Топ-10 концептов аппаратов для путешествий в далекие-далекие галактики

Skylon Проект Skylon разрабатывается британской компанией Reaction Engines Limited (REL). Космический самолёт класса SSTO (Single Stage to Orbit) способный взлететь с обычного аэродрома, выполнить свою миссию на орбите, а затем сесть на тот же аэродром для обслуживания, осмотра, дозаправки и нового рейса.

Самое сложное звено в этом проекте — двигатель SABRE, который сочетает в себе качества турбореактивного, прямоточного и ракетного двигателей и работает с достаточной эффективностью на всех участках траектории, от взлетной полосы до орбиты. Космолёт Skylon после подъема в воздух будет работать как обычный самолет, используя аэродинамическое качество несущих поверхностей, а установленная силовая установка SABRE работает как гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

В это время забортный воздух под очень высоким давлением доставляется в камеру сгорания, в которой в качестве горючего применяется водород. В данном режиме двигатель работает до тех пор, пока космолет не разгонится до скорости в 5,4 маха, а высота полета не достигнет 25 км. После этого силовая установка переходит на работу в ракетном режиме, используя окислитель в виде жидкого кислорода. Космолет, предположительно, сможет находиться на низкой околоземной орбите в течение 36 часов. Описанный принцип позволяет существенно сократить количество окислителя на борту, это же избавляет космолет от необходимости сброса отработанных ступеней.

При самом идеально развитии ситуации Reaction Engines рассчитывает уже в 2020-х годах приступить испытаниям первого построенного космолета Skylon, который теоретически получит все шансы стать революцией всей космической отрасли. В будущем английские инженеры рассчитывают использовать Skylon в роли транспортного корабля, который мог бы доставлять астронавтов и грузы на МКС.

Ядерная энергодвигательная установка от «Росатома» В 2016-м «Росатом» объявила, что создает ядерный двигатель, который доставит космонавтов на Марс за полтора месяца. И еще останется топливо на обратный путь. Россия может не добиться поставленной цели — запустить опытный образец к 2025 году. Но это связано скорее с финансовой ситуацией в стране, а не с техническими трудностями по созданию ядерной силовой установки.

Двигатель будет вырабатывать тепловую энергию, расщепляя атомы, а эта энергия будет сжигать водород или какое-то другое вещество. Струя пламени идет в одном направлении, космический корабль движется в другом. Этот принцип довольно близок к реактивному движению с использованием химического топлива. Самые быстрые ракеты на химическом топливе производят тяговое усилие, воспламеняя один тип химического вещества (окислитель), который сжигает другой (реактивное топливо), создавая тягу.

Технические решения, заложенные в концепцию транспортно-энергетического модуля, позволят решать широкий спектр космических задач, включая программы исследования Луны и исследовательские миссии к дальним планетам, создание на них автоматических баз.

Двигатели на антиматерии НАСА и другие ведущие космические агентства мира признали, что изучать космос будет невозможно без создания новых двигательных и энергетических установок, способных вывести человечество на межзвездный уровень. Сразу пять проектов, одобренных в рамках NIAC (программа НАСА по разработке перспективных концепций), посвящены созданию подобных систем, которые могут или разгонять звездолеты до околосветовых скоростей, или двигаться практически бесконечно долго.

Так, авторы проекта RPP предлагает построить установку, топливом в которой станут редкие изотопы. Их распад приведет к формированию позитронов — простейшей формы антиматерии. Эти позитроны можно объединить в единый пучок частиц антиматерии, чьи столкновения с пучком обычной материи будут порождать мощную тягу и разгонять корабль до околосветовых скоростей.

Корабли с термоядерными двигателями смогут добраться до Юпитера за 4 месяца, открывая таким образом путь к внешней Солнечной системе человеческим экспедициям, согласно отчёту НАСА за 2010 г.

Чтобы сделать эту технологию доступной, учёным придётся преодолеть немало препятствий - в частности связанных с получением и хранением антиматерии, - но некоторые эксперты полагают, что она может быть готова уже к середине столетия.

«Орион» «Орион» - проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного пространства, разрабатывавшийся в США в 1950—1960-х годах.

Двигатель корабля «Орион» — ядерно-импульсный, в основу его работы положено использование энергии ядерного взрыва. Из космического аппарата, в направлении, противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м).

