Пламенные и ледяные моторы спутников
Привет, с вами lozga в несколько непривычной роли автора поста корпоративного блога. В январе в челябинской Точке кипения прошла олимпиада «Астероидная безопасность», в рамках которой спутникостроители и преподаватели Южно-Уральского государственного университета Валерий Богданов и Руслан Пешков прочитали лекцию для школьников о двигателях для космических аппаратов. Этот материал – развернутая обработка лекции и моей беседы с ними.
Двигатель ориентации на топливной паре метан-кислород, фото NASA/John H. Glenn Research Center
Богатство выбора
Первые письменные свидетельства создания ракет относятся к 13 веку. Только четыре века спустя, спасибо Ньютону, человечество поняло, как они работают. Подсказка: ракета не «отталкивается» – в вакууме отталкиваться не от чего, а разгоняется в одну сторону за счет выброса вещества в противоположную. А в 20 веке люди, создав спутники, придумали и множество вариантов их движения, причем есть даже такие, которые работают не на выбросе массы. Основные виды спутниковых двигателей можно классифицировать так:
Как это часто бывает, в нашем мире, нет «идеального» двигателя для всех случаев, и задача «выбрать двигатель для космического аппарата» может иметь множество самых разных условий, делая какие-то варианты неприемлемыми или неэффективными. А для того, чтобы иметь возможность сравнивать что бы то ни было, нам нужно прежде всего найти критерии, по которым мы будем сравнивать. Для двигателей можно выделить удельный импульс и тягу.
Удельный импульс – мера эффективности двигателя. По определению, это время, в течение которого двигатель может развивать тягу, затратив 1 кг топлива. Если мы измеряем тягу двигателя в килограммах (точнее, килограмм-силах), то удельный импульс будет измеряться в секундах, а если тяга измеряется в Ньютонах, то единицей измерения будет метр в секунду. Из секунд в метры в секунду и обратно величину удельного импульса можно пересчитать, умножив или разделив на ускорение свободного падения. Смысл изменения в метрах в секунду можно легче понять, если представить его как скорость истекающего из двигателя вещества на срезе сопла. Очевидно, что чем больше величина удельного импульса, тем более эффективным будет двигатель.
Тяга, по сути, является служебным параметром или даже ограничением. Очень эффективные двигатели, которые, однако, развивают маленькую тягу, не получится применить в ситуации, когда нужно произвести маневр, требующий большого изменения скорости и не может быть растянут во времени (или разделен на много включений двигателя).
Сочетание обеих величин позволяет нам построить график наиболее подходящих в каждом случае двигателей.
Источник: Реактивные системы управления космических летательных аппаратов, Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. — М.: Машиностроение, 1979.
Двигатели на холодном газе
Если вы интересовались историей космонавтики, то знаете, что газовые двигатели ориентировали «Луну-3» и «Восток» Гагарина. Сейчас, когда спутники отказываются от химических двигателей и переходят на электрореактивные, газовые двигатели из-за слабой тяги и низкого удельного импульса могут показаться архаизмом, однако, это не так. До сих пор в космос отправляются конструкции, которым вроде бы устаревшие двигатели подходят лучше других. Прежде всего, сжатый газ не токсичен и прекрасно подходит для «ракетных ранцев» космонавтов – возможная утечка не отравит экипаж, а осевший на скафандре выхлоп не придется дезактивировать.
Брюс Маккэндлесс испытывает установку MMU в 1984 году, фото NASA
Конструкция двигательной системы на холодном газе проста и надежна, кроме баллонов, электроклапанов и трубопроводов, считай, ничего не нужно. Если вам хватит небольших запасов характеристической скорости (delta-V), то эта конструкция будет и легче более сложных альтернатив. Газовые двигатели ориентации обладают отличной динамикой – клапаны очень быстрые (время реакции до 20 миллисекунд) и не нуждаются, скажем, в предварительном прогреве катализатора. Благодаря этим достоинствам они прекрасно подходят для точных систем ориентации малой тяги, поэтому, например, телескоп Gaia отправился в полет именно с газовыми двигателями ориентации. У аппарата LISA Pathfinder, сделанного для проверки возможности работы гравитационной обсерватории в космосе и нуждающегося в очень точном перемещении, два варианта двигателей – на холодном газе и электрические с полевой эмиссией, в полете они были успешно испытаны как вместе, так и по отдельности.
Схема двигателя на холодном газе. Красное – область высокого давления газа, синее – низкого
Но, конечно, большой тяги или большого изменения скорости на газовых двигателях не получить – удельный импульс сжатого азота не больше 80 секунд, к тому же он падает с уменьшением давления в баке. У сжатого водорода удельный импульс больше 270 секунд, но из-за низкой плотности тяга получается нерационально маленькой.
Сублимационные двигатели
На схеме в левом нижнем углу есть выступающие в качестве рабочего тела сублимирующиеся вещества. То есть в баке находится твердое тело, которое при нагреве сразу переходит в газ, минуя жидкое состояние. В быту вы могли встречать «сухой лед» – замороженный до твердого состояния углекислый газ. Из-за того, что двигатели на сжатом газе могут предложить большие и тягу и удельный импульс, они фактически вытеснили сублимационные двигатели. Но концепция не заброшена совсем – исследование NASA, выполненное в начале десятых, считает подобные двигатели перспективными при условии, что рабочее тело добывается на месте. Лед из углекислоты на Марсе, метан и угарный газ во внешней Солнечной системе, летучие вещества астероидов и комет – все это теоретически можно использовать как добываемое на месте топливо.
