Мы одержимы идеей преодоления гравитации. Мы строим теории, в которых рабочим телом может быть не химическая смесь, а пространство-время.
Здесь я привожу краткий обзор существующих и гипотетических ракетных двигателей.
Существующие ракетные двигатели
Химический ракетный двигатель
Самый изученный и распространенный. В камере сгорания химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию в результате экзотермической реакции. Топливо состоит из горючего и окислителя.
Другими словами: взяли топливо, взяли кислород, смешали и подожгли. И вот мы и летим вперёд, выбрасывая назад продукты горения в газообразном состоянии.
Классификация | |
По агрегатному состоянию топлива |
По количеству компонентов |
|
Жидкостный ракетный двигатель Компоненты топлива хранятся в баках, вне камеры сгорания и находятся в жидком агрегатном состоянии. |
Однокомпонентные (монотопливные) Существуют технические реализации, где химическая энергия высвобождается за счёт реакции разложения топлива в камере сгорания. |
|
Твёрдотопливный ракетный двигатель Компоненты топлива представляют собой спрессованную смесь топлива и окислителя. Требуется внешний источник пламени. |
Двухкомпонентные Топливо состоит из горючего и окислителя. |
|
Гибридный ракетный двигатель Один из компонентов находится в твёрдом состоянии и хранится в камере сгорания, оставшиеся компоненты подаются. |
Трёх- и более компонентные Добавляется компонент, служащий либо для воспламенения основных компонентов, либо для повышения температуры горения, либо для повышения удельного импульса |
Электрический ракетный двигатель
Здесь мы уже преобразуем электрическую энергию в направленную кинетическую энергию частиц. Тут нам тоже очень хочется выбросить что-то назад.
С рабочим телом теперь обращаемся иначе. Например, разгоняем в электрическом поле ионизированный газ или испаряем в электрическом разряде твёрдое тело.
Но пока мы не умеем отрываться от Земли с помощью этих двигателей. Взлетать нам придется на «химии». Зато электрический двигатель не вырабатывает свое топливо за несколько минут. Да, он будет очень долго разгоняться, но в космическом пространстве он может работать даже годами (3 года работал на Deep Space без дозаправки).
Химический ракетный двигатель |
Электрический ракетный двигатель |
|
Вырабатывает своё топливо за несколько минут (после чего используем инерцию + гравитационные манёвры). Химический двигатель работает недолго и сразу набирает максимальную скорость. |
Чтобы развить скорость, которую химический двигатель набрал за минуты, потребуются месяцы. Подождем еще несколько месяцев и он летит уже вдвое быстрее, да еще и имеет свободу маневра и может корректировать полет. А химический давно выработал все топливо и зависит теперь от инерции и гравитации. |
Пока нам нравится ставить их на спутники. Этому двигателю главное помочь вырваться за пределы Земли, а там он уже и сам справится.
Прототипы ракетных двигателей
Ядерный ракетный двигатель
Использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.
Рабочее тело (водород) поступает из бака в активную зону реактора, где разогревается (за счет энергии, выделяющейся при ядерных реакциях) до высоких температур и выбрасывается через сопло (создавая реактивную тягу).
Типы делятся на твердофазный, жидкофазный и газофазный (название говорит нам о том, в каком агрегатном состоянии находится ядерное топливо в активной зоне реактора).
Основной проблемой при использовании является радиоактивное загрязнение окружающей среды факелом выхлопа двигателя, что затрудняет использование двигателя на ступенях ракет-носителей, работающих в пределах земной атмосферы.
Нет ни одного случая практического применения ядерных ракетных двигателей, несмотря на то, что основные технические проблемы создания такого двигателя были решены ещё в прошлом веке. Авария обеспечит радиационное загрязнение атмосферы и осложнит геополитическую ситуацию. Но мы нуждаемся в ядерных двигателях, так как химические ракетные двигатели достигли предела своей эффективности.
