В наши дни ведущие мировые космические агентства буквально в ежедневном режиме рапортуют о своих планах полетов на Луну и Марс, причем на последний человечество стремиться попасть даже больше, чем на Луну. На Марсе, говорят ученые, есть и вода, и достаточная для строительства гравитация и возможность добычи полезных ископаемых.
Орбитальный тягач с двигателями VASIMR может выглядеть так. Вариант с четырьмя или пятью установками, идентичными VF-200-1, ещё может обойтись в плане электропитания крупными солнечными батареями (мощностью до мегаватта) (иллюстрация Ad Astra Rocket Company).
Правда есть у Марса один существенный недостаток — даже при оптимальном сценарии лететь до этой планеты не менее 6 месяцев, с учетом возвращения марсианская миссия займет как минимум год-полтора.
По мнению ряда экспертов, уже в самом ближайшем будущем ситуация с продолжительностью полета на Марс изменится. При помощи будущих ионных ракетных двигателей, которые будут двигать корабли за счет ускорения заряженных атомов или ионов в электрическом поле, долететь до Марса можно будет гораздо быстрее, примерно за 39 земных суток.
Основные части и принцип работы VASIMR. При помощи электромагнитного излучения рабочее тело (аргон) ионизируется. Далее газ попадает в "бустер", где вторая радиоволновая антенна резко увеличивает температуру плазмы. Набор же сверхпроводящих катушек используется как сопло с магнитными стенками, в котором плазма разгоняется до высокой скорости (иллюстрация Ad Astra Rocket Company).
Инженеры говорят, что при работы такие двигатели используют гораздо меньше топлива и имеют меньших выброс, чем традиционные химические двигатели, используемые в нынешних ракетах и спутниках. Строго говоря, ионные двигатели уже используются в космической отрасли — космический аппарат НАСА Dawn, отправленный к астероидам Веста и Церера в 2007 году, сейчас летит туда именно на таком типе двигателя. Для разгона к поясу астероидов Dawn использует три ионных двигателя, каждый из которых развивает максимальную тягу в 90 миллиньютонов.
"Это идентично весу одного листка из блокнота", — образно поясняет NASA. В чём, спрашивается, смысл? Дело в том, что "ионники" примерно в 10 раз эффективнее химических ракетных двигателей. В частности, удельный импульс устройств, стоящих на Dawn, составляет 3100 секунд.
Потому 425 килограммов рабочего тела (ксенона) им хватит на 2100 дней работы. Пусть ускорение Dawn невозможно заметить глазу, но общее приращение скорости за всё время миссии составит порядка 10 километров в секунду.
И сам аппарат получился сравнительно лёгким (тонна с четвертью). Потому для его старта с Земли понадобилась ракета меньшего класса (Delta II), а значит — более дешёвая, в сравнении той, что потребовалась бы для подъёма на орбиту гипотетического исследователя астероидов, построенного на основе химических движков.
Еще раньше, в 2005 году, японский зонд Хаябуса долетел на ионном двигателе до астероида Итокава.
Правда, для того, чтобы доставить на Марс большой пилотируемый корабль и уложиться в заявленные 39 дней, двигатель должен обладать в 1000-2000 раз большей мощностью, чем те, что были использованы в 2007 и 2005 годах.
Разработки таких двигателей ведутся. Например в компании Ad Astra Rocket, основанной в 2005 году экс-астронавтом Франклином Чанг-Диазом, создают новый двигатель VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), который сможет доставить команду из нескольких человек с оборудованием и пищей на Марс за те самые полтора месяца. В основе этого двигателя находится мощная установка, генерирующая радиочастоты, на основе которых происходит зарядка частиц.
Франклин Чан-Диаз летал на шаттле семь раз. Он также является физиком, специалистом по плазме. Ad Astra Rocket он основал в 2005 году (снимок 2005-го, кстати), выйдя в отставку из рядов NASA. Тогда же Чан-Диаз предложил концепцию VASIMR, которую и принялась развивать его компания. Любопытно, что в том же году NASA сократило собственные работы по электроракетным двигателям из-за секвестра бюджета.
