Движение космического корабля — это любой метод, используемый для ускорения космических кораблей и искусственных спутников . Движение в космосе касается исключительно двигательных систем, используемых в космическом вакууме, и его не следует путать с космическим запуском или входом в атмосферу .
Разработано несколько способов прагматического движения космических аппаратов, каждый из которых имеет свои недостатки и преимущества. Большинство спутников имеют простые надежные химические двигатели (часто монотопливные ракеты ) или резистивные ракеты для удержания на орбите , а некоторые используют импульсные колеса для управления ориентацией . Спутники российского и предшествующего советского блока десятилетиями использовали электродвижение , [ не проверено ] , а новые западные геоорбитальные космические корабли начинают использовать их для удержания станций в направлении север-юг и подъема на орбиту. Межпланетные аппараты в основном также используют химические ракеты, хотя некоторые с большим успехом использовали ионные двигатели и двигатели на эффекте Холла (два разных типа электрического двигателя ).
Гипотетические технологии движения в космосе описывают технологии движения, которые могут удовлетворить будущие потребности космической науки и исследований . Эти двигательные технологии предназначены для обеспечения эффективного исследования Солнечной системы и позволят разработчикам миссий планировать миссии так, чтобы «летать в любое время и в любом месте и выполнять множество научных задач в пунктах назначения» с большей надежностью и безопасностью. Учитывая широкий спектр возможных миссий и потенциальных двигательных технологий, вопрос о том, какие технологии являются «лучшими» для будущих миссий, является трудным; По мнению экспертов, в настоящее время необходимо разработать портфель двигательных технологий, чтобы обеспечить оптимальные решения для разнообразных миссий и направлений. [1] [2] [3] [ нужна проверка ]
Движение в космосе начинается там, где заканчивается верхняя ступень ракеты -носителя , выполняя функции основного двигателя , управления реакцией , удержания станции , точного наведения и орбитального маневрирования . Главные двигатели , используемые в космосе , обеспечивают основную движущую силу для перехода на орбиту , планетарных траекторий , а также приземления и подъема на внепланетную планету. Системы управления реакцией и орбитального маневрирования обеспечивают движущую силу для поддержания орбиты, управления положением, удержания станции и ориентации космического корабля. [4] [2] [3]
В космосе целью двигательной установки является изменение скорости ( v ) космического корабля. Поскольку для более массивных космических кораблей это сложнее, конструкторы обычно оценивают характеристики космического корабля по величине изменения импульса на единицу израсходованного топлива, также называемого удельным импульсом . [5] Чем выше удельный импульс, тем выше эффективность. Ионные двигательные установки имеют высокий удельный импульс (~3000 с) и низкую тягу [6] , тогда как химические ракеты, такие как монотопливные или двухкомпонентные ракетные двигатели, имеют низкий удельный импульс (~300 с), но высокую тягу. [7]
При запуске космического корабля с Земли метод движения должен преодолевать более сильное гравитационное притяжение, чтобы обеспечить положительное суммарное ускорение. [8] На орбите любой дополнительный импульс, даже очень крошечный, приведет к изменению орбитальной траектории двумя способами: [ нужна ссылка ]
Скорость изменения скорости называется ускорением , а скорость изменения импульса называется силой . [ нужна цитата ] Чтобы достичь заданной скорости, можно применить небольшое ускорение в течение длительного периода времени или можно применить большое ускорение в течение короткого времени; Точно так же можно добиться данного импульса большой силой в течение короткого времени или небольшой силой в течение длительного времени. [ нужна цитата ] Это означает, что для маневрирования в космосе метод движения, который создает крошечные ускорения, но работает в течение длительного времени, может производить тот же импульс, что и метод движения, который создает большие ускорения в течение короткого времени. [ нужна цитата ] При запуске с планеты крошечные ускорения не могут преодолеть гравитационное притяжение планеты и поэтому не могут быть использованы. [ нужна цитата ]
