The Conversation (Австралия): космическим кораблям нужно стать атомными, чтобы исследовать Солнечную систему и пространство за ее пределами

"Восток на орбите

Американский профессор рассказывает, почему атомные ракетные двигатели эффективнее химических. Поэтому именно они помогут исследовать Марс и всё, что за ним. Но он не задумывается над вопросом о том, хватит ли денег на разработку таких двигателей у НАСА, если ими занимается еще и Пентагон, а ему дают в первую очередь.

НАСА и Илон Маск мечтают о Марсе, и пилотируемые полеты в дальний космос скоро станут реальностью. Вы, наверное, удивитесь, но современные ракеты летают немногим быстрее ракет прошлого.

Быстрые космические корабли удобнее по целому ряду причин, и лучший способ ускориться — это ракеты с атомным двигателем. По сравнению с ракетами на обычном горючем топливе или современными электрическими ракетами на солнечной энергии у них масса преимуществ, но за последние 40 лет США запустили всего восемь ракет на ядерной тяге.

Однако в прошлом году законы насчет ядерных космических полетов изменились, и работа над ракетами следующего поколения уже началась.

Зачем нужна скорость?

На первом этапе любого полета в космос нужна ракета-носитель, — она выводит корабль на орбиту. Эти большие двигатели работают на горючем топливе — и обычно, если речь идет о запуске ракет, имеют в виду их. В ближайшее время они никуда не денутся — как и сила притяжения.

Но когда корабль попадает в космос, все становится интереснее. Чтобы преодолеть силу притяжения Земли и выйти в дальний космос, судну необходимо дополнительное ускорение. И тут-то в игру вступают ядерные системы. Если астронавты хотят исследовать нечто дальше Луны или тем более Марса, придется поторопиться. Космос огромен, и расстояния немаленькие.

Причины, почему быстрые ракеты лучше подходят для дальних космических полетов, две: безопасность и время.

По пути к Марсу астронавтам грозит очень высокий уровень радиации, чреватый серьезными проблемами со здоровьем вплоть до рака и бесплодия. Может помочь радиационная защита, но она чрезвычайно тяжелая, и чем дольше миссия, тем мощнее понадобится экранирование. Поэтому лучший способ снизить дозу облучения — просто добраться до точки назначения быстрее.

Но безопасность экипажа — не единственное преимущество. Чем более дальние полеты мы планируем, тем скорее нам нужны данные с беспилотных миссий. Аппарату «Вояджер-2» (Voyager-2) потребовалось 12 лет, чтобы добраться до Нептуна — и, пролетая мимо, он сделал несколько невероятных снимков. Будь у «Вояджера» двигатель мощнее, эти фотографии и данные появились бы у астрономов гораздо раньше.

Итак, скорость это преимущество. Но почему ядерные системы быстрее?

Сегодняшние системы

Преодолев силу земного притяжения, судну надо учитывать три важных аспекта.

Тяга — какое ускорение получит корабль.

Весовая эффективность — сколько тяги система может выдать для данного количества топлива.

Удельная энергоемкость — сколько энергии выделяет данное количество топлива.

Сегодня наиболее распространены химические двигатели — то есть обычные ракеты на горючем топливе и электрические ракеты на солнечных батареях.

Химические двигательные установки обеспечивают большую тягу, но не особенно эффективны, к тому же ракетное топливо не слишком энергоемкое. Доставившая астронавтов на Луну ракета «Сатурн-5» (Saturn 5) выдавала 35 миллионов ньютонов силы при взлете и несла 950 тысяч галлонов (4 318 787 литров) топлива. Бóльшая его часть ушла на то, чтобы вывести ракету на орбиту, поэтому ограничения очевидны: куда бы вы ни летели, потребуется масса тяжелого топлива.

Электрические двигательные установки выдают тягу, используя электричество от солнечных батарей. Самый распространенный способ этого достичь — использовать электрическое поле для ускорения ионов, например, как в холловском индукторном двигателе малой тяги. Эти устройства используются для питания спутников, и их весовая эффективность впятеро выше, чем у химических систем. Но тягу они при этом выдают гораздо меньшую — порядка 3 ньютонов. Этого хватает лишь на то, чтобы разогнать автомобиль с 0 до 100 километров в час примерно за два с половиной часа. Солнце — по сути бездонный источник энергии, но чем дальше судно от него отдаляется, тем меньше от него прока.

Одна из причин, почему атомные ракеты особенно многообещающи — это невероятная энергоемкость. Урановое топливо, используемое в ядерных реакторах, имеет энергоемкость в 4 миллиона раз выше, чем у гидразина, типичного химического ракетного топлива. А в космос гораздо проще доставить немного урана, чем сотни тысяч галлонов горючего топлива.