Световой (солнечный, фотонный) парус
Огромное, прочное полотно, которое движется за счёт потока фотонов либо лазера.
Парусу не нужно топливо, но ему необходимо давление света. Если в качестве источника мы возьмем Солнце, то к границам Солнечной системы давление уменьшается до слишком малых величин. Помимо этого нужно быть аккуратным с маневрированием, чтобы солнечный парус не превратился в солнечный тормоз. Свет должен "дышать нам в спину". Плюс парус боится космического мусора. Конструкция очень габаритная (чем больше площадь, тем больше она уловит света). Но ничего, уже проводились испытания по раскрытию паруса в космосе.
С лазером тоже загвоздка.
Во-первых, мы должны вывести лазер за орбиту Земли.
А во-вторых мы боимся, что лазер могут направить не в парус, а на Землю (= орбитальная боевая платформа).
Электрический парус
Вместо фотонов света используем солнечный ветер.
Двигатель состоит из сети длинных алюминиевых тросов с положительным потенциалом и электронной пушки. Электронная пушка создает луч электронов, направленный против движения космического корабля, из-за чего тросы приобретают положительный заряд. Создаётся электрическое поле, тормозящее ионы солнечного ветра. Ударяясь, они передают свой импульс парусу и приводят в движение космический корабль.
Длина "усов" должны быть порядка нескольких тысяч км., но развернуть их проще, чем полотно солнечного паруса. Помимо этого мы можем двигаться к источнику направленных частиц, а не от них. Очевидно, что он куда меньше боится постороннего космического мусора.
Сила разгона корабля электрическим парусом в 200 раз меньше, чем у аналогичного по размерам солнечного паруса.
Гипотетические ракетные двигатели
Фотонный ракетный двигатель
В фотонном двигателе сточником энергии служит тело, которое излучает свет. Фотон имеет импульс и при истекании из двигателя свет создаёт реактивную тягу. То есть "фонарь", излучая свет, толкает сам себя. Теоретически фотонный двигатель позволяет достигать скоростей, близких к скорости света.
Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.
При аннигиляции антивещества (антипротоны + позитроны), примерно 1/3 энергии выделится в виде жёсткого гамма-излучения, 1/3 энергии — в виде заряженных частиц, а 1/3 — безвозвратно будет потеряна (нейтрино). При такой массовой отдаче, эксплуатация фотонного двигателя выглядит не выгодной.
Ряд проблем, которые сейчас не могут быть решены:
Проблема получения большого количества антивещества.
Проблема его хранения.
Проблема полного использования, чтобы аннигиляция происходила полностью, и с выделением именно фотонов.
Проблема создания «зеркала», способного отражать гамма-излучение и другие продукты аннигиляции.
Варп-двигатель
По одной из теорий варп-двигатель будет перераспределять так называемую «тёмную энергию» в охватывающем корабль пространстве, создавая позади корабля её избыток и её недостаток перед кораблем. Т.е. пространство позади корабля «раздуто», а перед кораблём — «сжато».
Корабль оказывается внутри своеобразного пространственного пузыря, как в контейнере, относительно которого неподвижен, а движется сам этот пузырь с кораблем внутри.
По модели «Пузырь Алькубьерре», такое искривление пространства достигается за счет использования релятивистских эффектов, описываемых общей теорией относительности.
Комментарии (42)
semmaxim
18.10.2025 18:49Ну это же далеко не всё.... Что, например, по поводу двигателя Бассарда?
BugM
18.10.2025 18:49Ровно тоже самое. Он не работает даже в теории. Вещества между звездами настолько мало что цифры не сходятся.
Rsa97
18.10.2025 18:49В теории то, вроде, как раз работает. Но даже в теории с огромной магнитной воронкой радиусом в десятки километров и идеальным протон-протонным циклом двигателя скорость не будет выше 0.119c.