Ad Astra Rocket обладает штаб-квартирой и исследовательским отделом в Техасе и ещё одним научно-исследовательским подразделением в Коста-Рике. Выбор второй страны не случаен – Франклин костариканец по происхождению, и на родине до сих пор живут его мать, братья и сёстры (фото NASA/Johnson Space Center).
Концептуально, VASIMR похож на паровой двигатель, но вместо пара здесь ионы, а вместо температуры — электрическое поле. Этот двигатель способен генерировать плазму в достаточном для полета объеме. Первые испытания установки прошли 2 июля, был достигнут успех и все заявленные показатели были соблюдены.
Сейчас компания испытала 200-киловаттный двигатель, использующий радиоволны для разогрева газа аргона, превращая его в горячую плазму. В ближайшей перспективе компания намерена обсудить с НАСА возможности по созданию космического аппарата на базе плазменного двигателя для доставки грузов на МКС.
VASIMR (Это видео показывает запуск VASIMR: 1-й этап более 5 секунд, повышение мощности на втором этапе более 3 секунд…VX-200 работает в 150 куб. м вакуумной камере, используемой для моделирования вакуума.)
Разработчики говорят, что плазма способна создавать своего рода реактивный выброс, но он не слишком эффективен. Для повышения эффективности используется вторая ступень двигателя, которая при помощи современных технологий разогревает выброс до почти миллиона градусов (примерно такая же температура наблюдается в центре Солнца). За счет наличия сверхмощных магнитов, ионы разгоняются до очень высоких скоростей и выбрасываются, толкая корабль в противоположную сторону.
Схема двигателя VX-200 и его фотографии перед установкой в вакуумную камеру (иллюстрации Ad Astra Rocket Company).
За счет стабильного выброса и эффективного расхода топлива, ионные двигатели способны быть в тысячи раз мощнее и эффективнее химических. Правда, первые почти во столько же раз и дороже. Но это только пока, так как технология еще слишком нова.
VX-200 на одном из испытаний. По идее, применённая в нём технология позволяет получать удельный импульс от 3000 до 30 тысяч секунд в одном устройстве (путём вариации как расхода рабочего тела, так и мощности, подводимой к излучателям, греющим плазму), но конкретные характеристики разных моделей VASIMR могут сильно различаться (фото Ad Astra Rocket Company).
"Нам удалось создать двигатель, являющийся самым мощным в мире источником сверхпроводящей плазмы", — говорит Джаред Сквайр, коммерческий директор Ad Astra.
Ученые испытывают VASIMR VX-200
Удельный импульс установки VX-200 составляет порядка 5000 секунд. Вообще же он может меняться, что и отражено в названии устройства. Больший КПД можно получить при малой тяге, меньший — при максимальной.
Так можно варьировать режим работы маршевого движка в зависимости от целей миссии космического аппарата. Где-то можно позволить себе потратить несколько больше рабочего тела, но сократить время полёта, где-то, напротив, выполнить задание за больший срок, но при минимальном расходе "горючего", а значит, — минимальном весе аппарата.
Тут надо отметить, что VASIMR претендует на роль некоего промежуточного варианта создания тяги в условиях космоса. Промежуточного между химическими ускорителями (мощными, но прожорливыми) и чрезвычайно миниатюрными электроракетными движками, экономичность которых может быть гораздо выше, чем даже у VX-200, но тяга будет составлять лишь доли грамма.
VASIMR обладает ещё одним преимуществом перед соперниками из стана электроракетных двигателей в целом: в нём плазма ни в одной точке не соприкасается с деталями аппарата, а контактирует только с полями.
Это означает, что устройство от Ad Astra сможет работать по многу месяцев и даже лет без деградации конструкции — то что надо для разгона космических аппаратов на пути в глубины Солнечной системы или коррекции орбиты спутников. У классических ионных ракетных двигателей больной вопрос – эрозия решёток-электродов. У VASIMR же таковых попросту нет.