А как насчет тяги и весовой эффективности?

Два ядерных варианта

Для космических полетов инженеры разработали два основных типа ядерных систем.

Первый — термоядерный двигатель. Эти системы очень мощные и весьма эффективные. Они используют небольшой ядерный реактор деления — вроде тех, что ставятся на атомные подводные лодки, — для нагрева газа (например, водорода). Затем этот газ ускоряется через сопло ракеты для обеспечения тяги. Инженеры из НАСА подсчитали, что полет на Марс с использованием термоядерного двигателя будет на 20-25% быстрее, чем на ракете с химическим двигателем.

Термоядерные двигатели более чем вдвое эффективнее химических. Это означает, что они выдают вдвое бóльшую тягу при одинаковом количестве топлива — до 100 000 ньютонов тяги. Этого достаточно, чтобы разогнать автомобиль до скорости 100 километров в час примерно за четверть секунды.

Вторая система — ядерный электроракетный двигатель (ЯЭРД). Ни одного такого пока не создано, но замысел состоит в том, чтобы использовать мощный реактор деления для выработки электроэнергии, которая затем приведет в действие электрическую двигательную установку наподобие холловского двигателя. Это было бы очень эффективно — примерно втрое эффективнее термоядерного двигателя. Поскольку мощность у ядерного реактора огромная, то одновременно сможет работать несколько отдельных электрических двигателей, — и тяга получится солидная.

ЯЭРД — пожалуй, лучший выбор для чрезвычайно дальних миссий: они не требуют солнечной энергии, имеют очень высокую эффективность и обеспечивают относительно высокую тягу. Но при всей их перспективности у ЯЭРД еще немало технических проблем, которые придется решить перед вводом в эксплуатацию.

Почему ракет на ядерной тяге до сих пор нет?

Термоядерные двигатели изучаются с 1960-х годов, но в космос они пока не летали.

По уставу 1970-х годов каждый ядерный космический проект рассматривался отдельно и не мог идти дальше без одобрения ряда правительственных учреждений и самого президента. Вкупе с нехваткой финансирования для исследований ядерных ракетных систем, это помешало дальнейшему совершенствованию ядерных реакторов для использования в космосе.

Но все изменилось в августе 2019 года, когда администрация Трампа выпустила президентский меморандум. Настаивая на максимальной безопасности ядерных запусков, новая директива все же дозволяет ядерные миссии с малым количеством радиоактивного материала без сложного межведомственного одобрения. Достаточно подтверждения агентства-спонсора, например, НАСА, — что миссия соответствует рекомендациям по безопасности. Крупные же ядерные миссии проходят те же процедуры, что и прежде.

Наряду с этим пересмотром правил НАСА получило по бюджету 2019 года 100 миллионов долларов на развитие термоядерных двигателей. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США тоже разрабатывает термоядерный космический двигатель для операций национальной безопасности за пределами земной орбиты.

После 60 лет застоя не исключено, что ядерная ракета отправится в космос уже в течение десятилетия. Это невероятное достижение откроет новую эру освоения космоса. Человек отправится на Марс, а научные эксперименты приведут к новым открытиям по всей Солнечной системе и за ее пределами.

Йейн Бойд — профессор аэрокосмических технических наук Университета Колорадо в Боулдере

Источник ➝

КОНСЕРВАЦИЯ САМОЛЕТОВ...

Крупнейший кризис в истории авиации «приземлил» десятки авиакомпаний по всему миру. Однако знаете ли вы, что самолет нельзя просто так поставить в дальний угол аэродрома, правильная консервация — это продолжительный и трудоемкий процесс.

Посмотрим, как выглядят самолеты «на самоизоляции» или просто на консервацию самолетов...

00

Фотографии авиакомпании Brussels Airlines.

Флот Brussels Airlines состоит из 57 самолетов, деятельность авиакомпании приостановлена в середине марта, всего несколько самолетов в настоящий момент используется для репатриационных рейсов.

02

Аэропорт Брюсселя не предназначен для парковки такого количества самолетов одновременно, поэтому одну из рулежных дорожек пришлось освободить для хранения флота.

03

К примеру, только процедуры хранения одного Airbus A330 занимают около 400 человеко/часов, которые следуют инструкциям производителя — концерна Airbus, чтобы обеспечить безопасное хранение и минимизации расходов во время перезапуска лётной программы.

04

Все иллюминаторы закрыты и заклеены специальной лентой для предотвращения обесцвечивания отделки кресел и салона, шасси и двигатели обработаны специальным химическим составом и тщательно упакованы, чтобы предотвратить коррозию.

