Detonacijski motor je prihodnost ruske gradnje motorjev. Nov motor za vesoljska plovila

Ta teden je svetovno znanstveno skupnost pretresla nepričakovana novica. Kitajski znanstveniki so uradno objavili eksperimentalne dokaze, da elektromagnetni motor EmDrive dejansko deluje. Edinstvena naprava je sposobna, na primer, premakniti vesoljsko ladjo v vakuumu ... brez uporabe goriva. Zakaj so torej številni znanstveniki verjeli (in nekateri še vedno verjamejo), da je ta izum čisto šarlatanstvo?

Kako deluje EmDrive

Orbitalna postaja Tiangong-2, kjer bodo testirali EM motor

Koncept elektromagnetnega pogonskega sistema je leta 2002 prvič objavilo britansko raziskovalno podjetje Satellite Propulsion Research, ki ga je ustanovil vesoljski inženir Roger Scheuer. Hkrati je bil javnosti predstavljen prvi delujoči prototip naprave. Da, da, znani "britanski znanstveniki" so izumili fantastičen motor, kar je povzročilo val skepticizma znanstvene skupnosti.

Dejstvo je, da EmDrive nasprotuje vsem obstoječim fizikalnim zakonom (o tem smo govorili pred enim letom). Njegova zasnova je magnetron, ki ustvarja mikrovalove, pa tudi visokokakovosten resonator - kovinsko "vedro", mikrovalovna past v obliki zaprtega stožca. Magnetron(V Vsakdanje življenje on je tisti, ki zagotavlja delo mikrovalovne pečice) je na resonator povezan z visokofrekvenčnim daljnovodom, to je navadnim koaksialnim kablom. Ob vstopu v resonator se EM val oddaja proti obema koncema z enako fazno hitrostjo, vendar z različnimi skupinskimi hitrostmi - to je po mnenju ustvarjalca tisto, kar povzroči učinek.

Kakšna je razlika med tema dvema hitrostoma? Ko so v zaprtem prostoru, se elektroni začnejo širiti v njem in se odbijajo od notranjih sten resonatorja. Fazna hitrost je hitrost glede na zrcalno površino, ki pravzaprav določa hitrost gibanja elektronov. Ker elektroni vstopajo v komoro iz istega vira, je ta vrednost res za vse enaka. Skupinska hitrost, pa predstavlja hitrost elektronov glede na končno steno in se povečuje, ko se premikajo od ozkega do širokega dela stožca. Tako je po Scheuerju pritisk EM valovanja na široko steno resonatorja večji kot na ozko steno, ki ustvarja potisk.

Motor proti Newtonovi fiziki

Zakaj se torej znanstveniki s tem ne strinjajo? Glavna pritožba fizikov je, da je načelo delovanja opisanega dizajna neposredno je v nasprotju s tretjim Newtonovim zakonom, ki pravi, da ima »dejanje vedno enako in nasprotno reakcijo, sicer pa so interakcije dveh teles med seboj enake in usmerjene v nasprotnih smereh«. Preprosto povedano, v prostoru, ki ga poznamo, za vsako akcijo obstaja reakcija, ki je enako močna, vendar nasprotna po smeri. Ta princip pojasnjuje, zakaj delujejo vsi sodobni motorji, od reaktivnih motorjev (plin se črpa nazaj, kar poganja avto naprej) do ionskih motorjev (žarek nabitih atomov se premika v eno smer, ladja pa v drugo). EmDrive preprosto ... nima emisij.

Poleg tega ostaja še več ne tako pomembnih neznanih. pomembne parametre. Na primer, avtor koncepta ni upošteval dejstva, da EM val pritiska ne samo na končne stene, ampak tudi na stranske stene resonatorja. Po kritikah je Scheuer objavil nerecenzirani članek, v katerem je razložil svoje stališče, vendar strokovnjaki pravijo, da je teorija sevalnega pritiska bolj zapletena od teorije, ki jo je predstavil.

Tehnologije na meji domišljije

Leta 2013 se je za motor začela zanimati NASA. Ni presenetljivo: če bo EmDrive res deloval, kot je oglaševano, bo to prava revolucija na področju vesoljskih potovanj. Naprava je bila testirana v laboratoriju Eagleworks v vesoljskem centru Johnson. Delo je potekalo pod vodstvom Harolda Whitea in med njihovim potekom je bil dosežen nenormalen rezultat - potisk približno 0,0001 N. White verjame, da lahko takšen resonator deluje z ustvarjanjem virtualnega plazemskega toroida, ki realizira potisk z uporabo magnetohidrodinamike med kvantnim nihanja vakuuma. Pogoji testiranja so bili izbrani tako, da so nežni, 50-krat manj močni kot Scheuerjevi lastni poskusi. Potekale so na torzijskem nihalu z majhno silo, ki je sposobno zaznati sile več deset mikronewtonov, v zaprti vakuumski komori iz iz nerjavečega jekla pri sobna temperatura zraka in normalnega atmosferskega tlaka.