На практике мы не умеем делать термоядерные двигатели с таким циклом. Другие же варианты требуют наличия второго компонента топлива на самом корабле (литий-6 или бор-11) и дают меньшую скорость.BugM
18.10.2025 18:49Как в теории не работает. Где-то в последние годы заново оценили количество межзвездного вещества. И уменьшили его оценку на порядки. Воронка превратилась в какие-то неразумные тысячи километров при смешной тяге.
Тут почитать.
Rsa97
18.10.2025 18:49Почитал.
Their calculations showed that Fishback’s proposal of magnetic scooping (or particle trapping) for a Bussard ramjet is physically feasible. Particle can indeed be collected by a magnetic field and guided into a fusion reactor, achieving acceleration up to relativistic speeds.
However, the authors also found that absurdly long magnetic coils would be needed for the funnel in order to achieve a thrust of 10 million newtons (twice the propulsion of the space shuttle). And that funnel would have to have a diameter of 4,000 kilometers.То есть, по их расчётам, идея Бассарда физически осуществима, но размер электромагнитов для неё слишком большой, как минимум на данном этапе развития человечества.
BugM
18.10.2025 18:49Не на данном. Оно вообще слишком большое чтобы быть осущесвивым.
Получается конструкция в тысячи километров, с тягой как у нашей химической ракеты. Такое никуда не улетит. Конструкция будет весить слишком много. Сопромат он у всех одинаковый.
Лучше верить что излучение Хокинга существует и соответствует нашим расчетам хотя бы примерно. Оно дает источник энергии любой мощности. Вообще любой. Компактный источник. Надо просто массу с собой тащить. А это уже техническая задача.
semmaxim
18.10.2025 18:49Он гораздо разумнее и осуществимее, чем представленные здесь фотонные и варп. Да и на основе идей Бассарда есть интересные разработки. Например, концепция использования межзвёздного газа как рабочего тела для ядерного двигателя - так называемый RAIR (ram-augmented interstellar rocket). Или использование коллектора наоборот - как тормоза об солнечный ветер при подлёте к звезде.
BugM
18.10.2025 18:49Нет. Нет того межзвездного газа. Посчитали еще раз и поняли что его гораздо меньше чем в 60тые казалось.
Оно точно так же не работает как фотонный.
DGN
18.10.2025 18:49Грубо говоря, чтобы ускорить атом водорода, его надо сначала затормозить. Даже отклоняя его в воронке, мы будем терять импульс.
vanxant
18.10.2025 18:49использование коллектора наоборот - как тормоза об солнечный ветер при подлёте к звезде
Это называется магнитный парус Зубрина)
Kabach
18.10.2025 18:49Непростительно мало написано про ТЯРД, а ведь это единственный реальный двигатель который может помочь в освоения солнечной системы. Конечно постоянные 0.3 g во время полёта на Марс это фантастика сродни варпдвигателю, но и постоянные 0.05 g уже сделают перелет сродни плаванию из Европы в Америку на современном корабле. Так или иначе, но нормальное освоение космоса однозначно завязано именно на этот тип двигателя и способ получения энергии. Ну без прорывов в материалах и технологиях охлаждения тут тоже не обойтись.
vanxant
18.10.2025 18:49"Термояд будет через 20 лет" (с)
При этом ядерные технологии уже готовы, и почему бы не использовать их?
Чего думаете все страны так на Луну резко ломанулись? А там лёд нашли, т.е. воду, которую можно поднять в точки Лагранжа практически одним лишь электричеством. А вода это не только ценный мех, но и рабочее тело для ядерного двигателя и одновременно "носитель холода" для него же.
Дальше нужно взять
простой советскийвысокотемпературный ядерный реактор и греть им эту воду, направляя пар в сопла. И вуаля, можно тащить на Марс и обратно тыщщи тонн.
Ilya_JOATMON
18.10.2025 18:49А двигатель на основе множества линейных ускорителей? Которые разгонят ионы до околосветовых скоростей.
programania
18.10.2025 18:49Лучше не линейный, а кольцевой как БАК с питанием от АЭС.