/>
Концепт аппарата, отклоняющего комету от опасного курса и использующего в качестве рабочего тела местные ресурсы, иллюстрация NASA
Однокомпонентные двигатели
Это не пожар на борту, а штатный сброс перекиси водорода, использующейся в системе ориентации, посадка «Союза МС-02», фото NASA/Bill Ingals
Есть вещества, которые в определенных условиях разлагаются с выделением тепла, а продукты разложения хорошо подходят для того, чтобы направить их в сопло Лаваля и получить тягу. Конструкция все еще простая, остается только одна линия подачи топлива, нет проблем смешивания компонентов в камере сгорания, температуры не требуют сложного охлаждения, а вот удельный импульс уже повыше, чем у двигателей на холодном газе.
Схема однокомпонентного двигателя
Способность концентрированной перекиси водорода разлагаться на катализаторе из простого железа на воду и кислород с обильным выделением тепла сделала ее популярным видом однокомпонентного топлива еще на заре космонавтики – привод турбонасоса двигателей первой и второй ступеней ракет семейства «Р-7» с 1957 года и до сих пор работает на разложении перекиси. На ней работали двигатели ориентации первых версий корабля «Союз», и до сих пор она применяется для ориентации спускаемого аппарата. Концентрированная перекись не токсична, но вызывает ожоги при попадании на кожу и взрывоопасна при загрязнении магистралей. А еще ее не получится хранить годами и десятилетиями. Удельный импульс сравнительно небольшой, в районе 150 секунд. Из-за двух последних свойств перекись сейчас используется редко.
Гидразиновый двигатель тягой 1 Ньютон, производимый компанией Arianespace
Гидразин разлагается в присутствии подогретого до 200-300°С катализатора. Из-за необходимости предварительного прогрева у двигателя падает динамика, гидразин очень токсичен, но, благодаря самому высокому удельному импульсу 230-240 секунд и возможности длительного хранения, он остается популярным вариантом для однокомпонентного двигателя.
Закись азота тоже способна к разложению в присутствии катализатора, но при более высоких температурах, что усложняет конструкцию двигателя. Зато она хороша тем, что не токсична, не удушлива, не вызывает ожоги, не взрывоопасна, не вызывает коррозию и может очень долго храниться. В Стэнфордском университете были успешно испытаны двигатели на закиси азота тягой до 2 Ньютонов, работавшие без разрушения катализатора больше часа при температуре до 1225°С. Рабочая температура может быть и меньше, в статье университета Суррея (Великобритания) показано, что при температуре 520°C закись азота разлагается без катализаторов, что позволяет создать двигатели на самоподдерживающемся разложении. К сожалению, удельный импульс закиси азота невысок, до 170 секунд.
Каталитическая камера экспериментального двигателя на закиси азота, фото Стэнфордского университета
Токсичность гидразина приводит к исследованию более экзотических вариантов, например, динитрамида аммония (ADN) или нитрата гидроксиламмония (HAN). Обладая даже чуть большим, чем у гидразина, удельным импульсом, эти химические соединения гораздо менее токсичны, но требуют высоких температур в каталитической камере.
Гидразиновая классика
Космический аппарат должен работать долго, поэтому топливо для него должно иметь возможность храниться годами. И если нужны большая тяга и достаточно большой удельный импульс, то наиболее освоенным и привычным вариантом будет двухкомпонентный двигатель на несимметричном диметилгидразине (как вариант, монометилгидразине или смеси с гидразином, т.н. аэрозине) и тетраоксиде диазота.
Испытания двигателя ориентации тягой 200 Н в барокамере, фото Arianespace
Эта топливная пара имеет множество достоинств – топливо пребывает в жидком состоянии при комнатной температуре, хранится годами, самовоспламеняется при контакте, то есть не нуждается в системах зажигания, обладает неплохой динамикой и хорошим удельным импульсом в районе 320 секунд. Но, естественно, не обошлось без недостатков. Оба компонента очень токсичны, вызывают коррозию и требуют специальных материалов. И, раз компонентов теперь два, теперь у нас два бака, две системы подачи, то есть в два раза большая вероятность отказа, и появляется система смешивания компонентов в камере сгорания. Например, в 2010 году зонд «Акацуки» не смог выйти на орбиту Венеры из-за отказа клапана наддува. В результате в смеси возник избыток окислителя, температура камеры сгорания и сопла выросла, и они были непоправимо повреждены. Аппарат смог выйти на орбиту Венеры только спустя пять лет, выполнив очень долгий маневр торможения на однокомпонентных двигателях ориентации.
Схема двигательной системы зонда Акацуки, источник
Благодаря сочетанию высокой тяги и высокого удельного импульса двигатели на этой топливной паре практически безальтернативны для пилотируемых кораблей и грузовиков снабжения МКС. Они до недавнего времени были также привычной классикой для межпланетных миссий и геостационарных спутников, но сейчас в этих областях их теснят электрореактивные двигатели.
Альтернативы
Сложности работы с криогенными компонентами не остановили конструкторов. Уникальным примером двигателей на нетоксичных компонентах является объединенная двигательная установка корабля «Буран», в которой использовались жидкий кислород и керосин. Использование этой топливной пары давало большую энерговооруженность (удельный импульс в районе 358 секунд, выше, чем НДМГ+АТ), нетоксичные компоненты делали эксплуатацию корабля более безопасной и экологичной, а также позволяли использовать кислород для систем электропитания и жизнеобеспечения.
ОДУ «Бурана», отлично виден большой бак жидкого кислорода, источник
Специальные технические решения: глубокое охлаждение кислорода до -210°С перед заправкой, постоянное перемешивание в баке и газификация перед подачей в двигатели ориентации позволили создать двигательную установку, которая могла обеспечивать полет до 30 суток.
