом высоком уровне. Так, президент США Дональд Трамп даже подписал соответствующий указ о начале коммерциализации космического пространства.

Лететь к другим звёздам — это очень заманчиво, но для начала давайте хотя бы отправим человека на Марс, Титан (спутник Сатурна). Давайте доберёмся до пояса Койпера и проверим, существует ли облако Оорта.

Вот на этом мы сегодня и остановимся. Так как ближайшая перспектива – это не полёты к другим звёздам, а освоение Солнечной системы.

На что способны существующие ракетные двигатели? Какое время потребуется на то, чтобы покорить с помощью них Солнечную систему?

Если учитывать опыт путешествий космических зондов, то их скорость совсем невелика по меркам космического пространства, но стоит принимать во внимание их малое энергопотребление, отсутствие систем жизнеобеспечения и т.п., так как они являются беспилотниками.

Но всё равно, учитывая скорость современных космических аппаратов, за 4-5 месяцев можно долететь до Венеры, а за 5-6 — до Меркурия. С Марсом уже сложнее — до него лететь от полугода до 9 месяцев, и это при самом близком орбитальном сближении с Землёй. Если сближение не учитывать, то путешествие может занять до двух лет. До пояса астероидов между Марсом и Юпитером, который является богатым источником ресурсов, лететь придётся около 2-3 лет. До Юпитера лететь почти 5 лет, до Сатурна — почти 7 лет, к Урану — 9 лет, к Нептуну — 11 лет. К Плутону аппарат «Новые горизонты» целенаправленно летел 9,5 лет. Пояс Койпера тот же аппарат достиг спустя 13 лет. Для подтверждения существования облака Оорта придётся проделать путешествие длительностью 3-5 тысяч лет. А чтобы преодолеть сферу Хилла, которая определяет гравитационную границу Солнечной системы, придётся лететь около 10 тысяч лет. Ну и до ближайшей к нам звезды «Проксима Центавра» лететь 20-80 тысяч лет.

Понятное дело, что никакой коммерческой выгоды от освоения Солнечной системы без применения новых технологий перемещения в космосе мы не получим.

На сегодняшний день разрабатывается несколько проектов, направленных на значительное сокращение времени полёта до любого объекта Солнечной системы. И в основе этих проектов лежит реактивная тяга.

В отсутствие точки опоры в космосе, передвижение там представляется проблематичным, так как мы не можем, как на Земле, отталкиваться от суши, воды, или воздуха. Своеобразную точку опоры для движения в космосе нужно создавать принудительно.

Уже сегодня ракетные двигатели работают на максимальном пределе прочности современных материалов, и сколь-нибудь существенно увеличить их эффективность не получится (всё, на что мы можем ещё рассчитывать — это 1-3%). Далее наступает физический предел.

Есть надежны на детонационные каретные двигатели, но там есть свои большие нерешенные проблемы.

Так что удел таких двигателей – это вывод на орбиту полезного груза, полёты до Луны и, может быть, до Марса.

Следующие используемые двигатели в космосе являются тоже реактивными, но реактивная тяга непосредственно создаётся электричеством.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД) — это целый класс реактивных двигателей, которые впервые использовали в 1964 году на советском межпланетном космическом аппарате «Зонд-2» в его системе ориентации.

Читайте также:  Какие документы нужны при замене двигателя на машину

Источник

Типы космических двигателей: как работают ракеты и что ждёт их в будущем?

Человек — самый распространённый вид на Земле помимо микробов. Дело не в количестве, а в том, что мы повсюду. Мы покорили сушу, океаны и теперь рвёмся в космос. Всего 70 лет ракетостроения привели нас к полётам на Луну и Марс, а впереди ещё много всего интересного! Но на чём же нам лететь в космос?

Можно выделить несколько типов двигателей, которые используются или будут использоваться в космосе.

Топливный

Является одной из первых концепций, устанавливаемых на космические корабли. Для своей работы ему необходимо большое количество сжатого газа, что несомненно тратит множество ресурсов. А потому его использование является самым затратным.

Все работает просто: топливная установка постоянно выбрасывает большое количество сжатого воздуха либо газа в специальное сопло. При этом выделяется тепловая энергия, которая переходит в кинетическую. После отрыва от земли и набора необходимой высоты отработанный блок просто отбрасывается от системы, и корабль летит дальше. Этот процесс подчиняется закону физики о сохранении импульса и является следствием из него. К сожалению, устройство является невыгодным с экономической точки зрения. Но на данный момент это всё, что у нас есть.

Далее пойдут типы двигателей, лишь проходящие тестирование. Возможно, скоро мы увидим их в работе.

Ядерный

Сегодня, существует несколько типов ЯРД. В далеком СССР вопросом разработки устройства были озадачены Курчатов и Келдыш. А благодаря полноценной поддержке к ним на подмогу были подключены десятки исследовательских и конструкторских бюро, со всей страны.

Принцип действия устройства необычайно прост: рабочее тело (водород) попадает в рабочую зону реактора, где и происходит деление атомов радиоактивного элемента, к примеру, урана. Этот процесс сопровождается выделением тепловой энергии, которая благодаря специальной системе передается водороду. Рабочее тело быстро набирает требуемую температу и направляется в специальное сопло. Данный процесс создаёт реактивную тягу, позволяя кораблю лететь в космическом пространстве.

Ионный

Такой двигатель пользуется спросом среди исследователей всего мира. При разогреве плазмы либо ионизированного газа выделяется большое количество энергии, которое после направления в специальное сопло способно поднять космический корабль в космос.

LISA Pathfinder (ЕКА) начала применять подобные установки в качестве вспомогательных устройств на своих кораблях. Ионный двигатель помогает наилучшим образом регулировать положение корабля в пространстве. Так, Меркурианская миссия стала настоящим испытанием сразу для 4х двигателей, установленных на искусственном спутнике.

Солнечный парус

Такое устройство разрабатывалась еще в СССР и было установлено на «Прогресс М15». Проект носил название «Знамя-2». Принцип действия паруса прост: он способен использовать солнечную энергию в собственных целях, а именно давление солнечного света или лазеров на зеркальную поверхность.

Данный эффект позволяет перемещать космический корабль без двигателя и затрат топлива. В дальнейшем подобная установка поможет сэкономить множество ресурсов, ведь позволяет перемещать корабль в пространстве практически неограниченное количество времени. Единственной проблемой, с которой столкнулись ученые, это слабая тяга, а потому использование опытных образцов ограничивается лабораторными исследованиями. И действительно: чтобы сдвинуть в условиях невесомости корабль весом десятки тонн, потребуется солнечный парус диаметром в пару километров!

Покорение космоса длится не один десяток лет, ведь десятки тысяч ученых работают не покладая рук. Однако большинство разработок так и остаются в лабораториях. Малое финансирование, невозможность перенести полученные результаты в реальные условия или недоработки не дают технологии показать себя. Остаётся лишь ждать и надеяться, что мы всё же сможем вырваться в космос, причём наименее затратным способом.

Понравилась статья? Ставь палец вверх и подписывайся на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, медицина, технологии,изобретения и многое другое! Объясняю сложные вещи просто и понятно 🙂

Источник

Adblock
detector