При увеличении скорости увеличивается масса.
Поэтому запас рабочего тела будет не нужен - хватит межзвёздного вещества.
И возможно, космические частицы ультравысокой энергии неизвестного происхождения
это выхлоп инопланетных звездолётов.
Таким образом звездолёт будет иметь форму кольца-ускорителя,
которое будет крутиться и создавать земное тяготение.BugM
18.10.2025 18:49Вы же представляете себе КПД ускорителей? И объемы вещества которые там ускоряются? Нет, это не решаемые проблемы. Это свойство технологии.
Кидаться тапочками экипажа в сторону откуда надо улететь эффективнее. Быстрее долетите.
programania
18.10.2025 18:49КПД ионных реактивных двигателей составляет от 60% до 80%.
И они широко используются. А это и есть линейный ускоритель.
А кольцевой ускоритель это и есть множество линейных
с поворотом сверхпроводящими магнитами.
Это увеличивает скорость и тягу и уменьшает расход рабочего тела
при примерно том же КПД.BugM
18.10.2025 18:49Вы КПД не от того считаете. Электричество это совсем не то чего у вас много в космосе. От тепла считать надо. Его мы делать умеем и тепло это все что мы сможем делать в космосе в любых разумных исторических сроках. Минимальная тяга ионных двигателей вообще неспроста.
И как обычно холодильники для цикла Карно надо учесть. Их тоже надо возить с собой. Если тепла столько что само собой не остынет.
Реакторы с прямым производством электричества в теории возможны (физика разрешает) но они не работают даже в лабораториях.
В итоге просто сжечь топливо и разгоняться реактивной тягой выходит выгоднее. Ионные двигатели только для очень медленных коррекций с питанием от солнечных панелей. И так уже десятилетия. Чего-то что надо просто придумать там точно нет. Нужны какие-то принципиальные изменения.
Filipp42
18.10.2025 18:49Есть проекты, в которых ядерный реактор охлаждается огромными радиаторами.
BugM
18.10.2025 18:49Есть, и цифры не сходятся. Они слишком огромные. И их надо разгонять. и биологическая защита огромная и ее тоже надо разгонять.
Точнее сходятся, но там никакого принципиального прорыва от химических ракет не случается. Требуется так много массы с собой тащить что то на то и выходит. И непонятно зачем кучу денег тратить, если тоже самое и выйдет.
DGN
18.10.2025 18:49А собственно, зачем электричество? Если мы активную зону поместим в фокус параболы отражателя ИК излучения, то можно лететь напрямую от реактора. Маленький технический вопрос - высокоэффективное ИК зеркало, высокоэффективная теплоизоляция (чтоб не тормозить этим зеркалом), реактор работающий при высоких температурах, потому что в фокусе будет жарко.
И реактор производящий напрямую электричество, все равно будет давать много тепла.
BugM
18.10.2025 18:49Так это не ускоритель. Схем прямоточных ядерных двигателей уже достаточно. Без всяких странных зеркал все делается без особых проблем.
Там проблема ровно та же. Как охлаждать все это добро? Тепло вы ничем не отразите, нет таких зеркал. И не будет.
DGN
18.10.2025 18:49Почему не будет? Для оптического диапазона отражатели есть, а для ИК получается нет?
Прямоточнику нужно рабочее тело. И скорость его истечения, ну вдвое выше химического.
BugM
18.10.2025 18:49https://physics.stackexchange.com/questions/309707/can-a-mirror-reflect-flame
Примерно так. Автоперевод справляется неплохо.
onets
18.10.2025 18:49Недавно попалась статья как китайцы сделали улучшенный прототип плазменного двигателя - сжатый воздух и микроволны https://www.ecoticias.com/en/batteries-china-plasma-jet-engine/21372/#
(Факт чекингом не занимался, может и наврали)
YAROSLAVBOGDANOV
18.10.2025 18:49Ещё со времен чтения "Вселенной. Жизни. Разума" Иосифа Шкловского думал, на чём же я отправлюсь к Седне и Харону? Оказывается выбор есть!) Спасибо за обзор!