Danes je CCTV-2 poročal, da kitajski inženirji niso le uspešno preizkusili novega motorja v vesoljskem laboratoriju Tiangong-2 decembra lani, ampak so tudi predstavili materiale, ki prikazujejo vezje in delovanje EmDrive. V bližnji prihodnosti bo instalacija odšla v vesolje in testirana v realnih razmerah. Li Feng, glavni oblikovalec, je pojasnil, da bo treba tehnologijo nadgraditi, preden jo bodo izstrelili v vesoljska plovila. Na primer, da bi vozilo obdržali v orbiti, je potrebna moč potiska od 100 mH do 1H, trenutna zasnova pa ne omogoča iztiskanja takšne moči iz motorja. Poleg tega bo postavitev motorja v enem ali drugem delu teoretičnega satelita vplivala tudi na njegovo ogrevanje in potisk.

Nasa je prepričana, da bo z izračunanim potiskom 1,2 mN naprava lahko dosegla rob sončnega sistema v le nekaj mesecih. Če bodo testi uspešni, bo kolonizacija Marsa prenehala biti sanje in bo postala resničnost, ki bo človeštvu v bližnji prihodnosti omogočila raziskovanje Zemlji najbližjih planetov in velikih asteroidov.

Bodite pozorni, da je veliko črk.

Letalski model vesoljskega plovila z jedrskim pogonskim sistemom (NPP) naj bi v Rusiji izdelali do leta 2025. Ustrezno delo je vključeno v osnutek Zveznega vesoljskega programa za 2016–2025 (FKP-25), ki ga je Roscosmos poslal v odobritev ministrstvom.

Jedrski energetski sistemi veljajo za glavne obetajoče vire energije v vesolju pri načrtovanju obsežnih medplanetarnih odprav. V prihodnosti bo jedrska elektrarna, ki jo trenutno ustvarjajo podjetja Rosatom, lahko zagotavljala megavatno moč v vesolju.

Vsa dela pri izgradnji jedrske elektrarne potekajo v skladu z načrtovanimi roki. Z visoko stopnjo zaupanja lahko rečemo, da bodo dela končana v roku, ki ga predvideva ciljni program,« pravi Andrej Ivanov, projektni vodja oddelka za komunikacije državne korporacije Rosatom.

Pred kratkim sta projekt zaključila dve pomembni fazi: ustvarjena je bila edinstvena zasnova gorivnega elementa, ki zagotavlja delovanje v pogojih visokih temperatur, velikih temperaturnih gradientov in visokih doz sevanja. Uspešno so bila zaključena tudi tehnološka testiranja reaktorske posode bodoče vesoljske elektrarne. Kot del teh preskusov je bilo ohišje izpostavljeno nadtlaku in opravljene so bile 3D meritve na območjih osnovne kovine, obodnega zvara in stožčastega prehoda.

Princip delovanja. Zgodovina ustvarjanja.

Z jedrskim reaktorjem za uporabo v vesolju ni bistvenih težav. V obdobju od leta 1962 do 1993 je naša država nabrala bogate izkušnje s proizvodnjo podobnih naprav. Podobno delo je bilo opravljeno v ZDA. Od zgodnjih šestdesetih let prejšnjega stoletja je bilo v svetu razvitih več vrst električnih pogonskih motorjev: ionski, stacionarni plazemski, anodni slojni motor, impulzni plazemski motor, magnetoplazma, magnetoplazmodinamični.

Dela na ustvarjanju jedrskih motorjev za vesoljska plovila so v prejšnjem stoletju aktivno potekala v ZSSR in ZDA: Američani so projekt zaprli leta 1994, ZSSR - leta 1988. Zaprtje dela je v veliki meri pripomogla černobilska katastrofa, ki je negativno vplivala na javno mnenje glede uporabe Nuklearna energija. Poleg tega preizkusi jedrskih naprav v vesolju niso vedno potekali po načrtih: leta 1978 je sovjetski satelit Kosmos-954 vstopil v atmosfero in razpadel ter razpršil na tisoče radioaktivnih drobcev na površini 100 tisoč kvadratnih metrov. km v severozahodni Kanadi. Sovjetska zveza plačano v Kanado denarno nadomestilo v vrednosti več kot 10 milijonov dolarjev.

Maja 1988 sta dve organizaciji - Zveza ameriških znanstvenikov in Odbor sovjetskih znanstvenikov za mir proti jedrski grožnji - podali skupni predlog za prepoved uporabe jedrske energije v vesolju. Ta predlog ni dobil nobenih formalnih posledic, vendar od takrat nobena država ni izstrelila vesoljskih plovil z jedrskimi elektrarnami na krovu.

Velike prednosti projekta so praktično pomembne značilnosti delovanja- dolga življenjska doba (10 let delovanja), velik remontni interval in dolg čas delovanja na enem stikalu.

V letu 2010 so bili oblikovani tehnični predlogi za projekt. Oblikovanje se je začelo letos.