Поверхность Земли расположена довольно глубоко в гравитационном колодце ; Скорость отрыва, необходимая для выхода из него, составляет 11,2 км/сек. [ нужна ссылка ] [ актуально? ] Поскольку люди развивались в гравитационном поле «одного g» (9,8 м/с²), идеальная двигательная установка для полета человека в космос должна была бы обеспечивать такое ускорение непрерывно, [ по мнению кого? ] (хотя человеческие тела могут выдерживать гораздо большие ускорения в течение коротких периодов времени). [ нужна цитата ] Пассажиры ракеты или космического корабля, имеющие такую двигательную установку, будут свободны от всех вредных последствий свободного падения , таких как тошнота, мышечная слабость, снижение вкусовых ощущений или выщелачивание кальция из костей. [ нужна цитата ]
Уравнение ракеты Циолковского с помощью закона сохранения импульса доказывает , что для того, чтобы метод движения ракетного двигателя изменил импульс космического корабля, он должен изменить импульс чего-то другого в противоположном направлении. Другими словами, ракета должна истощить массу, противоположную направлению ускорения космического корабля, причем такая истощенная масса называется топливом или реакционной массой . [9] : Раздел 1.2.1 [10] Некоторые конструкции работают без внутренней реактивной массы, используя такие вещи, как магнитные поля или световое давление, для изменения импульса космического корабля.
Чтобы ракета работала, ей нужны две вещи: реакционная масса и энергия. Импульс, обеспечиваемый запуском частицы реакционной массы массы m со скоростью v, равен mv . Но эта частица имеет кинетическую энергию mv² /2, которая должна откуда-то взяться. В обычных твердотопливных , жидкостных или гибридных ракетах топливо сжигается, обеспечивая энергию, а продукты реакции вытекают обратно, образуя реакционную массу. В ионном двигателе электричество используется для ускорения ионов сзади. Здесь какой-то другой источник должен обеспечивать электрическую энергию (например, солнечная панель или ядерный реактор ), тогда как ионы обеспечивают реакционную массу. [8]
При обсуждении эффективности двигательной установки конструкторы часто акцентируют внимание на эффективном использовании реактивной массы, которая должна нестись вместе с ракетой и безвозвратно расходуется при использовании. [ нужна цитата ] Одной из мер количества импульса, который может быть получен от фиксированного количества реактивной массы, является удельный импульс , импульс на единицу веса на Земле (обычно обозначается ), с единицами секунды. [ нужна цитата ] Поскольку вес реактивной массы на Земле часто не имеет значения при обсуждении транспортных средств в космосе, удельный импульс также можно обсуждать с точки зрения меры, импульса на единицу массы, с теми же единицами измерения, что и скорость (например, метры на единицу массы). второй). [ нужна цитация ] Эта мера эквивалентна эффективной скорости выхлопа двигателя и обычно обозначается . [ нужна цитата ] (Что сбивает с толку, оба значения [ необходимы пояснения ] иногда называют удельным импульсом. [ нужна цитата ] ) Эти два значения различаются на коэффициент стандартного ускорения силы тяжести, g n , 9,80665 м/с² ( ). [ нужна цитата ]
Ракета с высокой скоростью истечения может достичь того же импульса с меньшей реактивной массой; однако энергия, необходимая для этого импульса, пропорциональна скорости выхлопа, поэтому более экономичные двигатели требуют гораздо больше энергии и, как правило, менее энергоэффективны. [ нужна цитата ] Это проблема, если двигатель должен обеспечивать большую тягу: чтобы генерировать большой импульс в секунду, он должен использовать большое количество энергии в секунду. [ нужна цитата ] Таким образом, конструкции двигателей с высокой эффективностью по массе требуют огромного количества энергии в секунду для создания высокой тяги, но, как правило, также имеют тенденцию обеспечивать более низкую тягу (из-за недоступности большого количества энергии). [ нужна цитата ]
