Что такое фотонные ракетные двигатели

Фотонная ракета — Photon rocket

Ракета фотона является ракетой , которая использует тягу от импульса излучаемых фотонов ( излучение давления излучения ) для его приведения в движении. Фотонные ракеты обсуждались как двигательная установка, которая могла бы сделать возможным межзвездный полет, который требует способности двигать космический корабль до скорости не менее 10% от скорости света, v ≈ 0,1 c = 30 000 км / с (Цандер, 1967). Фотонная двигательная установка считается одной из лучших доступных концепций межзвездной двигательной установки, поскольку она основана на установленных физике и технологиях (Форвард, 1984). Предлагается использовать традиционные фотонные ракеты с бортовыми генераторами, как вядерная фотонная ракета . Стандартный учебный случай такой ракеты — идеальный случай, когда все топливо превращается в фотоны, которые излучаются в одном направлении. В более реалистичных трактовках принимается во внимание, что пучок фотонов не идеально коллимирован , что не все топливо превращается в фотоны и так далее. Потребовалось бы большое количество топлива, и ракета была бы огромным кораблем.

Ограничения, налагаемые уравнением ракеты, можно преодолеть, если реакционная масса не переносится космическим кораблем. В лучевой лазерной силовой установке (BLP) генераторы фотонов и космический корабль физически разделены, и фотоны направляются от источника фотонов к космическому кораблю с помощью лазеров. Однако BLP ограничен из-за чрезвычайно низкой эффективности генерации тяги при отражении фотонов. Один из лучших способов преодолеть присущую фотонному двигателю неэффективность в создании тяги — это усиление передачи импульса фотонов за счет рециркуляции фотонов между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения, одно из которых неподвижно, или на двигателе, другое — «парус». .

Чаще всего обсуждаются и упоминаются в научно-фантастической литературе идеи создания такого двигателя с использованием антивещества. Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.

Тем не менее надо отметить, что распространённая в литературе формулировка «при аннигиляции выделяются гамма-кванты» в принципе физически неверна. Гамма-кванты прямо выделяются только при электрон-позитронной аннигиляции [1] . В случае аннигиляции покоящейся (не релятивистской) пары протон-антипротон происходит сложно-цепочечная реакция: образование (часто) адронного мезоатома со временем жизни порядка 10 −27 секунды, затем распад этого атома (собственно аннигиляция) с образованием пионного комплекса, состоящего из 2—12 (в среднем 5—7) нейтральных (1/3) и заряженных (2/3) пи-мезонов (пионов), затем за время порядка 10 −17 секунды нейтральные пионы распадаются с выделением гамма-квантов с пиком энергии в спектре около 70 МэВ, в то время, как заряженные пионы, имеющие значительно большее время жизни, до

1,5×10 −4 секунды, удаляются с околосветовыми скоростями из области реакции (в вакууме и разреженной среде — до 20—40 м, в плотном веществе, например, графите — порядка 0,1—0,2 м) и затем распадаются с образованием мюонов, в свою очередь распадающихся (в основном, 99,998 %, канале распада) на нейтрино и электроны.

Таким образом, при аннигиляции антивещества — то есть вещества, состоящего из антипротонов и позитронов, примерно 1/3 энергии выделится в виде жёсткого гамма-излучения с энергией квантов 511 кэВ (от позитронно-электронной аннигиляции) и 70 МэВ от распада нейтральных пионов,

1/3 энергии — в виде заряженных частиц с достаточно большим пробегом, а

1/3 — в виде нейтрино, то есть безвозвратно будет потеряна. И «реальный» ракетный двигатель на антиматерии скорее должен выглядеть, как магнитная ловушка для заряженных частиц, а не как некое «зеркало». Как, например, на кораблях типа «Хиус», описанных в романах А. и Б. Стругацких. [ источник не указан 4003 дня ] .