Jedrska elektrarna vsebuje tri glavne naprave: 1) reaktorsko napravo z delovno tekočino in pomožnimi napravami (toplotni izmenjevalnik-rekuperator in turbogenerator-kompresor); 2) električni raketni pogonski sistem; 3) hladilnik-oddajnik.

Reaktor.

S fizikalnega vidika je to kompakten plinsko hlajen hitri nevtronski reaktor.
Uporabljeno gorivo je spojina (dioksid ali karbonitrid) urana, a ker mora biti zasnova zelo kompaktna, ima uran večjo obogatitev z izotopom 235 kot pri običajnih (civilnih) gorivnih palicah. jedrske elektrarne morda več kot 20%. In njihova lupina je monokristalna zlitina ognjevzdržnih kovin na osnovi molibdena.

To gorivo bo moralo delovati pri zelo visoke temperature. Zato je bilo treba izbrati materiale, ki lahko vsebujejo negativni dejavniki, povezane s temperaturo, hkrati pa omogočajo gorivu, da opravlja svojo glavno funkcijo - segreva plinsko hladilno sredstvo, s pomočjo katerega bo proizvedena električna energija.

Hladilnik.

Hlajenje plina med delovanjem jedrske naprave je nujno potrebno. Kako odvajati toploto v vesolje? Edina možnost je hlajenje s sevanjem. Segreta površina v praznini se ohladi in oddaja elektromagnetne valove v širokem razponu, vključno z vidno svetlobo. Edinstvenost projekta je uporaba posebne hladilne tekočine - mešanice helija in ksenona. Namestitev zagotavlja visoko učinkovitost.

Motor.

Načelo delovanja ionskega motorja je naslednje. V komori za praznjenje plina se z anodami in katodnim blokom, ki se nahajajo v magnetnem polju, ustvari redka plazma. Iz nje ione delovne tekočine (ksenona ali druge snovi) »potegne« emisijska elektroda in pospeši v reži med njo in pospeševalno elektrodo.

Za uresničitev načrta je bilo med letoma 2010 in 2018 obljubljenih 17 milijard rubljev. Od teh sredstev je bilo 7,245 milijarde rubljev namenjenih državni korporaciji Rosatom za izdelavo samega reaktorja. Še 3,955 milijarde - FSUE "Center Keldysh" za ustvarjanje jedrske pogonske elektrarne. Še 5,8 milijarde rubljev bo šlo v RSC Energia, kjer bo treba v istem roku oblikovati delovni videz celotnega transportno-energetskega modula.

Po načrtih bo do konca leta 2017 pripravljen jedrski pogonski sistem za dokončanje transportno-energetskega modula (modul za medplanetarni prenos). Do konca leta 2018 bo jedrska elektrarna pripravljena za preizkuse letenja. Projekt se financira iz zveznega proračuna.

Ni skrivnost, da so se dela na ustvarjanju jedrskih raketnih motorjev začela v ZDA in ZSSR že v 60. letih prejšnjega stoletja. Kako daleč so prišli? In na kakšne težave ste naleteli na poti?

Anatolij Korotejev: Dejansko so se dela na področju uporabe jedrske energije v vesolju začela in aktivno izvajala pri nas in v ZDA v šestdesetih in sedemdesetih letih prejšnjega stoletja.

Sprva je bila postavljena naloga ustvariti raketne motorje, ki bi namesto kemične energije zgorevanja goriva in oksidanta uporabljali segrevanje vodika na temperaturo okoli 3000 stopinj. A izkazalo se je, da je tako neposredna pot še vedno neučinkovita. Smo na kratek čas Dobimo velik potisk, a hkrati izpustimo curek, ki se lahko ob nenormalnem delovanju reaktorja izkaže za radioaktivno onesnaženega.

Nekaj ​​izkušenj je bilo nabranih, vendar ne mi ne Američani nismo mogli ustvariti zanesljivih motorjev. Delovali so, a premalo, saj se je vodik segrel na 3000 stopinj jedrski reaktor- resna naloga. Poleg tega so se med zemeljskimi preizkusi takih motorjev pojavile okoljske težave, saj so se v ozračje izpuščali radioaktivni curki. Ni več skrivnost, da je bilo takšno delo opravljeno na poligonu Semipalatinsk, posebej pripravljenem za jedrske poskuse, ki je ostal v Kazahstanu.

Se pravi, dva parametra sta se izkazala za kritična - ekstremna temperatura in emisije sevanja?

Anatolij Korotejev: Na splošno da. Zaradi teh in nekaterih drugih razlogov je bilo delo pri nas in v ZDA ustavljeno ali prekinjeno - to je mogoče oceniti na različne načine. In zdelo se nam je nespametno, da bi jih tako, rekel bi, čelno obnavljali, da bi naredili jedrski motor z vsemi že omenjenimi pomanjkljivostmi. Predlagali smo popolnoma drugačen pristop. Od starega se razlikuje tako, kot se hibridni avto razlikuje od običajnega. Pri navadnem avtomobilu motor obrača kolesa, pri hibridnih avtomobilih pa se elektrika proizvaja iz motorja in ta elektrika vrti kolesa. Se pravi, nastaja nekakšna vmesna elektrarna.

