Справочник автора/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.
• Ещё одна аналогия, для тех, кому нагляднее через закон сохранения импульса. Представьте, что есть корабль весом 100кг и ему нужно набрать скорость в 1км/с. Что нужно для этого сделать? "Выбросить" в противоположную сторону массу топлива весом 100кг со скоростью в 1км/с - это и создаст нужный импульс! А можно "выбросить" и 10кг, но со скоростью 10км/с - это и будет увеличением удельного импульса. Ну или выбросить 1000кг топлива со скоростью 0.1км/с - получится увеличение тяги. Это, кстати, отсылает к тому самому уравнению Циолковского, которое так мешает с существующими "малоимпульсными" двигателями летать к другим звёздам за разумное время без бака размером с Луну. А ещё на практике мы выбрасываем топливо не мгновенно, а постепенно, таща при этом ещё и то, что не успели сжечь, но для нашего примера хватит.

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. Но в основном в качестве питания применяется окислитель и собственно топливо. В качестве достоинства — химические двигатели пока что обладают самой высокой тягой среди других двигателей. Из-за этого это единственный тип, который может "затащить" корабль на орбиту, но их низкий импульс также требует огромного количества топлива.
• электрореактивные — целая куча разновидностей двигателей, основанные на разгоне рабочего тела с помощью электричества. Самый высокий импульс из существующих, но небольшая тяга, поэтому используются там, где торопиться некуда - например для поддержания и ориентации спутников на орбите. Вторая проблема - собственно электричество, которого поэтому для хорошего разгона нужно МНОГО. Возможное решение - компактный ядерный реактор, проблема в тем, что охлаждать в вакууме их пока не научились.
  • 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
• атомные — используют разогрев рабочего тела с помощью ядерных реакций. Бывают следующих типов:
  • Твердофазные. Твердая 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 струей. Так что наиболее перспективными являются газофазники где либо (теоретически) можно удержать активную зону разогрев ее до плазмы и поставив магнитную ловушку, либо потери ядреного топлива компенсируются высокой эффективностью.
  • Ядерно-импульсный. Вообще без реактора - летим на ударной волне ядреной бомбы 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 удельной тягой достаточной для взлета с землеподобной планеты.
• Пока ещё теоретические, термоядерные двигатели:
  • Можно охлаждать стенку ТОКАМАКа. Но получится тот же твердофазный ЯРД, хотя и не такой радиоактивный.
  • Лучше выбрасывать из реактора отработанную плазму.
  • Наконец ни чего 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.
• 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.
• 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.