При такой невысокой массовой отдаче, порядка 23 % [2] , эксплуатация фотонного двигателя становится менее выгодной. Значительно повысить его эффективность позволяет использование внешних ресурсов. Прямоточный аннигиляционный фотонный двигатель и магнитные ловушки, собирающие рассеянный в межзвёздной среде водород и гелий, дают возможность существенно уменьшить запасы рабочего вещества. К сожалению, количество антивещества в межзвёздной среде очень мало — порядка одного атома антиводорода или антигелия на 5×10 6 атомов обычного водорода, что делает невозможным использовать этот внешний ресурс. Поэтому проблема получения большой массы антивещества и его хранения на борту остаётся актуальной и для прямоточного аннигиляционного фотонного двигателя. [3]

Технические проблемы

В сегодняшнем состоянии идея фотонного реактивного двигателя очень далека от технического воплощения. Она содержит ряд проблем, которые сейчас даже теоретически не могут быть решены. Это:

1. Проблема получения большого количества антивещества.
2. Проблема его хранения.
3. Проблема полного использования при «сжигании» — чтобы аннигиляция происходила полностью, и в основном с выделением именно фотонов.
4. Проблема создания «зеркала», способного очень хорошо отражать гамма-излучение и другие продукты аннигиляции.

Управляемый вектор тяги

А что если убрать рули вовсе? Сопротивление уменьшится, но управление потеряем. Как в таком случае маневрировать?

Есть решение — управлять не «вредными» аэродинамическими поверхностями, а непосредственно тягой (струей газа из сопла). Можно поворачивать сопло, а то и всю камеру сгорания механически (что сложно и дорого, но это самый распространенный способ), можно использовать специальные жаропрочные плоскости-дефлекторы или вовсе добавить в конструкцию дополнительные двигатели.

ПРО «Thaad». У ракеты нет никаких рулей

А можно сделать сопло неподвижным и отклонять саму струю газа, впрыскивая через форсунки в сопле жидкость или газ которые будут вызывать появление скачков уплотнения меняющих направление струи.

Все эти способы чаще используются в больших ракетах, с большим размером сопла. Например, на гражданских ракетоносителях или на межконтинентальных баллистических ракетах.

В американском Шаттле отклонялось все сопло сразу

Газодинамический пояс

Для некоторых типов ракет маневренность — критически важный показатель. Аэродинамические рули не могут одинаково хорошо работать на малой высоте и на большой. Что касается отклонения вектора тяги, то он тоже не гарантирует «быстрой реакции», та как сопло двигателя находится далеко от центра масс. Но решение есть.

Как работает газодинамический пояс. Сотни маленьких сопел на ракете — двигатели поперечного управления. Или так называемых газодинамический пояс, способный очень быстро разворачивать ракету почти на месте и не созидающий аэродинамического сопротивления, пока это не станет действительно нужно.

Располагаются двигатели практически в центре масс корпуса (там где он будет когда ракета выработает большую часть топлива) и включаются на конечном участке траектории, чтобы наверняка поразить цель.

Ракета для РСЗО Ольха. Импульсные двигатели газодинамического пояса

Иногда инженерам приходится объединять принципы управления находя компромиссы. Французская зенитная ракета Aster использует и аэродинамические рули и управление вектором тяги, названную pif-paf*, может маневрировать с огромной перегрузкой до 60g и уничтожать не только самолеты и вертолеты, где маневренность ограничивается пилотами (человек может пережить перегрузку в 9 g и то кратковременную) но и своих родственников — ракеты.

Ракета Aster-30. Черная часть — разгонная первая ступень

*PIF (Pilotage Intertiel en Force) + PAF (Pilotage Aeronautique en Force) — инерционное управление+аэродинамическое управление.

Ракеты изобрели более 2000 лет назад, такой большой срок и так много нового: от бамбуковых трубок набитых черным порохом с оперением от стрел, летящих куда попало, до ракет без оперения но попадающих в другие ракеты.