А в середине нулевых в NASA рассматривали топливную пару «метан-кислород» для лунного модуля и пилотируемого корабля. Метан гораздо легче хранить в жидком виде, чем водород, а удельный импульс выше, чем у НДМГ-АТ. Корабль, который стал «Орионом», в итоге получил гидразиновые двигатели. Но идея метановых двигателей никуда не исчезнет, потому что для двигателей, работающих на собранных на месте ресурсах, метан остается интересным вариантом.
Электробудущее
2020, по представлению экспертов, должен стать годом, когда половина новых коммерческих спутников будет использовать электрореактивные двигатели. Учитывая, что на массово запускаемых спутниках Starlink и OneWeb стоят именно они, сейчас эта оценка выглядит консервативной. Геостационарный спутник на НДМГ+АТ доберется до целевой орбиты максимум за неделю, но половину его начальной массы будет составлять топливо. А на электрических двигателях подъем орбиты займет до полугода, но спутник окажется легче на 40%. Большие солнечные панели, установленные для мощных ретрансляторов, прекрасно сочетаются с электрореактивными двигателями. Аналогичное электрическое наступление происходит и в стане научных аппаратов – отправившийся в 2007 году в полет зонд Dawn имел рекордный запас характеристической скорости, 11 км/с, недостижимый для химических двигателей. Все эти замечательные результаты возможны благодаря тому, что удельный импульс электрореактивных двигателей на порядок больше химических и для разных моделей находится в широком диапазоне нескольких тысяч секунд. Но, конечно, у всего есть цена – тяга электрореактивных двигателей измеряется в миллиньютонах, и ее можно представить на бытовом уровне как вес мелкой монетки.
Наиболее распространены два вида электрореактивных двигателей:
Ионные двигатели ионизируют газ электронной бомбардировкой и выбрасывают получившиеся ионы электрическим полем.
В работающей на эффекте Холла конструкции, также часто называемой плазменным двигателем, рабочее тело подается в кольцевую камеру, к которой приложена разность потенциалов. Нейтральный газ ионизируется и разгоняется электрическим полем, выбрасываясь из двигателя с огромной скоростью.
Ионные двигатели имеют больший удельный импульс, но пока что страдают из-за проблем с долговечностью: от большой разности потенциалов между ускоряющей и фокусирующей решётками и эрозии со временем решётки банально выламывает. Так что на сегодняшний день двигатели на эффекте Холла имеют ряд эксплуатационных преимуществ.
Также есть менее распространенные варианты. Например, электротермический, он же электронагревный двигатель, в котором топливо разгоняется за счет нагрева электрическим током. На спутниках Iridium первого поколения (всего построено 98 штук) были установлены семь однокомпонентных двигателей тягой 1 Ньютон и один более эффективный электронагревный двигатель тягой 0,369 Н. Все двигатели питались от одного бака с гидразином.
Электронагревный двигатель производства Aerojet Rocketdyne
Электрореактивные двигатели – перспективная тема, и там, где можно обойтись без большой тяги двигателей, их будет все больше. А когда, наконец, в космос полетят ядерные реакторы, их огромные энергетические возможности, в сочетании с удельным импульсом ЭРД, откроют новые перспективы.
Слишком негибкие
Твердотопливные двигатели постепенно теряют популярность для космических аппаратов. Простота конструкции и большая тяга не могут компенсировать однократное включение и далеко не рекордный удельный импульс – примерно 290 секунд. Но у них было славное прошлое: на первых «Пионерах» маленькими твердотельными двигателями собирались проводить коррекции траектории, они использовались как тормозные двигатели на пилотируемых «Меркуриях» и «Джемини», включались перед посадкой на Луну автоматических зондов Surveyor и долгое время использовались в качестве апогейных двигателей, переводя спутники с геопереходной орбиты на близкую к геостационарной.
Схема геостационарного спутника Syncom первого поколения, апогейный двигатель по центру слева
Экзотика
Нагревать рабочее тело можно не только электричеством. Очень много тепла выделяется при ядерной реакции, и еще в 50-х возникли идеи прямоточного ядерного двигателя. Водород должен был поступать в активную зону реактора и выбрасываться наружу. Удельный импульс ожидался в районе 900 секунд. Разработки велись по обе стороны океана, в США – NERVA, в СССР – РД-0410, но в итоге были свернуты.
Двигатель NERVA
Существовали и более экзотические конструкции: импульсный взрыволет, двигатели на солях ядерного топлива, газофазные ядерные двигатели и т.п., но пока что они не уходят дальше схем и рисунков.
Есть и более экологичные концепции нагрева, например, энергией Солнца или лазерами. На поверхности Луны реголит днем разогревается выше ста градусов, так что принцип концентрации солнечных лучей для нагрева рабочего тела реален, но без очень легких зеркал будет проигрывать по общей массе системы обычному химическому двигателю.
Концепция экспериментального спутника Solar Moth, источник
Для изменения скорости все вышеперечисленные варианты использовали выброс вещества в противоположном направлении. Но есть конструкции, которые обходятся без этого. Наиболее известными и успешными являются солнечные паруса. Космический аппарат IKAROS, запущенный к Венере вместе с зондом «Акацуки», 10 июня 2010 года развернул парус 14х14 метров. Форма паруса поддерживалась вращением аппарата, а ориентацией управляли при помощи светодиодов на краях, меняющих отражающую способность. Экспериментальный спутник успешно пролетел мимо Венеры и к 2013 году благодаря парусу изменил свою скорость примерно на 400 м/с.
