Двигательная установка

Двигательная установка космического корабля — это, собственно, целая куча разнообразных двигателей, помогающих космическому кораблю разгоняться, тормозить и менять курс. А поскольку это очевидно, давайте рассмотрим, что, собственно говоря, туда входит.

Теория

Основной блок корабля «Аполлон»: 1 — тормозные парашюты; 2, 3, 5 и 13 — двигатели ориентации;4 — хранилища; 6 — блок ДПО; 7 — топливные баки маршевого двигателя (РБ); 8 — маршевый двигатель; 9 — служебный отсек; 10 — баки с водородом и кислородом для топливных элементов; 11 — водородно-кислородные топливные элементы в служебном отсеке; 12 — бачок с питьевой водой; 14 — огнетушитель; 15 — топливные баки двигателей системы ориентации командного отсека; 16 — отделение для хранения пищевых продуктов; 17 — место командира корабля; 18 — основные парашюты; 19 — место пилота основного блока; 20 — место пилота стыковочного (переходного) отсека; 21 — стыковочный штырь

Что следует знать о ракетных двигателях, если вкратце и без кучи формул? Что у каждого двигателя есть два параметра — тяга и удельный импульс, и они друг друга не любят. Чем выше тяга, тем меньше удельный импульс. Чем больше удельный импульс, тем меньше тяга. Если позволите аналогию, мы представим себе ракетные двигатели как движки для машин. У пятилитрового движка для крутой тачки высокое потребление топлива и он способен разогнать машину с 0 до 100 км/ч за 6 секунд. У малолитражки на разгон до 100 км/ч уйдёт секунд 20, но на том же количестве топлива что и у крутой тачки она будет способна ехать куда дольше и дальше. У крутой тачки — высокая тяга. У малолитражки — высокий удельный импульс. Конечно же двигатели внутреннего сгорания в теме про ракетные двигатели — это лишь наглядная аналогия.

Согласно принципу Оберта маневр тем экономичнее, чем меньше время маневра, иными словами, мощный двигатель на разгоне и торможении предпочтительнее чем слабый. Отсюда и выделяется первый класс двигателей космического корабля — Большие и Мощные, установленные на разгонном блоке (см. ниже). Однако эти двигатели не подходят для точных маневров и очень неуклюжи, поэтому для маневров используются двигатели поменьше. Ну а для того чтобы крутить корабль и стыковаться с орбитальной станцией нужны маневровые двигатели. Можно конечно обойтись и без них, если космонавт — мастер стыковки 80го уровня, но лучше не надо — не все могут развернуть корабль под нужным углом, дать нужное ускорение и попасть в лузу с расстояния в 100 км. Про людей, по сравнению с которыми джедаи отдыхают, можно почитать в другой статье.

Разделение труда

Исторически сложилось разделение труда между двигательными установками, поскольку обнаружилось что Мощные Движки не могут обеспечить точного подвода космического корабля на нужную орбиту, а мелкие двигатели слишком слабые для того, чтобы уложиться в маневр. Итак:

• Разгонный блок (РБ) — бочка топлива и мощный двигатель. Применяется для разгона и торможения, в качестве особенностей — автономная система стабилизации и возможность многократного запуска двигателя. Топливо: керосин-кислород (ДМ-2, вторая ступень Фалькона-9 и Фалькона-Хэви), водород-кислород (Атлас-Центавр и верхние ступени европейских, китайских и японских носителей), азотный тетрооксид и НДМГ (Бриз-М, Фрегат). Рабочая лошадка для таскания космического корабля между орбитами и между планетами.
• Комбинированная двигательная установка:
  • Сближающе-корректирующий двигатель (СКД) — работает на чем-нибудь долгоживущем (наиболее распространены азотный тетроаксид и гидразин, но к примеру «Союз-ВИ» должен был летать на перекиси водорода), основная задача — двух-трёхимпульсный маневр сближения, в отличие от РБ является частью космического корабля и собственных мозгов не имеет.
  • Двигатели Причаливания и Ориентации (ДПО) — куча сопел натыканных по всему кораблю, нужны для поворачивания корабля по трём осям, а также для точного маневрирования в причальной зоне. Питаются опять чем-нибудь долгоживущим. Так «Союзы» (обычные, не ВИ) до серии ТМ использовали перекись водорода в ДПО и «вонючую пару» в СКД.
    • Иногда ДПО может выполнять функции СКД. На «Союзе» с серии ТМ это является аварийным режимом, «Дракон» SpaceX только так и летает.