Bedal
18.10.2025 18:49Начать надо было бы с цели при создании двигателя.
При полёте в атмосфере нет проблем с рабочим телом, зато энергию нужно экономить. Потому эффективный в атмосфере двигатель должен отбрасывать струю со скоростью, примерно равной скорости полёта.
В космосе же главной проблемой становится рабочее тело. И потому для получения той же тяги (импульса, mV) приходится уменьшать отбрасываемую массу за счёт увеличения скорости. Получая при этом огромные, в сравнении с атмосферными условиями, расходы энергии. Ведь энергия - mV².
Именно по этой причине требуются источники большой (ядерный реактор) или "бесплатной" (солнечные батареи) энергии и разгон рабочего тела до предельно больших скоростей.
При взлёте, преодолении тяготения, тяга нужна настолько большая, что "космический" подход неприменим, нужен компромисс между энергетикой и скоростью струи. Таким компромиссом являются ЖРД и, очевидно, так будет всегда. При [почти] любых усовершенствованиях других типов двигателей.
DGN
18.10.2025 18:49Как раз на взлете, подойдет ядерный прямоточник, как минимум на первую ступень. Пока проблема в том, что не удается создать такую активную зону, чтобы она не теряла радиоактивные частицы. Ну и надежность надо поднять, авария ядерного носителя может быть очень грязной.
BugM
18.10.2025 18:49Прямоточник это буквально через активную зону рабочее тело прокачивать. Оно в процессе облучится, терять ничего не надо. Двухконтурные системы тяжелые.
И да аварии. Любая авария это Чернобыль на минималках. Не надо такое никому даже с пятью девятками надежности.
Незапущенный реактор достаточно безопасен даже при аварии. С этим нет проблем.
Так что взлетать нам на химических двигателях еще неопределенное но точно очень долгое время. Хотя бы орбиты километров в 800.
DGN
18.10.2025 18:49Насколько я понимаю, ни азот, ни кислород не активируются ионизирующим излучением. Проблема именно разрушения и диффузии активной зоны.
В Чернобыльском реакторе лежало 215 тонн только топлива, и ещё больше активного графита. В прямоточнике ракеты их будет примерно на порядок меньше, а значит и максимальная авария очень на минималках. Ракеты пускать можно с острова в Тихом океане, а не в центре Европы.
BugM
18.10.2025 18:49Водород это странное решение для такого двигателя. Самый проблемный газ же.
Азот или что потяжелее нормально активируется. Там разных вариантов радиоактивных изотопов вагон. Я не специалист по радиохимии, но выглядят так что ни вполне себе будут образовываться.
У островов есть нерешаемые проблемы. Кто же им доверит секретный военный спутник? И кто им отдаст власть решать кто полетит, а против кого санкции? Стоит считать что текущая география запусков как минимум сохранится, а как максимум расширится. Больше стран захотят свои не зависящие ни от кого площадки для запусков.
Bedal
18.10.2025 18:49активируется всё. Вопрос только в энергии активации. Ксенон используют именно из экономии энергии. Ибо, она хоть и "халявна" (солнечные батареи), но не бесконечна.
Bedal
18.10.2025 18:49Попробуйте понять написанное, платформа вроде для "технарей" ведь.
В космосе ускорение 1 м/сек - прекрасно. За 4 часа можно до Луны долететь, и это с учётом торможения рядом с ней назад до нуля.
Для взлёта с Земли в режиме, аналогичном ЖРД-РН, требуется ускорение раз в 30 больше. А, значит, и импульс в 30 раз больше. Если достигать его за счёт увеличения скорости струи, энергии потребуется больше в 900 раз. Это не считая того, что в атмосфере подобная скорость струи невозможна. Не случайно у атмосферных версий ЖРД сопло значительно меньше вакуумных вариантов - эффективная скорость струи меньше.