Уменьшенный макет IKAROS
Полотнище солнечного паруса – непростая штука, его необходимо раскрыть, в идеале без складок и провисаний, обеспечить прочность и управляемость, чтобы случайный микрометеорит не стал катастрофой для миссии, а также долговечность. Есть потенциально более надежный и эффективный вариант – электрический парус. Вместо хрупкого полотнища раскрываются тонкие штыри или тросы, на спутнике ставится электронная пушка, выбрасывающая электроны, из-за чего сам спутник и тросы приобретают положительный заряд и отталкивают ионы солнечного ветра. К сожалению, экспериментальный эстонский кубсат ESTCube-1 не смог раскрыть парус в космосе, а финский Aalto-1 должен был раскрыть парус в прошлом году, но новостей о нем нет.
/>
Принцип работы электрического паруса, иллюстрация Alexandre Szames
Тросы могут быть использованы для торможения в магнитном поле Земли либо, наоборот, использоваться как двигатель. Если мы размотаем проводящий трос с электронным эмиттером на конце, то в тросе возникнет ток, и спутник начнет тормозить без расхода топлива. А если обратить направление тока, то можно разгоняться. К сожалению, японский эксперимент HTV-KITE закончился неудачей – трос не размотался.
Принцип работы пассивного торможения проводящим тросом
Размотав трос и раскрутив получившуюся систему, можно преобразовать момент вращения в скорость, в нужный момент отцепив груз на конце. Таким образом успешно вернули (пусть и не смогли потом найти) капсулу «Фотино» с аппарата «Фотон-М3». В теории вращающиеся тросовые системы можно использовать для перемещения грузов между орбитами, но пока что такие системы работают только в фантастике (например, Нил Стивенсон, «Семиевие»).
Взаимное положение «Фотино» и «Фотона-М3» при размотке троса
Тяга к звездам
Космические двигатели сегодня и завтра: настоящие реактивные монстры и перспективные технологии будущего.
Освоение космоса – возможно, самая сложная из технологических задач, когда-либо стоявших перед человечеством. Проблем с ней не перечесть, но первая из них, конечно, проблема запуска космических аппаратов с Земли и их передвижения в космосе. И хотя современные реактивные двигатели являются настоящими шедеврами технологий, соединяющими самые последние достижения в области химии, физики, материаловедения и множества других областей, их эффективность, тяга и расход топлива, увы, не позволяют всерьез говорить об освоении даже Солнечной системы, не говоря уж об огромных пространствах Вселенной. Будущее требует принципиально новых решений.
Реактивно!
Принцип работы реактивного двигателя настолько прост, что в элементарном виде его собирают даже школьники в кружках юных техников. Однако настоящий, мощный ракетный реактивный двигатель – продукт колоссальной сложности, в полной мере производство которого до сих пор освоили лишь три страны мира – СССР (Россия), США и Китай.
В отличие от привычных всем двигателей внутреннего сгорания, в реактивных нет ни цилиндров, ни поршней, создающих вращательное движение. В основе их действия лежит закон сохранения импульса, который вытекает из Третьего закона Ньютона: «Сила действия равна силе противодействия». Тяга создается мощным потоком частиц, выбрасываемых в ходе сгорания топлива. Вылетая в одну сторону, эти частицы придают ракете или космическому аппарату ускорение, направленное в противоположную сторону. Чем больше масса и ускорение потока частиц – тем больше создаваемая ими реактивная тяга.
В традиционном реактивном двигателе, первые из которых были разработаны еще до Второй мировой войны, поток частиц представляет собой раскаленный газ, продукт реакции топлива и окислителя. Эта плазма, вырывающаяся из сопел реактивного двигателя, может образовываться из твердого или жидкого топлива – соответственно, химические двигатели различают твердотопливные и жидкостные.
Вначале было твердое топливо
Исторически первым видом реактивных двигателей стали твердотопливные. Первые из них появились еще в древнем Китае, где использовались для запуска фейерверков, а со Средних веков они встречаются и в Европе, где с их помощью доставляли заряды для бомбардировки крепостей противника. Главной хитростью при этом было поддержание горения, не переходящего во взрыв, который моментально высвободил бы энергию топлива и разрушил ракету. Поэтому для заряда использовался «модифицированный» порох с пониженным содержанием нитрата и серы, но повышенным количеством угля. Такая смесь горит очень мощно и быстро, но – при должной осторожности – не взрывается.
В современных твердотопливных двигателях, разумеется, смеси используются намного более эффективные – например, такая: перхлорат аммония (окислитель, около 70% по весу), алюминий (основное топливо, 16%), оксид железа (катализатор, 0,4%), полимеры и эпоксиды (обеспечивают контакт топлива и окислителя и равномерность горения, около 14%). Используется и сложная конфигурация расположения твердых компонентов, в форме многоконечной звезды, при которой достигается большая площадь поверхности контакта топлива с окислителем и, следовательно, высокая скорость сгорания.
Твердотопливные двигатели дешевы, просты и безопасны, однако однажды запущенный процесс горения уже невозможно ни остановить, ни контролировать. Поэтому сегодня их чаще используют не для космических, а, скажем, для межконтинентальных баллистических ракет (МБР), работающих по принципу «выстрелил – и забыл». В космических же носителях обычно устанавливаются двигатели жидкостные.
Жидкое топливо: старт космической эры
Первые жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) стали появляться в 1920-х годах, благодаря работам знаменитого физика Роберта Годдарда, в честь которого сегодня назван один из крупнейших исследовательских центров NASA. Годдарду удалось решить целый ряд проблем, связанных с конструированием и использованием таких двигателей, включая накачку топлива и охлаждение, а главное – создать принципиальную схему такого двигателя.