05

Можно подумать, что после парковки самолета больше ничего предпринимать не нужно, но на самом деле команды технического обслуживания ежедневно работают, чтобы поддерживать парк в отличной форме.

06

Например, каждый день колеса нужно слегка поворачивать, чтобы они не изнашивались под весом самолета, и каждую неделю необходимо проводить проверки технических параметров, считывая показатели специальным компьютером.

07

Сейчас 30 сотрудников из технического департамента работают полный рабочий день для выполнения всех этих задач.

08

09

10

11

12

13

14

15

16

Все кресла закрыты полиэтиленом, чтобы они оставались свежими и чистыми.

17

18

19

ссылка

Последний рывок: Китай обгоняет США в «лунной гонке»

Смогут ли тайконавты первыми высадиться на поверхность Луны

В мае 2020 года Китай осуществил запуск ракеты-носителя CZ-5B с новым многоразовым космическим кораблем. С помощью этого пилотируемого корабля КНР не только сможет доставлять космонавтов на новую орбитальную станцию, но и осуществить полет на Луну. После успешного завершения испытаний, по мнению некоторых экспертов, Китай стал ближе к высадке на Луну, чем США. «Известия» разбирались, почему так получилось.

Долгий старт Китая

Необъявленная «лунная гонка» между двумя самыми экономически мощными странами мира длится уже не первый год.

Инициировал соревнование Китай, сам того не зная. С 2004 года в КНР действует большая и многоэтапная программа исследований Луны, реализуемая CNSA (Китайским национальным космическим управлением). И если поначалу планы Китая вызывали в NASA лишь усмешку, то уже спустя десять лет ситуация коренным образом изменилась.

Первым этапом были полеты по окололунной орбите, ничего особо сложного с точки зрения опыта мировой космонавтики. Вторым, проводимым с 2013 по 2018 год, стала отработка мягкой посадки на поверхность естественного спутника земли. Два лунохода, две полностью удачные миссии. В настоящее время Китай работает над третьей фазой — автоматической доставкой грунта с Луны на Землю.

Можно возразить, что в этом нет ничего нового — советские автоматические станции «Луна» сделали это трижды почти полвека назад. В этом есть доля истины — Китай действительно сейчас похож на школьника, проболевшего весь учебный год и теперь срочно догоняющего лидеров класса.

«Шэньчжоу»

Космическая лаборатория «Тяньгун-2» и пилотируемый космический корабль «Шэньчжоу-11», 2016 год / Фото: Global Look Press via ZUMA Press/ Xinhua/Cas

Правда, как оказалось, это сравнение работает далеко не во всем. В пилотируемой космонавтике КНР показывает темпы развития, практически недоступные другим странам. В начале столетия Китай стал третьей страной в мире, запустившей человека в космос. Сделано это было при помощи космического корабля «Шэньчжоу», «до степени смешения» похожего на российский «Союз». Разве что размеры у него чуть больше, а потому внутри у тайконавтов гораздо больше свободного места.

Одновременно с проведением пилотируемых полетов Китай начал разрабатывать многомодульную орбитальную станцию и создавать перспективный космический корабль нового поколения. Спустя несколько лет появилась информация о начале работ над сверхтяжелой ракетой-носителем CZ-7 и впервые была озвучена дата возможной высадки на Луну — 2028 год.

https://iz.ru/video/embed/1005415

Ответный ход

Планы вновь высадиться на Луну в американской космонавтике существовали еще до того, как китайцы начали показывать серьезные успехи. Повторная посадка, после шести удачных полетов миссии «Аполлон», предполагалась в масштабной программе «Созвездие» (Constellation, 2004–2010), отмененной президентом Бараком Обамой.

Именно тогда, в 2005 году стартовала разработка пилотируемого космического корабля «Орион», главной задачей которого была именно доставка астронавтов на Луну и другие миссии в дальнем космосе. В то же время началось проектирование сверхтяжелой ракеты «Арес-5», специально для новой лунной миссии. Впоследствии, после закрытия «Созвездия», этот проект трансформировался в перспективную сверхтяжелую программу Space Launch System (SLS).

Разработка космического корабля «Орион» / Фото: Global Look Press/NASA

После прихода в Белый дом Дональда Трампа планы NASA поменялись в очередной раз. Основное внимание перешло к строительству лунной орбитальной станции. Предполагалось, что она станет своеобразным форпостом человечества перед началом покорения дальнего космоса. Создание станции шло своим чередом, постепенно меняясь и уточняясь, но в 2019 году США анонсировали новую дату прилунения. Согласно заявлению Майкла Пенса, посадка на Луну запланирована на 2024 год, на четыре года раньше китайцев.