Ad Astra Rocket строит богатые планы применения VASIMR в ряде проектов. Так, по соглашению с американским космическим агентством в 2013 году лётный вариант VX-200, названный VF-200-1, должен попасть на испытания на МКС. Разрабатываемый ныне аппарат будет базироваться на общем дизайне VX-200, но состоять из двух фактически параллельных движков по 100 киловатт каждый.
Примерное расположение двигателя VF-200-1 на МКС и его общий вид (иллюстрации Ad Astra Rocket Company).
(Интересно, что Ad Astra Rocket ведёт переговоры о доставке VF-200-1 на станцию при помощи частного носителя от SpaceX либо Orbital Sciences).
VF-200-1 попробует поднимать орбиту станции, регулярно "проседающую" из-за слабого торможения в остатках атмосферы, имеющихся даже на 400-километровой высоте. VF-200-1 будет включаться на короткое время (несколько минут) эпизодически. А поскольку мощность, забираемая им из сети, очень велика, двигатель должен потреблять энергию, накопленную в специальных аккумуляторах, которые, в свою очередь, во время пауз в работе плазменного ускорителя будут понемногу подзаряжаться от солнечных батарей МКС.
Если тест пройдёт успешно, на такой способ подъёма орбиты, возможно, и переведут станцию. А это обещает солидную экономию. Ведь нынешний вариант подъёма орбиты (при помощи химических движков транспортных кораблей снабжения) означает расход 7,5 тонны горючего в год, в то время как VASIMR потребует на ту же цель 300 килограммов аргона ежегодно. Перспективы же технологии ещё заманчивее.
На основе одного или нескольких VF-200-1, полагает компания, можно построить беспилотный грузовик, который будет переправлять большие грузы с низкой околоземной орбиты на окололунную. Питание эти движки получали бы от солнечных батарей.
Выгода от замены химического орбитального буксира на магнитоплазменный в целом аналогична той, что была продемонстрирована в случае с установкой ионных двигателей на Dawn. То есть речь идёт о снижении массы комплексов, которые сначала нужно поднять на околоземную орбиту.
Так для переправки в одном рейсе 34 тонн полезного груза между земной и лунной орбитой химическим двигателям потребуется сжечь 60 тонн пары кислород/водород, а пятёрка VF-200-1 обойдётся 8 тоннами аргона. То, что лунный перелёт "на плазме" будет длиться месяцами, в случае беспилотной миссии не играет никакой роли.
А вот будущие двигатели VASIMR (несколько штук по 10-20 мегаватт) могли бы донести пилотируемый комплекс к Марсу всего за 39 дней, — утверждает Чан-Диаз. И тут многократное сокращение времени миссии — главная выгода. Ведь в таком случае астронавты получат намного меньшую дозу космической радиации, от которой иначе придётся защищаться толстыми стенками корабля (а это масса) либо магнитным щитом.
Марсианский пилотируемый аппарат с двигателями VASIMR. Питать их должен небольшой атомный реактор. Компания пишет, что подобный корабль с магнитоплазменной установкой мощностью "всего" 12 мегаватт долетел бы до Марса менее чем за четыре месяца, что уже неплохо. Ну а вариант с 39-дневным перелётом потребует суммарной мощности установки в 200 мегаватт. Много. Но зато сам аппарат вышел бы относительно лёгким и количество рабочего тела на его борту было бы невелико (иллюстрация Ad Astra Rocket Company).
Для такого аппарата, скорее всего, потребовалась бы бортовая атомная электростанция — солнечные панели нужной мощности вышли бы просто чудовищно большими.
О том, что электроракетные движки для дальних миссий "просят" ядерную подпитку, специалисты говорят давно. Никаких принципиальных и неразрешимых трудностей в постройке подобного генератора сейчас нет.
Ещё не все вопросы относительно тонкостей работы самого VASIMR сняты. Учёным предстоит повысить полный КПД системы и найти лучший способ избавления от лишнего тепла, рассеиваемого таким движком. Но в целом технология вполне уже подходит к этапу, когда исключительно наземные экспериментальные установки должны породить модификации, предназначенные для отправки на орбиту. Чан-Диаз и его коллеги полагают, что коммерческие версии двигателей типа VASIMR могут появиться на рынке в 2014 году.