Космические двигатели представляют собой технологии, которые могут значительно улучшить ряд важнейших аспектов миссии. Исследование космоса заключается в том, чтобы добраться куда-то безопасно (выполнение миссии), быстро добраться туда (сокращение времени в пути), доставить туда большую массу (увеличить массу полезной нагрузки) и добраться туда дешево (меньшие затраты). Простой акт «добраться» туда требует использования космической двигательной установки, а другие показатели являются модификаторами этого фундаментального действия. [4] [3]
Развитие технологий приведет к появлению технических решений, улучшающих уровни тяги, Исп, мощность, удельную массу (или удельную мощность ), объем, массу системы, сложность системы, эксплуатационную сложность, унифицированность с другими системами космического корабля, технологичность, долговечность и стоимость. Эти типы улучшений приведут к сокращению времени транзита, увеличению массы полезной нагрузки, повышению безопасности космических кораблей и снижению затрат. В некоторых случаях развитие технологий в этой технологической области (ТА) приведет к прорывам в выполнении миссий, которые произведут революцию в освоении космоса. Не существует единой двигательной технологии, которая принесла бы пользу всем миссиям или типам миссий. Требования к космическим двигателям сильно различаются в зависимости от их предполагаемого применения. Описанные технологии должны поддерживать все: от небольших спутников и роботизированных исследований глубокого космоса до космических станций и пилотируемых полетов на Марс . [4] [3]
Более того, термин «вызов миссии» определяет технологию или эксплуатационные характеристики, необходимые для удовлетворения запланированных требований миссии НАСА. Любая другая связь между технологией и миссией (например, альтернативная двигательная установка) классифицируется как «технологический рывок». Кроме того, космическая демонстрация относится к космическому полету масштабированной версии конкретной технологии или критически важной технологической подсистемы. С другой стороны, космическая проверка послужит квалификационным полетом для реализации будущей миссии. Успешный проверочный полет не потребует каких-либо дополнительных космических испытаний конкретной технологии, прежде чем ее можно будет использовать в научной или исследовательской миссии. [4]
Космические корабли работают во многих областях космоса. К ним относятся орбитальное маневрирование, межпланетные и межзвездные путешествия.
Искусственные спутники сначала запускаются на желаемую высоту с помощью обычных жидкостных/твердотопливных ракет, после чего спутник может использовать бортовые двигательные установки для поддержания орбитальной станции. Оказавшись на желаемой орбите, им часто требуется какая-то форма управления ориентацией , чтобы они были правильно направлены относительно Земли , Солнца и, возможно, какого-либо астрономического объекта, представляющего интерес. [11] Они также подвержены воздействию разреженной атмосферы , поэтому для того, чтобы оставаться на орбите в течение длительного периода времени, иногда требуется какая-то форма движения для внесения небольших корректировок ( поддержание орбитальной станции ). [12] Многие спутники время от времени приходится переводить с одной орбиты на другую, а для этого также требуется двигательная установка. [13] Срок службы спутника обычно заканчивается, когда он исчерпал свою способность корректировать свою орбиту. [ нужна цитата ]
Для межпланетных путешествий космический корабль может использовать свои двигатели, чтобы покинуть орбиту Земли. В этом нет явной необходимости, поскольку начального ускорения, даваемого ракетой, гравитационной рогаткой, монотопливной/двухкомпонентной двигательной установкой ориентации, достаточно для исследования Солнечной системы (см. « Новые горизонты »). Как только он это сделает, он должен каким-то образом добраться до пункта назначения. Современные межпланетные космические корабли делают это с помощью серии краткосрочных корректировок траектории. [14] В промежутках между этими корректировками космический корабль просто движется по своей траектории, не ускоряясь. Наиболее экономичным способом перехода с одной круговой орбиты на другую является переходная орбита