Заряд сконструирован таким образом, чтобы бо́льшая часть продуктов взрыва в виде расширяющегося плазменного фронта, движущегося с релятивистскими скоростями, была направлена в хвост космического корабля: где массивная отражающая плита принимает на себя импульс и передает его кораблю через систему амортизаторов (или без них — для беспилотных версий). От повреждения световой вспышкой, потоками гамма-излучения и высокотемпературной плазмой отражающая плита защищена абляционным покрытием из графитовой смазки, возобновляемым после каждого подрыва

Проект «Орион» закрыт в 1965 году и в настоящий момент не только не разрабатывается, но и не рассматривается в качестве потенциального направления создания двигателей для космических аппаратов. Тем не менее, ядерные «взрыволёты», разрабатывавшиеся по программе «Орион», некоторое время были единственным типом межзвёздного корабля, который мог бы быть создан на основе имеющихся технологий и принести научные результаты в относительно недалеком будущем.

Двигатели на ионах и наночастицах Ионные двигатели используют электричество (обычно генерируемое солнечными батареями или газовым топливом) для вытеснения плазмы — газоподобного облака заряженных частиц — из сопла, создавая таким образом тягу. По данным NASA, такой метод тяги способен разогнать космический корабль гораздо быстрее, чем химические двигатели. Теоретически, корабль с таким двигателем может долететь до Марса за две недели, при условии, что он стартует, когда расстояние между нашими планетами будет минимальным (56 млн км).

Ионные двигатели к тому же более экономичны и требуют меньше топлива, если пропеллентом выступает газ, вроде ксенона, а не солнечные батареи. Так, исследовательский зонд NASA ­— Dawn, — который вышел на орбиту карликовой планеты Церес, как раз использует ионный двигатель на базе ксенона. Минус ионного двигателя состоит в слабой тяге: чтобы разогнать корабль, ему нужно работать довольно длительное время. Поэтому, например, его нельзя использовать на Земле, только в космосе.

Идея малых космических кораблей и двигателей для них особо актуальна для спутников, где размер имеет значение. Порядка 95% массы может приходиться на систему маневрирования, что в большинстве случаев является проблемой. Для этого разрабатывается двигатель NanoFET, который электростатически заряжается и ускоряет предварительно созданные наночастицы для импульса.

Первый успешный прототип позволял использовать в качестве рабочего вещества частицы диаметром 1-10 мкм, а второй уже рассчитан на нано размер. Подобные системы отличаются высокой эффективностью, мощностью, точностью, экологичностью, а самое главное - габаритами. Помимо этой разработки существуют и аналогичные, которые призваны предложить решение актуальной проблемы.

Резонансный двигатель В конце июля 2014 года, как утверждали многочисленные таблоиды, NASA одобрило и по итогам испытаний признало работающим двигатель EmDrive, который совсем не использовал топлива и создавал тягу за счет генерируемых магнетроном микроволн.

Фактически устройство представляло собой полый медный конический резонатор, запаянный с обоих концов. К резонатору крепился магнетрон – прибор, генерирующий микроволновое излучение. Такие магнетроны широко используются, например, в СВЧ-печах.

По заявлениям авторов, стоячая волна электромагнитных колебаний в замкнутом резонаторе специальной формы является источником тяги. Вне резонатора не испускается не только вещество, но и электромагнитное излучение. Отсутствие расходуемого рабочего тела у этого двигателя, по-видимому, нарушает закон сохранения импульса, а какое-либо общепринятое объяснение этого противоречия авторами разработок не предложено.

Экспериментальные данные не дают однозначного подтверждения или опровержения работоспособности подобной установки, что связано в том числе с небольшой величиной предполагаемого эффекта, сравнимой с погрешностями измерений.

Физики объясняют полученные экспериментаторами немногочисленные положительные результаты ошибками в экспериментах. Единственное опубликованное в научном журнале независимое исследование, которое показало положительный результат — это эксперимент группы Eagleworks 2016 года; в нём были устранены многие источники возможных ошибок, однако научная группа из Дрезденского технического университета предполагает, что полученная группой Eagleworks тяга возникала из-за влияния магнитного поля Земли на элементы установки, а не из-за самого EmDrive.

Фотонный лазерный двигатель Фотонный двигатель — гипотетический ракетный двигатель, где источником энергии служит тело, которое излучает свет. Фотон имеет импульс, и, соответственно, при истекании из двигателя, свет создаёт реактивную тягу. Теоретически фотонный двигатель может развить максимально возможную для реактивного двигателя тягу в пересчёте на затраченную массу космического аппарата, позволяя достигать скоростей, близких к скорости света, однако практическая разработка таких двигателей, судя по всему, дело достаточно отдалённого будущего.