Ладно, можно взлетать с малыми ускорениями, хоть почти нулевыми. Это даже здорово, комфортно. Но тягу, равную весу, обеспечить всё равно надо. Энергии потребуется "всего" в 100 раз больше. Зато расход рабочего тела на более долгую работу двигателей съест весь выигрыш.
Так что мы в ловушке ЖРД надолго. И даже телепортация не поможет - могу объяснить, почему.
kemm
18.10.2025 18:49И даже телепортация не поможет - могу объяснить, почему.
А почему, кстати? При условии, что телепортировать шайтан-агрегат не на условные 100км (тут понятно, кроме как ХРД не на чем успеть набрать 1ю космическую до того, как шваркнуться об Землю), а куда подальше.
Bedal
18.10.2025 18:49практически неважно, на сколько. Телепортация мгновенна, ничего "раздвинуться" не успеет, и элементарные частицы окажутся в одной точке. Ладно, пусть точного совпадения не будет - но и частицы не геометрические точки. Даже при идеально попадании "между" расстояния между частицами не будут соответствовать стационарным условиям. Другими словами, будет взрыв с энергией от ядерного до аннигиляции.
В вакууме частиц нет? А виртуальные? Которые "постоянно возникают и исчезают в результате действия принципа неопределённости Гейзенберга"? В любом случае мало не покажется.
DGN
18.10.2025 18:49А как же центрифужные системы, когда корабль разгоняется до скажем 15км/сек, потом проходит атмосферу испаряя абляционную защиту, то есть процесс обратный посадке.
BugM
18.10.2025 18:49Лететь на космических скоростях в плотных слоях атмосферы не лучшая идея. В обратную сторону корабли тормозят на десятках километров где атмосферы очень мало.
10 километровая гора тоже не спасет.
BugM
Не буду совсем про фантастику. Во имя Императора!
Но вы даже основную проблему ядерного двигателя неверно назвали. Его основная проблема это холодильник способный рассеивать все тепло реактора. Ядерные реакции не особо останавливаются по кнопке и надо топливо охлаждать годами. Выделяемое тепло уменьшается очень медленно.
А вон на радиоактивный выхлоп выше низких орбит всем все равно. Радиация это полностью природная штука для космоса.
Паруса всех видов и фотонные двигатели не работают из-за совершенно смешных ускорений которые могут обеспечить даже в теории. Ну разве что у вас правда есть лазеры на орбите с какой-то страшной мощностью. Мощности нужны сравнимые с всей земной энергосистемой.
MountainGoat
Поспорю. Остановимый ядерный реактор сделать можно, просто он сейчас не особо нужен. Нужно всего лишь сконструировать такие держатели ядерной сборки, которые бы позволили её быстро разбирать и прокладывать замедлитель между ними. Просто в условиях АЭС кинуть палку в яму с водой и пусть там лежит - проще.
BugM
Оно примерно так и работает. Вводят замедлители и останавливают поддержание реакции.
А тепло куда девать будете? У вас море всего очень радиоактивного. И оно греется. Это неостановимый процесс. Пока оно не распадется до чего-то менее радиоактивного. Это ну пусть год. Дальше выделение тепла уже заметно падает.
Даже не особо радиоактивный плутоний теплый. Всегда теплый. И это период полураспада десятилетия. А в только что остановленном реакторе море всего с периодом полураспада недели и месяцы. Оно и греется.
Bedal
и проиграете. Ув. @BugMсовершенно прав, главная проблема - сброс тепла. И не покупайтесь на то, что абсолютно чёрное тело при 1000К может излучить 56,7МВт с квадратного метра. Есть много факторов (включая нагрев от Солнца, Земли, Луны - сразу ко всем ребром не расположишься), которые делают сброс проблемным. Почитайте хотя бы про эпопею с "Зевсом" и попытку сделать капельную систему охлаждения (чтобы получить огромную площадь излучения).