Zato smo predlagali shemo, v kateri vesoljski reaktor ne segreva curka, ki ga izvrže, ampak proizvaja elektriko. Vroč plin iz reaktorja vrti turbino, turbina vrti električni generator in kompresor, ki kroži delovno tekočino v zaprti zanki. Generator proizvaja elektriko za plazemski motor s specifičnim potiskom, ki je 20-krat višji od kemičnih analogov.

Zapletena shema. V bistvu je to mini jedrska elektrarna v vesolju. In kakšne so njegove prednosti pred ramjet jedrskim motorjem?

Anatolij Korotejev: Glavno je, da curek, ki prihaja iz novega motorja, ne bo radioaktiven, saj gre skozi reaktor, ki je v zaprtem krogu, popolnoma druga delovna tekočina.

Poleg tega nam s to shemo ni treba segrevati vodika do prepovedanih vrednosti: v reaktorju kroži inertna delovna tekočina, ki se segreje do 1500 stopinj. Stvari si resnično olajšamo. In posledično bomo povečali specifični potisk ne za dvakrat, ampak za 20-krat v primerjavi s kemičnimi motorji.

Pomembno je še nekaj: ni potrebe po zapletenih testih v polnem obsegu, ki zahtevajo infrastrukturo nekdanjega poligona Semipalatinsk, zlasti bazo preskusne mize, ki ostaja v mestu Kurchatov.

V našem primeru je mogoče vse potrebne preizkuse opraviti na ozemlju Rusije, ne da bi bili vpleteni v dolga mednarodna pogajanja o uporabi jedrske energije zunaj meja svoje države.

Ali podobno delo trenutno poteka tudi v drugih državah?

Anatolij Korotejev: Imel sem srečanje z namestnikom vodje Nase, razpravljali smo o vprašanjih, povezanih z vrnitvijo k delu na področju jedrske energije v vesolju, in rekel je, da Američani kažejo veliko zanimanje za to.

Povsem možno je, da se bo Kitajska odzvala s svojimi aktivnimi dejanji, zato moramo delovati hitro. Pa ne samo zaradi tega, da bi bili pol koraka pred nekom.

Najprej moramo hitro delati, da bomo videti spodobni v nastajajočem mednarodnem sodelovanju, ki se de facto oblikuje.

Ne izključujem, da se lahko v bližnji prihodnosti začne izvajati mednarodni program za jedrsko vesoljsko elektrarno, podoben programu nadzorovane termonuklearne fuzije, ki se trenutno izvaja.

Rusija je bila in ostaja vodilna na področju jedrske vesoljske energije. Organizacije, kot sta RSC Energia in Roscosmos, imajo izkušnje z načrtovanjem, konstrukcijo, izstrelitvijo in delovanjem vesoljskih plovil, opremljenih z jedrskim virom energije. Jedrski motor vam omogoča delovanje letala dolga leta in vedno znova povečevali svojo praktično primernost.

Zgodovinska kronika

Hkrati je za dostavo raziskovalnega vozila v orbite oddaljenih planetov Osončja potrebno povečati življenjsko dobo takšne jedrske naprave na 5-7 let. Dokazano je, da bo kompleks z jedrskim pogonskim sistemom z močjo približno 1 MW kot del raziskovalnega vesoljskega plovila zagotovil pospešeno dostavo umetnih satelitov najbolj oddaljenih planetov in roverjev na površje v 5-7 letih. naravni sateliti teh planetov in dostava zemlje s kometov, asteroidov, Merkurja ter satelitov Jupitra in Saturna na Zemljo.

Vlačilec za večkratno uporabo (MB)

Eden najpomembnejših načinov za povečanje učinkovitosti transportnih operacij v vesolju je za večkratno uporabo elementi prometni sistem. Jedrski motor za vesoljske ladje z močjo najmanj 500 kW omogoča ustvarjanje vlačilca za večkratno uporabo in s tem znatno povečanje učinkovitosti večveznega vesoljskega transportnega sistema. Takšen sistem je uporaben predvsem v programu zagotavljanja velikih letnih tovorov. Primer bi bil program raziskovanja Lune z ustvarjanjem in vzdrževanjem stalno rastoče bivalne baze ter eksperimentalnih tehnoloških in proizvodnih kompleksov.

Izračun tovornega prometa

Glede na projektne študije RSC Energia naj bi med gradnjo baze na lunino površino dostavili module, ki tehtajo približno 10 ton, na lunino orbito pa do 30 ton celotnega tovora z Zemlje med gradnjo bivalna lunarna baza in obiskana lunarna orbitalna postaja je ocenjena na 700-800 ton, letni pretok tovora za zagotovitev delovanja in razvoja baze pa je 400-500 ton.