Реальные факты в подтверждение

• Когда в 50-е годы в СССР решили скопировать английский Rolls-Royce, то никак не могли понять, как работает коробка передач: почему-то зубцы шестеренок не попадали друг в друга. Вроде бы как диаметр соответствовал, а сцепления, когда собирался механизм, не происходило. Пришлось буквально через разведку (да-да!) покупать сведения о том, что на заводе эти самые шестеренки предварительно замораживают, то есть понижают температуру металла, и таким образом зубчики цепляют друг друга, а потом, естественно, металл в процессе дилатации намертво плотно садился — и всё работало.

• Винтовка Лобаева — самая дальнобойная винтовка в мире. Стреляет на р 4200 метров. А почему? Потому что есть секрет нарезки ствола и секрет сплавов, который господин Лобаев знает, а американцы, которые в свое время его выучили, не знают.

Технологическая тайна действительно может десятилетиями оставаться тайной. Вроде бы всё скопировали, а — не работает машинка. Так же и с РД-180. Поэтому у американцев до сих пор нет собственного нового нормального ракетного двигателя, способного поднять груз на орбиту.

Последний прототип двигателя, который построили американцы в рамках корпорации ULA по чертежам РД-180, прямо на стенде взорвался.

Нам же остается надеяться, что и далее мы сумеем сохранить высокую планку эпохи Королева, создавая новые разработки, и останемся по-прежнему на коне, а наши «конкуренты» — под конем.

PS: Не просто же так США подписали новое соглашение на шесть двигателей РД-180.

Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен

Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.

Траектория полета

Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.

Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол. Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.

Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты

Так что же разрабатывают в России?

Все началось с «Циклона». Так называется проект, в рамках которого ведется разработка сразу нескольких аппаратов с циклическими движителями, в том числе и «полноценного летающего автомобиля», который сможет поднять в воздух сразу нескольких пассажиров. На данный момент уже прошли первые летные испытания компактного прототипа массой 60 кг, а тесты полноразмерного «Циклокара» должны стартовать уже в следующем году.

Предполагается, что это будет аппарат размерами примерно 6х6 метров гибридной силовой установкой на базе бензинового роторно-поршневого мотора, которая позволит поместить в кузов до 600 килограммов груза или поднять шесть человек. «Циклокар» сможет летать со скоростью 250 км/ч на расстояния до 500 км без необходимости подзарядки аккумуляторов.

Среди главных преимуществ подобного рода движителей — быстрое управление вектором тяги на 360 градусов, невысокий уровень шума, компактные размеры, а также возможность вертикального взлета и зависания в воздухе, как у вертолета. При этом циклолет имеет ряд преимуществ перед последним. Так, компактные размеры и особенности конструкции обеспечивают высокую маневренность, а также возможность посадки на наклонную поверхность «причаливания» к зданию. Именно такая функция показана в компьютерном ролике ФПИ, где военный «Циклокар» подлетает к разрушенному зданию, высаживая на один из последних этажей группу спецназа.

Посадку в салон можно осуществлять как с бортов, так и с кормы аппарата. При этом рабочие лопасти имеют периферийную защиту — они заключены в специальные цилиндры, которые не позволяют человеку дотронуться до вращающихся элементов, а также защищают конструкцию от попадания в нее посторонних предметов.

Полностью готовый к эксплуатации летательный аппарат может быть представлен уже через три года. В ФПИ утверждают, что управлять «Циклокаром» будет ничуть не сложнее чем обычной машиной. Контролировать аппарат можно будет не только из кабины, но и при помощи мобильного устройства или из наземного командного пункта.

Жизнь после «Протона»

На самом деле последние одиннадцать ракет «Протон» в случае необходимости могут вовсе такими не оказаться. В случае необходимости, если будет дополнительный спрос или «Ангара» не будет успевать вовремя, их производство смогут возобновить и быстро доделать недостающие ракеты. Об этом рассказал Дмитрий Рогозин еще год назад, когда объявил о постепенном переходе с «Протона» на «Ангару».

Сотрудник в цехе сборки семейства ракет-носителей «Ангара» на территории Государственного космического научно-производственного центра им. М.В. Хруничева