Схема проста до гениальности: жидкое топливо (Годдард использовал бензин) и жидкий окислитель (кислород) помещаются в раздельные баки, откуда с помощью специальных насосов по раздельным каналам подаются в камеру сгорания. Здесь происходит реакция, раскаленные продукты которой на большой скорости вылетают из сопла, создавая тягу.
Конечно, в реальности современный ЖРД – система куда более сложная, нежели эта принципиальная схема Годдарда. Достаточно сказать, что в качестве топлива и окислителя в них используются сжиженные газы, которые необходимо держать при низкой температуре и моментально нагревать перед подачей в камеру сгорания. Для этого найдены весьма изощренные технические решения – например, в соплах некоторых двигателей высверливаются каналы, по которым топливо течет, нагреваясь от раскаленного сопла. Такая технология настолько сложна, что ни американские, ни китайские двигателестроители ее до сих пор не освоили.
Математика шаттлов
Сами американские космические корабли Space Shuttle, недавно «списанные в запас», весили около 75 тонн. Внешний топливный бак для каждого из них (пустой) добавлял еще 35 тонн. Приплюсуем сюда еще пару твердотопливных ускорителей по 83 тонны каждый. Это только вес нетто – теперь нам понадобится топливо: около 100 тонн жидкого водорода и 616 тонн окислителя – жидкого кислорода. Итого мы получим порядка 2000 тонн веса – все для того, чтобы вывести на орбиту 75-тонный корабль, а точнее – полезный груз, масса которого может достигать около 25 тонн. При этом вся колоссальная масса топлива сгорает в считанные минуты: при запуске твердотопливные двигатели работают около 2 минут, а включающиеся затем три основных двигателя корабля – еще 8 минут. Выглядит не слишком эффективно.
Многим хороши химические реактивные двигатели: тяга их остается непревзойденной и уже позволила человечеству высадить своих представителей на Луне, а также отправить космические аппараты к дальним пределам Солнечной системы. Однако есть у них одно существенное ограничение. Вспомним про Второй закон Ньютона – чтобы создать достаточное ускорение, требуется либо увеличить скорость истечения реактивного потока, которая ограничена энергией реакции окисления, либо увеличить массу сжигаемого топлива.
Разумеется, химики непрерывно бьются над созданием все более эффективно сгорающего топлива и все более агрессивных окислителей, но процесс это сложный и уже практически достиг потолка своих возможностей. Увеличивать же массу еще сложнее: для разгона дополнительного топлива требуется еще больше топлива – количество его растет логарифмически. Для свободного космического полета требуются новые решения.
Ядерные-термоядерные
Для полноценного освоения пределов Солнечной системы химические двигатели недостаточно мощны и эффективны. Однако нагревать и разгонять газ для реактивного движения можно не только за счет окисления. Эту же роль может играть и куда более экономная реакция – ядерная. Необходимое для такого двигателя топливо будет измеряться уже не сотнями тонн, а сотнями килограммов. Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде тяжелых ядер, будет нагревать рабочее тело – а дальше работает уже знакомая нам схема реактивного движения. Более того, рабочим телом может служить чистый водород, самый низкомолекулярный газ, способный обеспечить максимальную удельную тягу.
Первые ядерные двигатели появились в космосе достаточно давно – в виде РИТЭГов, радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Суть их работы проста: распад радиоактивного топлива конвертируется в тепловую и/или электрическую энергию. Плутониевые РИТЭГи питают многие космические аппараты – дальние зонды, не требующие огромной тяги и добирающиеся до своей цели годами. На такой силовой установке работают двигатели зондов Voyager, Cassini, New Horizons. РИТЭГ служит дополнением солнечных батарей для марсохода Curiosity. Тяга «Сила» реактивного двигателя, с которой он толкает аппарат сквозь пространство, называется его тягой и измеряется в Ньютонах. Точкой приложения реактивной тяги считается центр истечения продуктов сгорания – центр среза сопла двигателя, а направление – противоположно вектору скорости этого истечения. Тяга определяется скоростью истечения продуктов сгорания, а она – физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя.
Однако обеспечить высокую тягу РИТЭГи неспособны, и, говоря о разработке ядерных ракетных двигателей всерьез, придется подойти к проблеме совсем с другой стороны – выводить в космос полноценные ядерные реакторы. Несмотря на то, что первый подобный аппарат – SNAP – был американским, технологическое лидерство в этой области до сих пор сохраняется за нашей страной. Разработкой космических двигателей, энергию которым поставлял бы контролируемый ядерный распад в реакторе, занимался еще Сергей Королев. В 1960-х в СССР испытывалась подобная силовая установка «Ромашка», в 1970-х сверхсекретные аппараты с ядерной установкой «Бук» проходили испытания в космосе. В конце 1980-х урановый реактор «Топаз» благополучно проработал на орбите около года.
Работы по созданию космических двигателей с ядерной силовой установкой продолжаются сегодня и в России, и в США. Простейшие расчеты показывают, что лишь они сделают по-настоящему доступными ближайшие планеты и тела Солнечной системы. А когда человечество, наконец, обуздает термоядерную энергию, реакторы станут еще в несколько раз более эффективны.
ИОНЫ: ТОПЛИВО ПО ГРАММАМ
Однако и этим спектр возможных решений не исчерпывается. Создавать реактивную тягу можно с помощью, фактически, любого источника энергии – РИТЭГа, солнечной батареи или просто аккумулятора. Создаваемое им электростатическое поле ионизирует газ, разгоняя полученные ионы до очень высоких скоростей, недоступных для классических реактивных двигателей. Магнитное поле формирует из них направленный поток, толкающий аппарат все дальше вперед. Истекающая из сопла ионного двигателя холодная плазма совсем непохожа на адские печи химических реакций, однако эффективность его работы просто поразительна.