Vendar princip delovanja jedrskega motorja transporterju ne omogoča dovolj hitrega pospeševanja. Zaradi dolgega časa prevoza in s tem velikega časa, ki ga tovor porabi v sevalnih pasovih Zemlje, vsega tovora ni mogoče dostaviti z vlačilci na jedrski pogon. Zato je pretok tovora, ki ga je mogoče zagotoviti na osnovi jedrskih pogonskih sistemov, ocenjen na le 100-300 ton/leto.

Ekonomska učinkovitost

Kot merilo ekonomske učinkovitosti medorbitalnega transportnega sistema je priporočljivo uporabiti vrednost specifičnega stroška transporta enote mase koristnega tovora (PG) od površja Zemlje do ciljne orbite. RSC Energia je razvila ekonomsko-matematični model, ki upošteva glavne komponente stroškov v transportnem sistemu:

• ustvarjanje in izstrelitev v orbito vlačilnih modulov;
• za nakup delujoče jedrske naprave;
• operativni stroški, kot tudi stroški raziskav in razvoja ter morebitni kapitalski stroški.

Kazalniki stroškov so odvisni od optimalni parametri MB. S tem modelom je primerjalna ekonomska učinkovitost uporabe vlačilca za večkratno uporabo na osnovi jedrskega pogonskega pogonskega sistema z močjo približno 1 MW in vlačilca za enkratno uporabo na osnovi naprednih sistemov tekočega pogona v programu za zagotavljanje dostave tovora s skupno proučevali maso 100 ton/leto od Zemlje do lunine orbite na višini 100 km. Pri uporabi iste nosilne rakete z nosilnostjo, ki je enaka nosilnosti nosilne rakete Proton-M, in shemo dveh izstrelitev za konstrukcijo transportnega sistema, specifični strošek dostave enote mase koristnega tovora z vlačilcem na jedrski pogon bo trikrat nižja kot pri uporabi vlačilcev za enkratno uporabo na osnovi raket s tekočimi motorji tipa DM-3.

Zaključek

Učinkovit jedrski motor za vesolje prispeva k rešitvi okoljskih problemov Zemlje, človeškemu poletu na Mars, ustvarjanju sistema za brezžični prenos energije v vesolju, izvajanju s povečano varnostjo zakopavanja v vesolju posebej nevarnih radioaktivnih odpadkov zemlje. jedrske energije, ustvarjanje bivalne lunarne baze in začetek industrijskega razvoja Lune, ki zagotavlja zaščito Zemlje pred nevarnostjo asteroidov in kometov.

Stroški izstrelitve nosilne rakete v sodobni astronavtiki ostajajo precej visoki in včasih dosegajo več sto milijonov dolarjev. Da bi ga občutno zmanjšali, oblikovalci iz različne države po vsem svetu razvijajo popolnoma nove tipe raketnih motorjev, ki lahko izstrelijo tovor v orbito z manjšo porabo energije v primerjavi s konvencionalnimi elektrarnami. Danes so izmed različnih obetavnih tovrstnih projektov trije najbližje izvedbi. Odločili smo se, da preučimo njihove značilnosti.

Po vsem svetu je bilo v letu 2015 izvedenih 87 izstrelitev nosilnih raket z različnimi tovori: 29 izstrelitev iz Rusije, 20 iz ZDA, 19 iz Kitajske, devet iz Evropske vesoljske agencije, pet iz Indije, štiri iz Japonske in ena v Iran . Od tega je bilo pet izstrelitev neuspešnih in povzročilo izgubo dveh avtomatskih vesoljskih plovil in desetih satelitov. Leta 2014 so države izvedle 92 izstrelitev nosilnih raket, leto prej pa 80. Danes se stroški izstrelitve tovora v orbito gibljejo od 15 do 25 tisoč dolarjev na kilogram pri izstrelitvi satelitov v geostacionarno prenosno orbito, od koder premakniti na geostacionarno. Izstrelitev vesoljskega plovila v nizko orbito je cenejša, a še vedno precej draga - od 2,4 do 6 tisoč dolarjev za kilogram.

Zato ne preseneča, da si številne države prizadevajo za ustvarjanje tehnologij, ki lahko bistveno znižajo stroške izstrelitev v vesolje. Hkrati pa različni razvijalci ubirajo različne poti. Na primer, ameriško podjetje SpaceX ustvarja nosilne rakete Falcon Heavy s prvo stopnjo, ki jo je mogoče obnoviti. Podjetje je prepričano, da bo ponovna uporabnost prve stopnje Falcon Heavy zmanjšala stroške izstrelitve koristnega tovora v nizko zemeljsko orbito na dva tisoč dolarjev na kilogram in na 9-11 tisoč pri izstrelitvi v geostacionarno prenosno orbito. In ameriško podjetje JP Aerospace ustvarja večstopenjski izstrelitveni sistem, v katerem bosta prvi dve stopnji predstavljali zračne ladje.