NASA пришлось подвинуть программу лунной орбитальной станции. Изначально считалось, что высаживаться на Луну астронавты будут с нее, но затем всё снова переиграли. NASA чрезвычайно не хотело один в один повторять миссию «Аполлон», а потому предлагало более сложные варианты: высадка на Луну с недостроенной лунной орбитальной станции, затем стыковка с посадочным модулем на орбите.

Но необходимость успеть к назначенному сроку поставила крест на этих идеях. В ситуации глобальной нехватки времени современный вариант лунной миссии выглядит как полет астронавтов на космическом корабле «Орион», с прикрепленным к нему посадочным модулем, точно так же как и в миссии «Аполлон».

https://iz.ru/video/embed/895430

Подсчет

Необходимый минимум для осуществления лунной миссии — три элемента. Ракета-носитель для доставки космического корабля на орбиту Луны. Космический корабль, оснащенный большими запасами топлива и способный затормозить и безопасно вернуть астронавтов обратно. Посадочный модуль для мягкой посадки на поверхность Луны и возвращения астронавтов на орбиту в космический корабль. Плюс, «по мелочи»: скафандры для выхода на лунную поверхность и возможность обеспечения связи с Землей для удобного контроля миссии.

С ракетой и у США, и у Китая пока ничего не понятно. В Китае вообще выдают такую информацию очень скупо, а американцы «застряли» с производством ракеты SLS. Корпорация Boeing начала работу над ней в 2011 году и предполагала осуществить первый пуск еще в 2017-м. Увы, но пока SLS всё еще не готова. Сроки постоянно сдвигаются, проверки выясняют всё новые проблемы с производством: то некачественная сварка баков, то еще что-нибудь. А ведь до старта в 2024 году SLS должна не только совершить несколько тестовых полетов, но и получить дополнительную модернизацию.

Судя по всему, первый тестовый запуск вряд ли состоится ранее 2021 года, и от того, насколько успешно он пройдет, станут понятны и дальнейшие перспективы американской миссии.

SLS

Иллюстрация запуска ракеты SLS / Фото: NASA

С космическими кораблями наблюдается практически паритет. Американский «Орион» в июле 2019 года прошел последние необходимые испытания и к настоящему времени готов к первому тестовому полету с астронавтами. На разработку и тестирование у американцев ушло более 15 лет. Китай справился с этой же задачей в несколько раз быстрее. Первая информация о создании пилотируемого корабля нового поколения появилась в 2014–2015 годах, и в мае 2020 года Китай провел успешное тестирование.

Посадочные модули у обеих стран еще только разрабатываются. Для американской программы в мае 2019 года NASA отобрало 11 компаний для исследований по созданию многокомпонентной посадочной системы. В настоящее время работы продолжаются, окончательного решения пока не принято. О процессе разработки в Китае, как обычно, известно еще меньше. Скорее всего, раньше 2024–2025 годов широкой общественности ничего не покажут.

Кто впереди?

Если брать только работы по высадке на Луну, то, как мы видим, Китай догнал США по объемам уже сделанного. С учетом неготовности ракеты SLS китайцы, скорее всего, совершат пилотируемый полет первыми. Для этого может быть использована та же самая тяжелая ракета CZ-5B, которая испытывалась в начале мая 2020 года.

Кроме того, стоит учитывать и беспилотные достижения китайской программы. Китайцы осуществили уже две успешных миссии с мягкой посадкой луноходов. В 2020–2021 годах к Луне будут отправлены автоматические станции «Чанъэ-5» и «Чанъэ-6», которые должны доставить образцы грунта. Запланированная для этих полетов автоматическая стыковка на орбите Луны даст необходимый для создания посадочного модуля дополнительный опыт китайским ученым.

автоматическая станция «Чанъэ-4»

Автоматическая станция «Чанъэ-4» на обратной стороне Луны, где совершила мягкую посадку 3 января 2019 года / Фото: Global Look Press via ZUMA Press/Xinhua

Отдельно надо сказать и о китайской системе дальней связи, после ввода которой у КНР появилась возможность круглосуточного и круглогодичного контроля за межпланетными станциями, без каких-либо перерывов в расписании. Кроме системы наземных приемо-передающих станций, Китай запустил космический аппарат «Цюэцяо», который используется в качестве ретранслятора связи. Название этого спутника переводится как «Сорочий мост», и он уже использовался в миссии «Чанъэ-4» для управления луноходом на обратной стороне Луны.

В общем и целом китайская космическая отрасль в ее нынешнем положении кажется более перспективной и готовой для решения самых разных задач, в том числе и высадки на Луну. А вот какая из стран это сделает первой, загадывать пока очень и очень сложно.

Михаил Котов

Картина дня

))}
Loading...
наверх