Типы двигателей

• Химические — используют энергию химических реакций для ракетного движения. Бывают очень разные по конструкции, монокомпонентные, многокомпонентные, с открытым и закрытым циклом и вообще о них можно написать целую простыню текста. В качестве достоинства — химические двигатели пока что обладают самой высокой тягой среди других двигателей.
  • Жидкотопливные — самая большая категория химических двигателей. В теории могут использовать от одного (разложение на катализаторе) до трёх (в частности рекордный как по удельной тяге, так и по головняку водород-литий-фторовый) компонентов, на практике практически все применяют двухкомпонентную смесь — собственно топливо и окислитель; на выбор — жидкий кислород плюс керосин, жидкий кислород плюс водород/метан, гидразин плюс тетраоксид диазота. В двигателях, работающих в космосе (всякие ДПО, Аполлоны, разгонные блоки) применяется практически исключительно последний вариант, так как в отличие от элементарных газов, амил с гептилом не требуют криоустановки и соответствующих сотен киловатт и килограмм.
  • Твёрдотопливные. Само топливо ушло достаточно далеко, но принцип всё тот же, что у банальной пиротехники и стула самого первого космонавта Вань Ху — здоровенная бочка с топливной смесью и каналом посередине определённой формы, от которой зависит кривая тяги. Просто, дёшево, сердито. Из минусов — если это не «Гном», очень плохо с эффективностью, и твёрдотопливные двигатели принципиально невозможно погасить или отрегулировать после зажигания, максимум — отстрелить или всю бочку, или крышку (чтобы горела с обеих сторон с нулевым выхлопом).
  • Гибридные. То есть когда один компонент — твёрдый, а другой — жидкий. В отличие от «чистых» твёрдых регулируются по тяге и можно запускать многократно, в отличие от «чистых» жидких у них плохо с эффективностью. Практически все планируют использовать жидкий окислитель и твёрдое топливо, так как с твёрдыми окислителями всё очень плохо, они имеют меньшую энергоёмкость и очень любят вместо горения взрываться. Потенциально могут применяться для автономных колоний — алюминия с кислородом на той же Луне просто завались, а даровая энергия для расщепления их соединений буквально с неба падает, ставь себе зеркала и плавь.
• Электрореактивные — целая куча разновидностей двигателей, основанных на разгоне рабочего тела с помощью электричества.
  • Ионные — используют электричество и газ, тяга создаётся разгоном ионизированного газа. Высокий импульс, очень низкая тяга.
  • Плазменные — используют в качестве рабочего тела горячую плазму. Высокий импульс и низкая тяга прилагаются.
  • Резистивные и дуговые — существуют в основном как курьёз, так как проигрывают двум вышеназванным по импульсу и химическим по отработанности. Зато могут использовать другие пропелленты, например, при помощи резистивных предлагается утилизировать отходы жизнедеятельности с пользой для дела (а не просто швыряться ими в космос), а дуговые могут работать на твёрдом топливе, в основном фторопласте.
  • Электромагнитные катапульты — разгоняют электромагнетизмом либо само рабочее тело (как гауссовка-переросток), либо «ведро» с ним, которое возвращается обратно, а содержимое летит по инерции. Ввиду габаритов, начинающихся со «стометровая дура» и растущих пока не кончится фантазия способность успевать переключать катушки, подразумевают сборку исключительно в космосе или в стационарном варианте на поверхности. Стационарные не подвержены «тирании уравнения движения точки переменной массы» (жёсткому ограничению на достижимую характеристическую скорость) за счёт отсутствия, собственно, переменной массы у разгоняемого ими космического аппарата.
• Атомные — используют разогрев рабочего тела с помощью ядерных реакций. Бывают следующих типов:
  • Тепловые. Грубо делятся на два типа, обладают преимуществом в неизбирательности в топливе — без разницы, что разгонять нагревом, лишь бы оно не портило конструкцию, Зубрин например предлагал на Марсе сделать «попрыгушку» в лучших традициях огурцонов на сжиженном диоксиде углерода из местной атмосферы, и разрабатываются варианты на воде и аммиаке, которых в космосе значительно больше, чем чистого водорода или керосина.
    • Твердофазные. Твёрдая активная зона ядерного реактора омывается рабочим телом. При использовании водорода достижима скорость истечения до 9 км/с что вдвое больше чем у лучших ЖРД. Больше не получается из-за ограничения температуры рабочего тела температурой плавления активной зоны.
    • Пылефазные, жидкофазные и газофазные. Теоретические попытки решить проблему ограничения температуры плавления. Общая проблема — унос активной зоны с реактивной струёй. Так что наиболее перспективными являются газофазники где либо (теоретически) можно удержать активную зону, разогрев ее до плазмы и поставив магнитную ловушку, либо потери ядрёного топлива теоретически компенсируются высокой эффективностью.