V besedi, različne tehnologije Danes jih je veliko razvitih, katerih namen je zmanjšati stroške izstrelitev. Sem spadajo nosilne rakete s telesi, izdelanimi iz sodobni materiali, in raketoplane, ki lahko vzletajo in pristajajo letala, ter navigacijske sisteme za povratne stopnje raket. Toda glavno mesto med njimi zasedajo novi motorji. Res je, da na tem področju najpogosteje govorimo o izboljšanju konstrukcij obstoječih raketnih motorjev. Na primer, SpaceXov motor Merlin ima precejšnjo moč, vendar je tradicionalni raketni motor na tekoče tekočino. Vendar pa obstaja tudi izvirne rešitve, ki se prej ni uporabljal za nosilne rakete. Spodaj bomo razpravljali o treh najzanimivejših med njimi z vidika dizajna in potencialnih koristi.

Hibridni motor

Britansko podjetje Reaction Engines je v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja začelo razvijati nov tip raketnega motorja, ki bi porabil bistveno manj tekočega oksidanta, a bi bil učinkovit na vseh višinah leta. Predvidevalo se je, da bo združeval lastnosti zračnega turboreaktivnega in raketnega motorja. Nov projekt imenovan SABER (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, sinergistični atmosferski raketni motor). Princip elektrarne je razmeroma preprost: pri letenju v atmosferi se za zgorevanje goriva uporablja atmosferski kisik, pri vstopu v brezzračni prostor pa motor preklopi na uporabo tekočega kisika iz rezervoarjev.

V skladu s projektom bo motor SABRE prejel univerzalno zgorevalno komoro in šobo, zasnova je v marsičem podobna podobnim elementom običajnega raketnega motorja. Ob izstrelitvi in ​​med pospeševanjem bo SABRE deloval kot običajen ramjet motor. Med letom bo zrak tekel v dovod zraka, nato pa skozi posebne obvodne kanale v hladilnik in zgorevalno komoro. V hladnejšem območju sta nameščena turbina in kompresor: ko curek izstopi iz šobe, bo zrak vlečen v motor in vrtel turbino, ta pa kompresor. Slednji bo začel stiskati ohlajen zrak, kar bo povečalo njegov dotok v zgorevalno komoro, posledično pa popolnost zgorevanja goriva in njegovo energijsko moč.

Predvideva se, da bo novi hibridni raketni motor v atmosferskem načinu deloval s hitrostjo letenja do pet machov (6,2 tisoč kilometrov na uro). Z večanjem hitrosti bo zrak v odprtini za dovod zraka - zaradi nenadnega zaviranja in stiskanja - postajal vedno bolj vroč. To bo poslabšalo njegovo stiskanje in zato splošna učinkovitost motor. Zato je za hlajenje vhodnega zraka predlagana uporaba posebne mreže cevi s premerom enega milimetra in skupno dolžino približno dva tisoč kilometrov. Vgrajeni bodo v zračni kanal. V same cevi bo pod pritiskom 200 barov (197 atmosfer) doveden helij, ki bo deloval kot hladilno sredstvo.

Po izračunih razvijalcev bo sistem omogočil hlajenje vstopnega zraka z več kot tisoč stopinj Celzija na minus 150 stopinj Celzija v eni stotinki sekunde. V tem primeru ne bo prišlo do utekočinjanja zraka, ki lahko močno zmanjša učinkovitost motorja. Po preseženi hitrosti petih Machovih števil se zapre dovod zraka in motor preklopi na porabo tekočega kisika iz rezervoarja. V tej izvedbi bo lahko deloval v redčenju zgornje plasti atmosferi in v brezzračnem prostoru. Kot gorivo naj bi uporabljali tekoči vodik. Testiranje posameznih komponent SABRE Reaction Engines izvaja od leta 2012 in je bilo ocenjeno kot uspešno.

Britansko podjetje trenutno sestavlja demonstrator motorne tehnologije, ki bo testiran konec leta 2017 - prva polovica 2018. V atmosferskem načinu bo ta naprava lahko razvila potisk 196 kilonewtonov. Prototipna elektrarna bo po dimenzijah ustrezala dimenzijam dvokrožnega turboreaktivnega motorja F135 z naknadnim zgorevanjem. Takšni motorji so nameščeni na ameriških lovcih F-35 Lightning II. F135 je dolg 5,6 metra in ima premer 1,2 metra. Ta elektrarna je sposobna razviti potisk do 191 kilonewtonov v načinu naknadnega zgorevanja. Polnopravna naprava SABRE bo nekoliko večja in v atmosferskem načinu bo lahko razvila potisk 667 kilonewtonov. Njegovi testi so načrtovani za leta 2020–2021.

Britansko podjetje verjame, da je zahvaljujoč njegovemu motorju nosilna raketa lahko enostopenjska. Poleg tega bo ta posamezna stopnja postala vračljiva. Nova elektrarna bo porabila veliko manj goriva in predvsem oksidanta kot klasični raketni motor, saj naj bi za atmosferski let kisik za zgorevanje goriva črpali iz zraka. Britanske motorje nameravajo uporabiti v obetavnih ameriških dvostopenjskih vesoljskih plovilih za večkratno uporabo, ki po navedbah predhodni izračuni, bo omogočil izstrelitev tovora v nizko zemeljsko orbito za 1,1–1,4 tisoč dolarjev na kilogram.