Рабочим телом такого электрического двигателя может служить водород или легкий инертный газ, обычно ксенон или аргон, – с подобными решениями экспериментировал еще Роберт Годдард. И хотя для создания серьезной тяги мощности их недостаточно, они могут работать буквально годами, расходуя топливо считанными граммами, и за большие промежутки времени разгоняют не слишком большие аппараты до очень приличных скоростей.
Скажем, ионный двигатель используется в качестве основного на дальнем зонде Dawn, который ведет исследования Главного пояса астероидов, и на японском аппарате Hayabusa, который доставил на Землю образцы вещества с астероида Итокава. Впрочем, как правило, их используют в качестве двигателей коррекции и ориентации для поддержания орбиты спутников – а вскоре ионный двигатель VASIMR может заработать и на МКС.
Суперсила антивещества
И теоретические расчеты, и практические эксперименты показывают, что античастицы, встречаясь с частицами обычной материи, аннигилируют, высвобождая неслыханную энергию. Килограмм антивещества и килограмм вещества выделят энергии на 43 мегатонны в тротиловом эквиваленте – почти столько же, сколько при взрыве легендарной 26-тонной «Царь-бомбы». Превращение массы в энергию происходит почти стопроцентное, в 1000 раз эффективнее ядерной реакции и в 300 раз – термоядерной.
Перспективы это сулит огромные – расчеты показывают, что перелет к Марсу благодаря подобным двигателям может занять уже не год, а всего месяц – так что ученые достаточно серьезно рассматривают возможности их использования в будущем, когда они позволят нам передвигаться не только в пределах Солнечной системы, но и добраться до соседних звезд.
Межзвездный прямоточный двигатель Бассарда – концепция ракетного двигателя для межзвездных полетов, предложенная в 1960 году физиком Робертом Бассардом. Основой концепции является захват вещества межзвездной среды (водорода и пыли) идущим на высокой скорости космическим кораблем и использование этого вещества в качестве рабочего тела (либо непосредственно топлива) в термоядерном ракетном двигателе корабля.
Казалось бы, можно заняться разработкой? К сожалению, прежде придется решить целый ряд технологических задач, которые пока выглядят совершенно неподъемными. Первая из них – крошечные количества антивещества, доступные нам. Пока его получают лишь считанными античастицами и при огромных затратах. Антиматерия является самой дорогой субстанцией в мире – в ценах 1999 года производство одного грамма антиводорода обойдется более чем в 60 трлн долларов. А для межзвездных путешествий получать его понадобится тоннами.
По счастью, перспективы в этой области достаточно радужные: по оценке некоторых специалистов, от создания настоящего двигателя на антивеществе нас отделяют буквально десятилетия. В 2000 году в NАSA объявили о проекте по разработке пока небольшого двигателя, для работы которого требуется совсем крошечное количество античастиц – для перелета к тому же Марсу достаточно будет 10 граммов антипротонов.
Проектируемый двигатель на антивеществе будет включать три ключевых компонента. Электромагнитная тороидальная камера позволит хранить топливо. Система подачи будет сталкивать частицы с античастицами. Электромагнитное сопло обеспечит выброс энергии в нужном направлении, создавая тягу для космического корабля.
Сминая пространство-время
Единственный известный двигатель подобного типа установлен на крейсере USS Enterprise из культового сериала «Звездный путь»: пока что подобная технология относится лишь к жанру научной фантастики. Однако теоретически лишь такой подход способен обеспечить человечеству перемещение со сверхсветовой скоростью, а вместе с ним – подлинную свободу передвижения по всем неоглядным просторам Вселенной.
Например, выкладки эйнштейновских теорий нарушаться не будут: движение так и останется досветовым, моментальным станет лишь перемещение. Сразу – из одной точки пространства – в другую. Куда угодно. Более того, именно из Общей теории относительности вытекает сам принцип «пространственно-временного двигателя» (ПВД).
Вспомним, что, согласно ОТО, гравитация является геометрическим аспектом пространства-времени: чем больше масса объекта – тем сильнее искажается его прямолинейный континуум в его окрестностях. Именно этот аспект гравитации позволяет (в теории) манипулировать пространством-временем. Космический корабль, в котором имеется фантастическое устройство, способное создавать направленное гравитационное поле достаточной мощности, сумеет «сминать» пространство перед собой, перепрыгивая в нужную точку.
Физик из NASA Гарольд Уайт (Harold White) занят будущим: он работает над футуристическим проектом космического корабля с варп-двигателем, способным сминать пространство-время. А пока будущее не наступило, Уайт и художник-моделлер Майк Окуда (Mike Okuda) создали модели того, как будут выглядеть эти фантастические крейсеры.
К сожалению, расчеты показывают, что энергии для таких манипуляций понадобится невероятно много. Нужного количества не даст даже слияние вещества и антивещества – точнее говоря, для этого его понадобится столько, что мы вряд ли сможем загрузить такое «топливо» даже в USS Enterprise. Быть может, в будущем эту энергию удастся каким-то образом получать из самых мощных объектов известных нам – сверхмассивных черных дыр. А быть может, сами они послужат «червоточинами», нырнув в которые космический корабль сумеет вынырнуть где-то в совершенно иной части Вселенной. Но это уже совсем другая история.
Что же касается EmDrive, то данной теме посвящена целая статья в свежем номере журнала Naked Science. Выход номера уже через неделю.
Как работает ионный двигатель и где он применяется
Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?
Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.
Как работает ионный двигатель
Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.
Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя
Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.
Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.
Схематичное изображение работы ионного двигателя.
Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.
