Лазерный парус и экспресс до Марса

Инженеры предложили очередную разновидность ракетного двигателя для межпланетных космических аппаратов — пока что в виде проекта для умеренно отдалённого будущего.

Лазерный парус и экспресс до Марса
Так могла бы выглядеть марсианская база

Для создания реактивной тяги в ракете планируется использовать нагрев рабочего вещества (водородной плазмы) направленным пучком лазера с Земли. Такой корабль может достичь Марса за полтора месяца вместо обычных восьми, только пока неясно, как его затем затормозить и снять груз с орбиты для марсианских колонистов.

В 2018 году NASA предложило космическим исследовательским институтам разработать концепт корабля, который должен бы доставить к Марсу груз не менее 1000 килограммов за время меньше 45 дней; такой же принцип должен быть пригодным и для запуска аппаратов к другим телам Солнечной системы и за её пределы. Нужно напомнить, что обычное время полёта к Марсу для ракеты с химическим горючим составляет от 7 до 9 месяцев. При этом ракета не выстреливается в сторону планеты, а запускается на марсианскую орбиту вокруг Солнца, фактически всё время «падая» на Солнце и догоняя Марс по его орбите. Очевидный на первый взгляд способ «выстрела в упор» с Марсом и другими планетами не работает совсем — в этом случае для разгона ракеты топлива потребуется значительно больше, чем она сможет унести.

Лазерно-тепловая двигательная установка, предложенная в Университете Макгилла (McGill University) в Монреале, использует массив инфракрасных лазеров диаметром 10 метров, расположенный на Земле. Длина волны излучения каждой из лазерных пушек составляет около одного микрона (длины волн видимого света 0,3—0,7 микрон), а суммарная мощность такой батареи должна составлять 100 мегаватт. Аппарат с полезным грузом вращается по вытянутой эллиптической орбите вокруг Земли. Он оснащён отражателями, которые улавливают лазерный луч с Земли и направляют его в камеру сгорания, содержащую водородную плазму. Температура в плазменной активной зоне (ядре этого плазменного сгустка) достигает 30—40 тысяч градусов, а на периферии — около 10 000 K. Принцип близок к концепции ядерного ракетного двигателя, в котором тоже происходит разогрев плазмы, но в ядерном реакторе на борту. Сверхгорячий водородный газ направляется наружу через сопло, создавая реактивное усилие в течение 50 минут, а боковые манёвренные двигатели поддерживают необходимую ориентацию аппарата в пространстве, чтобы сохранить направление на лазерный луч при вращении Земли. Статья, описывающая очередной проект «космической торпеды», вышла в начале 2022 года в Acta Astronautica.

Лазерный парус и экспресс до Марса
Проект аппарата с лазерно-тепловым двигателем и параболической антенной (сверху), которая улавливает направленный луч лазера с Земли

После окончания лазерного подогрева контейнер с грузом выталкивается в сторону от Земли со скоростью около 17 км/сек — с такой скоростью он выйдет за пределы орбиты Луны за восемь часов. Саму реактивную установку с камерой сгорания можно при этом возвратить на Землю и даже затем использовать повторно — на момент отрыва она отлетит не так уж далеко и будет ещё в поле действия лазера. А сам аппарат, разогнанный таким образом, достигнет марсианской орбиты через полтора месяца, при этом его крейсерская скорость будет оставаться в районе 16 км/сек. Следующая задача — груз нужно затормозить, зафиксировав на орбите вокруг Марса на высоте 150 км. И (почти) всё бы было с этим проектом хорошо, но эта последняя проблема портит всю картину.

Дело в том, что затормозить аппарат естественным путём особо не обо что — марсианская атмосфера, если сравнить с земной, практически отсутствует (тем не менее в ней летает вертолёт Ingenuity, что достигается огромной скоростью вращения его винта). Для торможения аппарат должен располагать собственными запасами топлива на борту для манёвренных двигателей. Несложный расчёт показывает, что торможение такой торпеды требует запаса топлива на борту, сопоставимого с массой корабля. Если точнее, из требуемых 1000 килограмм на полезную нагрузку остаётся около 6 процентов, всё остальное — масса самой железной оболочки плюс горючее. Очевидное решение далёкого будущего заключается в том, что марсианские переселенцы должны будут располагать такой же лазерной батареей, но в этот раз — чтобы затормозить посылку с Земли. Или всё же использовать атмосферное торможение с помощью разнообразных ухищрений, как делают при посадке марсианских станций. Но в этом случае при допустимой перегрузке аппарата 8g (в восемь раз больше, чем ускорение свободного падения на Земле g=9,8 m/s2 — такие перегрузки считаются максимально допустимыми) нагрев при трении об атмосферу будет значительно больше, чем могут выдержать используемые сегодня материалы.

Лазерный парус и экспресс до Марса
Схема запуска и полёта на Марс космического аппарата с лазерно-тепловым двигателем

Идея лазерно-теплового двигателя, в котором источник энергии располагается не на самом космическом корабле, а на Земле или на орбите, не новая — подобные проекты предлагают как минимум с 1970-х годов. Есть и другие принципы разгона космических аппаратов с подводом энергии извне. Например, лазерно-электрическая установка вместо плазменного ядра для нагрева предполагает улавливание лазера на батареи фотоэлементов. Такой же принцип можно использовать, вместо лазера задействовав солнечное излучение. Но по всем вышеуказанным причинам первые люди на Марс полетят (если полетят) всё же не на таком «лазерном клиппере». Лазерно-термальные ракеты можно будет использовать для быстрой доставки грузов уже для действующей марсианской колонии с развитой инфраструктурой, возможно, через десять лет после её основания.

Автор: Сергей Шапиро

Ссылка на источник