Hiperzvočni motor

Izstrelitev rakete s hipersoničnim ramjet motorjem v Indiji na poligonu Sriharihota

Konec avgusta 2016 je Indijska organizacija za vesoljske raziskave izvedla prve uspešne preizkuse hiperzvočnih ramjetnih motorjev. Uspešen preizkus elektrarn je potekal na poligonu Sriharihota na vzhodu države. Za testiranje so razvijalci uporabili običajno dvostopenjsko nosilno raketo ATV na trdo gorivo, na drugo stopnjo katere so bili pritrjeni hiperzvočni motorji. Med preizkusi pogonskih sistemov so raziskovalci testirali nadzvočni vžig, trajno zgorevanje goriva, mehanizem za dovod zraka in sistem za vbrizgavanje goriva. Skupno trajanje letenja druge stopnje je bilo 300 sekund, od tega so hiperzvočni motorji delovali pet sekund.

Indijske elektrarne, ustvarjene v okviru projekta SRE (Scramjet Rocket Engine, hiperzvočni ramjet raketni motor), so delovale s hitrostjo letenja nekaj več kot šest Machov. Oder z motorji se je dvignil na višino 70 kilometrov. Namen prvega preizkusa hiperzvočnih motorjev je bil preveriti stabilnost njihovega delovanja in ne sposobnost teh elektrarn, da pospešijo nosilce do hiperzvočnih hitrosti. V bližnji prihodnosti razvijalci načrtujejo dokončanje obdelave podatkov, pridobljenih med prvim zagonom elektrarn, in izvedbo druge serije testov. Predvideva se, da bodo hiperzvočni motorji pospešili drugo stopnjo nosilnih raket na osem do devet Machovih števil.

Indijci ne razkrivajo tehničnih podrobnosti o svojih hiperzvočnih napravah. Vendar pa je znana splošna zasnova takih motorjev, razvitih v več državah po svetu od sedemdesetih let prejšnjega stoletja. Hiperzvočni ramjet motor se od običajnih razlikuje po tem, da gorivo v njegovi komori zgori v nadzvočnem zračnem toku. V tem primeru se zrak za proces zgorevanja dovaja v komoro v neposrednem toku brez uporabe dodatnih kompresorjev. Videti je takole: vhodni zračni tok vstopi v dovod zraka, nato pa v zoženo kompresorsko komoro, kjer se stisne in od koder vstopi v zgorevalno komoro. Najbolj zanimivo je, da taki hiperzvočni motorji morda sploh nimajo gibljivih delov.

Hiperzvočne elektrarne lahko delujejo pri hitrosti letenja najmanj štiri do pet Machovih števil - pri tej hitrosti je zagotovljena potrebna kompresija zraka in stabilno zgorevanje goriva. Teoretična zgornja meja hitrosti hiperzvočnega motorja je 24 machov. Hkrati bo elektrarna lahko razvila višje vrtljaje, če bo v zgorevalno komoro dodatno vbrizgan tekoči oksidant. Največja višina leta, na kateri lahko hiperzvočni motorji delujejo brez potrebe po dodatnem vbrizgavanju oksidanta, je 75 kilometrov. Za primerjavo, nizka Zemljina orbita se začne pri 160 kilometrih.

Poleg Indije ZDA, Rusija, Kitajska in Avstralija trenutno aktivno delajo na ustvarjanju hiperzvočnih raketnih motorjev. ZDA in Rusija nameravata nove pogonske sisteme namestiti na hiperzvočne bojne rakete, izvidniška vozila in lovce šeste generacije. Tudi Avstralija, ki razvija skupaj z Američani, namerava rakete opremiti z novimi motorji. Kitajska namerava poleg bojne uporabe elektrarn le-te uporabiti v nosilnih raketah. Po nepotrjenih poročilih bodo hiperzvočni motorji pospešili kitajske nosilne rakete na 10–12 machov, bojne rakete pa na 20 machov. Prvi testi kitajske hiperzvočne rakete so potekali junija lani.

ZDA in Rusija menita, da bo uporaba hiperzvočnih motorjev v nosilnih raketah bolj zapletla kot poenostavila njihovo zasnovo. Poleg tega raziskovalci verjamejo, da takšne elektrarne ne bodo mogle razviti zadostnega potiska za izstrelitev velikih bremen. Indijski in kitajski razvijalci so prepričani, da bo uporaba hiperzvočnih ramjetnih motorjev v nosilnih raketah odpravila večino tekočega oksidanta, ki bo potreben le med eksoatmosfersko fazo leta. In problem morebitnega nezadostnega potiska je mogoče rešiti z namestitvijo več hiperzvočnih elektrarn, korist od opustitve oksidatorja pa ne bo izravnana - skupna masa motorjev bo zaradi preproste zasnove majhna.