Преимущества ионного двигателя для космического корабля
Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.
В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.
Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.
Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.
Недостатки ионных двигателей
Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.
Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.
Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.
Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.
По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.
Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.
Где используются ионные двигатели
Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.
В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.
Космический аппарат BepiColombo.
Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.
Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.
Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе
Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.
Когда изобрели ионный двигатель
При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.
В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.
Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.
По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.
Ученые поймали очередной сигнал из космоса, но теперь он регулярно повторяется
В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.
Сердца космических фрегатов. Какие бывают двигатели у космических аппаратов и в чем их сильные и слабые стороны
Принцип работы ракетного двигателя известен нам как минимум с 30-х годов прошлого века, а как максимум — со времен Древнего Китая. Конечно, бамбуковые ракеты, движимые энергией горения черного пороха, для космоса непригодны, но вот уже двигатели американца Роберта Годдарда (1926 год), россиянина Фридриха Цандера (СССР, рубеж 1920-х и 1930-х годов) или немца Германа Оберта (1930 год) работали на паре «жидкое топливо + окислитель» и уже имели узлы, без которых не обходится любой современный ракетный двигатель.
Ракетный двигатель создает тягу при сжигании топлива: в соответствии с законом сохранения импульса движимый им аппарат приобретает импульс, равный импульсу выходящих в сопло продуктов сгорания. Отсюда можно определить рецепт увеличения тяги: сжигать больше топлива или добиться более высокой скорости реактивной.
Установленный в двигателе турбонасосный агрегат раскручивает лопасти насосов при помощи жаростойкой газовой турбины, а насосы закачивают топливо и окислитель в камеру сгорания. Большой поток топлива и окислителя приводит к интенсивному сгоранию и выбросу мощной струи раскаленных газов. Теоретически при сжигании керосина в кислороде можно получить температуру до 3500 °С и добиться истечения струи со скоростью около трех километров в секунду — практические результаты сейчас близки к теории. Пары водород-кислород или гидразин — тетраоксид азота, два других часто используемых сочетания, дают сопоставимые значения, и это объясняет как достоинства, так и недостатки традиционных ракет.
Достоинством этого двигателя является его мощность, достигаемая сжиганием огромного объема топлива, ограниченная только размерами камеры сгорания. На американском «Сатурне-V» стояли двигатели F1, которые сжигали в единственной камере свыше полутора тонн кислорода и почти тонну керосина ежесекундно. Такое потребление давало тягу более 700 тонна-сил, а пять F1 с успехом доставляли ракету к Луне. Созданные позже советские РД-170 уступали по объему камеры сгорания, но зато камер было сразу четыре — их планировали использовать на сверхтяжелой ракете «Энергия» (носитель «Бурана»), которая могла бы вывести в космос до ста тонн полезной нагрузки.
По сей день начальный этап любого космического полета, хоть на геостационарную орбиту, хоть к Плутону, совершается при помощи ракетных двигателей: ни один другой даже близко не приближается к требуемым для развития космической скорости. Но где достоинства, там и недостатки.
Экстремальные условия в камере сгорания приводят к тому, что даже многочисленные инженерные хитрости вроде охлаждения стенок подаваемым топливом или отсекания от них основной горячей струи более «холодной» струей от турбонасоса не позволяют добиться сколько-нибудь продолжительной работы в сочетании с высокой надежностью. А внедрение в сплавы жаростойких добавок вплоть до металлов платиновой группы все равно не гарантирует успеха запуска ракеты: доля аварий у всех основных производителей в мире колеблется в районе нескольких процентов. Представьте, какова была бы авиация, если бы даже каждый сотый рейс заканчивался взрывом или падением самолета!
Изготовленные уже не для старта с Земли, а для полета в безвоздушном пространстве ракетные двигатели имеют не столь экстремальные параметры, но все равно регулярно подводят. Российские разгонные блоки ДМ и «Фрегат», например, имеют долю отказов в районе от одного до трех процентов. Последняя авария произошла в 2014 году, когда «Фрегат» вывел на нецелевую орбиту два спутника европейской навигационной системы Galileo. Хотя нельзя сказать, что российские блоки как-то особо ненадежны: американский Centaur отказывал больше десятка раз на двести с лишним запусков.
Статистическая оговорка: как можно заметить, многие числа нами указываются приблизительно. Это обусловлено тем, что говорить о точных значениях зачастую нельзя. Скажем, разгонные блоки многих семейств производятся с 1960-х годов с целым рядом модификаций, и обобщать статистику запусков за все время затруднительно. Тяга двигателя немного зависит от атмосферного давления, а температура сгорания топлива — от его состава и режима работы двигателя.
Ракетные двигатели крайне неэкономичны. Их КПД уступает паровозному: мы вынуждены тратить гигантские запасы горючего с окислителем для достижения цели. Хуже того, наши затраты нелинейно растут с увеличением дельта-V, той скорости, которую должен приобрести наш космический аппарат для достижения цели. Чтобы попасть к Луне и вернуться, потребовался уже упоминавшийся «Сатурн-V»; полет же к звездам или хотя бы к Облаку Оорта за разумное время потребует ракет, габариты которых выходят как за пределы возможностей современных технологий, так и за рамки здравого смысла.
Ионы и плазма
Если снова обратиться к закону сохранения импульса, то становится ясно: чем быстрее покидает двигатель струя вещества, тем он эффективнее. Получить скорость струи свыше нескольких километров в секунду сжиганием чего-либо невозможно, однако двигатели, работающие на частицах со скоростью в десятки км/с, уже существуют. Они — ионные.
