На чем мы будем осваивать космос. Часть 1 - химические реактивные двигатели.
На днях прочитал пост, содержание которого сводится как всегда к тому что мы в полной ж.... во области космонавтики.
Комментарии там были соответствующие. И меня особенно поразил один комментатор, заявивший что НАСА де разрабатывает программу добычи полезных ископаемых в космосе а мы, ну в общем вы поняли где...
А вообще на деле способно ли условное НАСА в обозримом будущем добывать полезные ископаемые в Солнечной системе? Давайте проанализируем этот вопрос.
В качестве цели возьмем пояс астероидов, Марс и Луну.
Рассмотрим какие двигатели есть в распоряжении человечества. Начнем с химических реактивных двигателей. Их общим достоинством является высокая тяга, недостатком - очень низкий удельный импульс и, следовательно, очень большой расход рабочего тела (топлива).
Химические двигатели в свою очередь делятся на жидкостные и твердотопливные.
Твердотопливные реактивные двигатели - вряд ли подойдут для промышленного освоения космоса. Они неэкологичны (выбрасывают вредные окислы азота), сложны и дороги в изготовлении, имеют низкий удельный импульс и сейчас применяются только в военных ракетах или в качестве ускорителей тяжелых РН, например Ариан-5.
Жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) имеют много разновидностей, отличающихся применяемыми топливом и окислителем.
Начнем с ЖРД на высококипящих компонентах топлива. Этим словом называтся гидразиновое горючее и азотный окислитель. Например несимметричный диметил-гидразин (НДМГ) и азотный тетраоксид (АТ). Их недостатки очевидны - компоненты топлива чудовищно ядовиты. Поэтому любая авария РН на высококипящем топливе является экологической катастрофой.
Поэтому ЖРД такого типа постепенно уходят с первых ступеней РН. По сути, сейчас на высококипящем топливе летают Протоны (которые уже больше делать не будут), некоторые китайские РН и конверсионные РН, число которых тоже ограниченно.
Но есть область применения где замены этому ядовитому топливу нет. Это двигатели коррекции орбиты, двигатели управления ориентацией, в общем все применения где требуется длительное хранение топлива. Посадка на ближайшие планеты пока тоже немыслима без гидразина и его «друзей», довезти туда криогенные компоненты топлива крайне проблематично.
И да, никаких достойных замен «гидразину со товарищи» пока что не придумали.
Далее идут ЖРД на углеводородах как горючем и жидком кислороде как окислителе. Это наиболее распостраненный тип ракетного топлива на сегодняшний день. Оно считается условно «экологичным» (по сравнению с гидразиновой «вонючкой» наверное) и довольно доступным.
Основным топливом сейчас является керосин, но ведется разработка ракет на сжиженном метане (природном газе).
Минусы углеводородных топлив очевидны. На одну заправку РН «Союз» доставляющую на орбиту 3 человек тратится керосина как на несколько полных заправок тяжелых аэробусов, перевозящих по 300-400 человек.
Можно представить как быстро закончатся улеводороды на Земле если начать промышленное освоение космоса на таких двигателях. Ну и выбросы углекислого газа тоже проблем добавят.
Наконец, самые совершенные на сегодняшний день ЖРД - это двигатели на топливе жидкий водород + жидкий кислород. Они казалось бы 100% экологичны - на выхлопе у них вода. Однако водород сейчас производится методом электролиза, а электричество до сих пор добывается в основном путем сожжения тех же углеводородов. Поэтому пока что ракеты на водородном топливе еще менее экологичны и экономичны чем на углеводородах.
Еще один минус водорода как топлива - гораздо больший объем бака требуемый для его хранения, по сравнению с баком для того же керосина. А это лишняя масса конструкции РН.
Подводя итог можно добавить что альтернативы ЖРД для доставки грузов и людей на орбиту Земли пока что нет, и видимо в ближайшие лет 50 не будет.
А вот на перемещение полезной нагрузки с орбиты Земли к соседним планетам и обратно ЖРД совершенно не подходят, поскольку из за их низкого удельного импульса количество топлива необходимое для этого превзойдет все разумные пределы. Об этом нам говорит физика и бессердечная формула Циолковского.
Типичный пример - американская лунная программа, в которой больше 2,5 тысяч тонн топлива тратилось на полет 3 человек к Луне и обратно.
Добывать какие либо полезные ископаемые на Луне, Марсе или в поясе астероидов с такими затратами топлива просто бессмысленно. Даже при условии многоразовости всех составляющих транспортной системы. Нужны реактивные двигатели других типов.
О них я расскажу в следующий раз.