Detonacijski motor

Medtem v Rusiji specializirani laboratorij "Detonacijski tekoči raketni motorji" znanstveno-proizvodnega združenja "Energomash" razvija vrtilni tekoči raketni motor, ki deluje na gorivni par kisik-kerozin. O prvem uspešnem preizkusu takšne elektrarne 26. avgusta letos. Opozoriti je treba, da je to prvi vrtilni detonacijski motor na svetu, razvit posebej za uporabo na nosilnih raketah. Podobna elektrarna se danes ustvarja v Združenih državah Amerike, vendar naj bi se uporabljala kot bolj ekonomična in učinkovita zamenjava za plinskoturbinske motorje na mornariških ladjah.

Preučevanje principov delovanja in razvoj detonacijskih motorjev v nekaterih državah sveta poteka že več kot 70 let. Prvič so jih začeli uporabljati v Nemčiji v štiridesetih letih prejšnjega stoletja. Res je, da takrat raziskovalci niso mogli ustvariti delujočega prototipa detonacijskega motorja, vendar so bili razviti in množično proizvedeni pulzirajoči motorji za dihanje zraka. Nameščeni so bili na rakete V-1. V elektrarnah takšnih raket se je gorivo v zgorevalni komori dovajalo v majhnih količinah v rednih intervalih. V tem primeru je širjenje zgorevalnega procesa skozi gorivo potekalo s hitrostjo, nižjo od hitrosti zvoka. To zgorevanje se imenuje deflagracija in je osnova za delovanje vseh običajnih motorjev z notranjim zgorevanjem.

V detonacijskem motorju se zgorevalna fronta širi skozi mešanico goriva hitreje od hitrosti zvoka. Ta proces zgorevanja imenujemo detonacija. Detonacijske motorje danes delimo na dve vrsti: impulzne in vrtilne. Slednji se včasih imenujejo rotacijski. Načelo delovanja impulznih motorjev je podobno kot pri impulznih motorjih z vdihavanjem zraka: gorivo in oksidant se dovajata v zgorevalno komoro pri visokih frekvencah v rednih intervalih. Glavna razlika je detonacijsko zgorevanje mešanice goriva v zgorevalni komori. Zahvaljujoč detonaciji gorivo zgori bolj popolno in se sprošča velika količina energije kot med deflagracijo.

Motorji z vrtljivo detonacijo uporabljajo obročasto zgorevalno komoro. V njej se mešanica goriva dovaja zaporedno skozi radialno nameščene ventile. V takšnih elektrarnah detonacija ne zamre med dovodom goriva in oksidanta. Med delovanjem motorja detonacijski val "teče okoli" obročaste zgorevalne komore, mešanica goriva za njim pa ima čas, da se obnovi. Poleg tega, če je treba v impulznem motorju v zgorevalno komoro dovajati vnaprej pripravljeno mešanico goriva in oksidanta, potem v vrtilnem motorju to ni potrebno - spredaj visok pritisk, ki se premika pred detonacijskim valom, precej učinkovito meša potrebne komponente. Rotacijski motor so prvič preučevali v ZSSR v petdesetih letih prejšnjega stoletja.

V novem ruskem raketnem motorju z vrtilno detonacijo je frekvenca vrtilne detonacije 20 kilohercev, kar pomeni, da v eni sekundi detonacijski val uspe 20 tisočkrat "preleteti" obročasto zgorevalno komoro. V teoriji, detonacijski motorji sposoben delovati v širokem razponu hitrosti letenja - od nič do pet Machovih števil in pri uporabi dodatnih enot, kot je kompresor, Zgornja meja se lahko dvigne na sedem ali osem Machovih števil. Verjame se, da lahko takšne elektrarne proizvedejo več energije in hkrati porabijo manj goriva kot običajni reaktivni motorji. Hkrati je zasnova detonacijskih motorjev razmeroma preprosta: v osnovna različica Manjka jim kompresor in veliko gibljivih delov.

Zaradi svoje učinkovitosti in visoke izhodne moči bodo vrtilni detonacijski motorji v nosilnih raketah znatno zmanjšali količine goriva in oksidanta, potrebnega za izstrelitev tovora v orbito. V praksi (in to je značilno za vse že naštete projekte), zmanjšanje mase motorja (in elektrarna bo tehtala manj kot običajna raketa), goriva in oksidanta bodisi poveča izstrelitveno težo nosilca, hkrati pa ohrani dimenzije, ali pustite nespremenjeno metno težo, medtem ko zmanjšate dimenzije rakete. Izmetna teža nosilne rakete je masa končne stopnje, njeno gorivo in tovor.

Tekmo na trgu izstrelitev v vesolje bo v prihodnje dobil tisti, ki bo čim ceneje spravil v orbito čim več tovora. Nekatera podjetja verjamejo, da je mogoče z uporabo novih tehnologij stroške izstrelitve tovora v nizko orbito znižati pod tisoč dolarjev na kilogram in pod deset tisoč na kilogram pri izstrelitvi v geotransferno orbito. Kdaj točno bo to mogoče, pa še ni jasno. Po najbolj drznih ocenah bodo nove raketne motorje na nosilnih raketah uporabljali od sredine 2020-ih let.

Vasilij Sičev