Суть ионного двигателя заключается в том, что сначала газ превращается в плазму, смесь положительно заряженных ионов с электронами. Далее заряженные частицы разгоняются электромагнитным полем и выбрасываются наружу — таким образом удается разом обойтись без экстремальных условий внутри двигателя и превзойти скорость истечения продуктов даже самых «жестких» химических реакций вроде сжигания лития в атмосфере фтора.
Правда, назвать ионные двигатели идеальными тоже нельзя. При более-менее достижимой на сегодня электрической мощности — а это, как правило, не более киловатта — их тяга не превышает считанных граммов. Двестикиловаттный VASIMIR, который одно время планировали поставить на МКС, выдавал на испытаниях в вакуумной камере около пяти ньютонов тяги — этого было бы достаточно для отрывания от Земли груза в полкилограмма. Даже в предположении, что ионному двигателю не мешает работать атмосфера, поднять с космодрома хотя бы свой собственный вес такое устройство не сможет.
Но в дальнем космосе этого и не требуется. Там важна экономичность и надежность — то, чем как раз отличаются ионные двигатели. Многие из них способны буквально годами работать бесперебойно, а в пересчете на килограмм потраченного рабочего тела (говорить «топливо» уже не очень корректно, ведь ничего не сжигается) они дают намного больший результат. Аппараты на ионных двигателях поначалу отстают от взявших быстрый старт ракетных аналогов, но ракетного топлива хватает от силы на несколько часов, а ионный «мотор» растягивает запас инертного газа в баке на годы. Медленно, буквально по миллиметру в секунду, прибавляя скорость, «черепаха» на ионной тяге сначала догоняет, а потом и перегоняет ракетного «зайца» с опустевшими баками.
Аппарат «Рассвет», летавший к Весте и Церере, японская миссия «Хаябуса» по доставке на Землю образца астероидного грунта, российские двигатели для геостационарных спутников — все это далеко не полный перечень ионных и плазменных установок в космосе. Плазменные представляют собой вариант ионных: в них ионизированный газ ускоряется не при помощи электродов, а выходит наружу с большой скоростью после разогрева тем или иным способом.
Существуют проекты мощных ионных или плазменных двигателей с электропитанием от большого массива солнечных батарей или ядерного реактора. Возможно, уже в ближайшие десятки лет мы получим установки, способные в разы сократить сроки перелетов между планетами. Разработка двигательной установки с ядерным реактором ведется в России силами предприятий Росатома и, по сообщениям осени 2016 года, может быть готова к испытаниям уже к концу 2018 года. Подобным же проектом занимаются и в Китае.
А еще есть проекты плазменных двигателей, которые будут использовать в качестве рабочего тела водяной пар. Воду можно получать, используя астероиды или лунный грунт. Это разом решит проблему и дозаправки вдали от Земли, и дороговизны выведения на орбиту. Упомянутые выше ограничения ракетных двигателей ведут к тому, что сегодня килограмм груза даже на самой низкой орбите стоит тысячи долларов, а доставка на геостационарную орбиту сопоставима по цене с изготовлением такого же по массе спутника из чистого золота!
Паруса
Идеальный двигатель должен по возможности весить как можно меньше, иметь нулевой расход топлива и полное отсутствие частей, которые могут сломаться во время работы. И подобные устройства существуют. Речь о парусах, призванных либо поймать поток заряженных частиц от Солнца, либо потянуть космический аппарат вперед под давлением света.
В первом случае парус предполагается делать из тонких проволочек, создающих вокруг себя электрическое поле, а во втором случае сгодится любой легкий и блестящий материал вроде металлизированного пластика.
Примечательно, что концепция солнечного паруса если не опередила появление жидкостного ракетного двигателя, то возникла примерно тогда же. В 1900 году Петр Лебедев впервые исследовал эффект давления солнечного света, а в 1920-х идея использовать это явление для движения космических аппаратов была озвучена Фридрихом Цандером. Тем самым, который разработал советский жидкостный ракетный двигатель.
На практике «солнечным парусником» стал японский аппарат IKAROS в 2010 году, за ним последовал собранный американским «Планетарным сообществом» зонд Light Sail-1. Два других экспериментальных спутника, Cosmos-1 и NanoSail-D, пытались запустить в 2005 и 2008 годах, но оба раза подвели ракеты — один раз российская «Волна», а во второй — уже Falcon 1 Илона Маска.
Кроме того, эффект давления света использовал вполне обычный межпланетный зонд MESSENGER, летевший к Меркурию. Для корректировки его курса инженеры предпочли использовать отражение солнечных лучей от блестящей поверхности солнечных батарей аппарата. Тяга в итоге получалась очень маленькой, но зато ей можно было очень точно управлять, для маневрирования не требовалось топлива и сберегался ресурс ракетных двигателей.
Отдельно стоит упомянуть и т.н. электрический парус: его толкает вперед взаимодействие электрического поля тонких проволочек с летящими от Солнца заряженными частицами. И первенство в этой области принадлежит не одной из признанных космических держав, а Эстонии: собранный в Университете Тарту ESTCube-1 вышел на орбиту в 2013 году и проработал два года. Правда об успехе эстонцев надо упоминать «со звездочкой»: раскрыть электрический парус им не удалось. Но сейчас эстонские инженеры работают над следующим аппаратом, ESTCube-2. Может, все-таки успеют стать по-настоящему первыми.
Электрические паруса менее эффективны в сравнении с солнечными, однако они требуют куда меньше материала (тонкие проволоки вместо сплошной пленки). Легкие и компактные, они подходят для долговременных миссий — например, есть проект «электрического парусника» к Урану. Он сможет достичь этого ледяного гиганта всего за шесть лет. Для сравнения: «Вояджер-2» потратил девять лет, и при этом расположение планет было на редкость удачным.