Космическая пусковая Пушка Гаусса Космическая пушка — метод запуска объекта в космическое пространство с помощью огнестрельного оружия типа огромной пушки или электромагнитной пушки. Относится к безракетным методам вывода объектов на орбиту.

В проекте высотных исследований Военно-морских сил США использовалась 16-дюймовая (406 мм) пушка с длиной ствола 100 калибров (40 м), стрелявшая 180-килограммовыми снарядами без разрывного заряда, имевшими начальную скорость 3600 метров в секунду, которые достигали максимальной высоты 180 километров. Следовательно, эта пушка позволяет снаряду выполнить суборбитальный космический полёт.

Однако пока ни одна космическая пушка ни разу не осуществила успешный запуск объекта на орбиту. Космическая пушка сама по себе не способна доставить объект на стационарную орбиту вокруг планеты без выполнения корректировки курса объекта после запуска, поскольку сама пушка является точкой траектории, а орбита — это замкнутая траектория.

Большие перегрузки, испытываемые снарядом, означают, что, скорее всего, космические пушки не смогут благополучно вывести на орбиту человека или хрупкие инструменты, а будут ограничиваться доставкой грузов или спутников повышенной прочности. Исключение составляют электромагнитные пушки, в которых время разгона теоретически не ограничено и отсутствует ствол, создающий чрезвычайно высокую силу сопротивления воздуха, действующую на носовую часть снаряда.

Сопротивление атмосферы создаёт дополнительные трудности и в управлении полётом уже выпущенного снаряда. Если ствол космической пушки достигает верхних слоёв стратосферы, где воздух менее плотный, то частично эти проблемы решаются.

Варп-двигатель Варп-двигатель, или двигатель Алькубьерре — возможная перспективная технология, которая, согласно гипотезе, позволит звездолёту, оснащённому таким двигателем, перемещаться со скоростью выше скорости света, и таким образом преодолевать межзвёздные расстояния за приемлемое время. Варп-двигатель, фигурирующий в научной фантастике, есть вымышленная технология.

Работа двигателя Алькубьерре возможа, как ожидают некоторые физики, благодаря общерелятивистским эффектам. Пространство перед кораблем сжимается, а позади него — расширяется, что позволяет ему буквально «пронзать» пространство, оставаясь на месте. Корабль не разгоняется — локально — даже до околосветовых скоростей, но тем не менее движется быстрее, чем плоская электромагнитная волна в вакууме. Например, вымышленный варп-двигатель в «Звёздном пути» работает именно так.

Но не стоит думать, что варп-двигатель оставили для киношных звездолетов. В августе 2008 года Министерство обороны США предложило десяткам научных групп заняться рассмотрением вопросов перспектив исследования совершенно новых аэрокосмических технологий, включая новые методы движения, взлета и скрытности. Среди представленных работ значился 34-страничный доклад, подготовленный двумя учеными под заголовком «Варп-двигатель, темная энергия и манипуляция дополнительными измерениями». Документ был представлен перед военными 2 апреля 2010 года и лишь недавно был открыто опубликован Разведывательным управлением Министерства обороны США (DIA)

«Возможность управления более высоким пространственным измерением позволит получить технологический контроль над темной энергией, что в свою очередь откроет возможность к разработке более экзотических пропульсивных технологий. В особенности – вапр-двигателя», — отмечается в отчете и здесь же добавляется, что «благодаря этому путешествия к другим планетам Солнечной системы будут осуществляться не за годы, а за считанные минуты и часы, а полеты внутри местного звездного скопления можно будет осуществлять за недели, а не за сотни тысяч лет».

Космический парус Такой аппарат будет использовать для перемещения давление солнечного света или солнечного ветра – потока заряженных частиц, летящих по направлению от нашей звезды с большими скоростями. Также недавно было представлено несколько проектов, предлагающих осуществлять разгон аппарата с парусом с помощью мощного лазерного излучения. Но, несмотря на обилие подобных проектов, все они еще далеки от эффективного практического применения.

В Центре космических полётов Маршалла велись испытания в рамках проекта по разработке электрического паруса. Согласно расчётам NASA, менее чем за 10 лет космический "парусник" способен достигнуть гелиопаузы — точки пространства, где солнечный ветер неотличим от ветра других звёзд. В отличие от солнечных парусов, которые передвигаются благодаря давлению света, электрические паруса способны работать на расстояниях свыше пяти астрономических единиц, а ускорение может происходить на расстояниях около 16−20 астрономических единиц.