    • К жидко/газофазным также относится «лампочка», где расплавленная активная зона содержится внутри кварцевой капсулы очень характерной формы (за что и названа). Избегает проблемы выноса активной зоны, но имеет собственную — водород практически полностью прозрачен и соответственно крайне плохо принимает излучённое тепло из активной зоны, а если его не принимать — плавиться начинает уже корпус реактора. Пытаются решить твёрдыми присадками. О том, как на это реагирует сопло, можно почитать в соседних статьях, в описании борановых двигателей.
  • Ядерно-импульсный. Вообще без реактора — летим на ударной волне ядрёной боньбы малой мощности. Урон экологии не такой уж и страшный ибо при ядерном взрыве образуются в основном короткоживущие изотопы.
  • Водо-солевой двигатель Зубрина. Гибрид предыдущих двух. Вода, богатая солями урана, из специального бака в виде бериллиевых трубок попадает в реактор, где достигается критическая масса (вода замедляет нейтроны и увеличивает их шансы попасть в ядро) и происходит зажигание реакции. Сочетает удельный импульс в 60 км/с с тяговооружённостью, достаточной для взлёта с землеподобной планеты.
  • Пока ещё теоретические, термоядерные двигатели:
    • Можно охлаждать стенку ТОКАМАКа. Но получится тот же твердофазный ЯРД, причём в большинстве случаев ещё и более радиоактивный — реакции деления дают преимущественно альфу с бетой, а легкодоступные реакции слияния жарят чистыми нейтронами, активируя всю конструкцию.
    • Лучше выбрасывать из реактора отработанную плазму.
    • Наконец ничего не мешает собрать термоядерно-импульсный взрыволет на термоядерных же бомбах хоть прямо сейчас.
• Двигатели на антиматерии — будут иметь тягу и импульс достаточные для среднестатистической космооперы. Проблема в том, что эту массу нужно как-то достать и принять меры, чтобы она не аннигилировала раньше времени.
• Солнечные паруса — сочетают околонулевую тягу с по определению околосветовой характеристической скоростью. Вдалеке от звезды можно использовать лазеры.
  • Имеют совершенно наркоманский вариант в виде радиоактивных парусов с ещё меньшей тягой, работающих за счёт процессов распада в тонко размазанном по парусу слое радиоактивного вещества.
• На матане — теоретические двигатели, использующие для создания движения различные математические концепции. Общим недостатком их является то, что их невозможно построить и эксплуатировать, потому что создатели двигателя вообще не задумываются о том, что будет энергоисточником двигателя, и о попутных проблемах эксплуатации навроде тепловыделения.
  • Например, один из вариантов Варп-двигателя, упомянутого ниже, придуманный мексиканцем Мигелем Алькубьерре. Двигает в основном споры физиков насчёт собственной возможности.
  • К матановым также можно отнести пока не воплощённые в металле вышеописанные ускорители массы и лучевые двигатели (как тепловые ядерные, только вместо реактора — лазерный/мазерный луч на дохренадцать мегаватт со спутников энергоснабжения).
  • Двигатель на метастабильном металлическом водороде. Учёные даже не знают, может ли металлический водород вообще существовать, не то что быть метастабильным (то есть не разваливаться сразу же после снятия давления, как алмазы — которые метастабильный углерод и соответственно далеко не навсегда, что бы ни говорил Бонд), но если ММВ существует, то двигатель на нём будет космооперным.
• На антинаучной бредятине — теоретические двигатели, авторы которых не знают матана и допускают ошибки в логике, игнорируя некоторые законы физики. Более половины фантастических двигателей и 100 % вечных построены именно этими людьми.
• На магии — корабли во вселенной Spelljammer плавают с помощью очень сильного колдунства по космическому океану между хрустальными сферами.
• На пердячем паре — возможно создать ракетное движение используя метано-сероводородную смесь в качестве топлива и атмосферный воздух в качестве окислителя. Используется смеха ради (в большинстве случаев) и в очень тяжелых ситуациях (в исчезающем меньшинстве случаев), и только в теории. Потому что на практике такое же dV даёт банальное стравливание газа за борт через форсунки ДПО (что невозможно даже в теории из-за того, что топливная система комбинированной двигательной установки не имеет сообщения с жилым модулем, и в ней невозможно использовать иное топливо, нежели чем то, на которое она расчитана).
• На чёрт знает чём — согласно расчетам, для изменения скорости космического корабля на 5 300 м/с посредством клюшки для гольфа, требуется боезапас в виде мешка мячей для гольфа в 160 миллиардов километров в диаметре, и этот мешок стремительно схлопывается в чёрную дыру. В качестве рабочего тела можно использовать всё что угодно — гайки, астероиды, ботинки, огнетушитель и тому подобное. Применяется в основном для обучения юных космонавтов теории полётов в невесомости и для иллюстрации закона сохранения импульса
• Гипердвигатель (варп-двигатель) — не относится ни к чему из перечисленного потому, что ученые пока не определились с тем, возможно ли его существование. Одни утверждают что математически возможно. Другие говорят что то, что возможно в теории, на практике неосуществимо хотя бы потому, что прорву энергии для его работы взять неоткуда, а значит его всё равно что не существует. Третьи утверждают что это антинаучная бредятина. А фантасты просто используют его.