Гомана : космический корабль начинает движение примерно по круговой орбите вокруг Солнца. Короткий период тяги в направлении движения ускоряет или замедляет космический корабль на эллиптическую орбиту вокруг Солнца, касательную к его предыдущей орбите, а также к орбите его пункта назначения. Космический корабль свободно падает по этой эллиптической орбите, пока не достигнет пункта назначения, где еще один короткий период тяги ускоряет или замедляет его, чтобы он соответствовал орбите пункта назначения. [15] Для окончательной корректировки орбиты иногда используются специальные методы, такие как аэродинамическое торможение или аэрозахват. [16]
Некоторые методы движения космических кораблей, такие как солнечные паруса, обеспечивают очень низкую, но неиссякаемую тягу; [17] межпланетный аппарат, использующий один из этих методов, будет следовать по совершенно другой траектории, либо постоянно двигаясь против направления своего движения, чтобы уменьшить расстояние от Солнца, либо постоянно двигаясь вдоль направления движения, чтобы увеличить расстояние от Солнца. Солнце. [ нужна цитация ] Концепция была успешно протестирована японским космическим кораблем с солнечным парусом IKAROS . [ нужна цитата ]
Ни один космический корабль, способный совершить короткое (по сравнению с жизнью человека) межзвездное путешествие, еще не построен, но обсуждалось множество гипотетических проектов. Поскольку межзвездные расстояния очень велики, необходима огромная скорость, чтобы доставить космический корабль к месту назначения за разумное время. Достижение такой скорости при запуске и избавление от нее по прибытии остается сложной задачей для конструкторов космических кораблей. [18]
Технологические области разделены на четыре основные группы: (1) Химическая двигательная установка, (2) Электрическая двигательная установка, (3) Передовые двигательные технологии и (4) Вспомогательные технологии; основан на физике двигательной установки и том, как она создает тягу, а также на ее технической зрелости. Кроме того, могут существовать заслуживающие доверия концепции космических двигателей, которые не были предусмотрены или рассмотрены на момент публикации и которые могут оказаться полезными для будущих миссий. [19]
Большая часть используемых сегодня ракетных двигателей — это химические ракеты ; то есть они получают энергию, необходимую для создания тяги, посредством химических реакций для создания горячего газа, который расширяется для создания тяги . [ нужна цитация ] Для проведения этих химических реакций используется множество различных комбинаций топлива, включая, например, гидразин , жидкий кислород , жидкий водород , закись азота и перекись водорода . [ нужна цитация ] Их можно использовать в качестве монотоплива или в двухтопливных конфигурациях. [ нужна цитата ]
Доминирующей формой химического двигателя для спутников исторически был гидразин , однако это топливо очень токсично и может быть запрещено во всей Европе. [20] В настоящее время разрабатываются нетоксичные «зеленые» альтернативы для замены гидразина. Альтернативы на основе закиси азота получают большую поддержку и поддержку со стороны правительства, [21] [22] при этом разработку возглавляют коммерческие компании Dawn Aerospace, Impulse Space, [23] и Launcher. [24] Первая система на основе закиси азота, когда-либо запущенная в космос, была осуществлена компанией D-Orbit на борту их спутникового носителя ION ( космического буксира ) в 2021 году с использованием шести двигателей Dawn Aerospace B20, запущенных на ракете Falcon 9 , созданной SpaceX . [25] [26]
Реакционные двигатели создают тягу , выбрасывая реактивную массу , в соответствии с третьим законом движения Ньютона . [ нужна ссылка ] [27] Примеры включают реактивные двигатели , ракетные двигатели , насосно-реактивные двигатели и более необычные варианты, такие как двигатели на эффекте Холла , ионные двигатели , массовые двигатели и ядерные импульсные двигатели . [ нужна цитата ]
Ракетные двигатели обеспечивают практически самую высокую удельную мощность и высокую удельную тягу среди всех двигателей, используемых для движения космических кораблей. [ нужна цитата ] Большинство ракетных двигателей представляют собой тепловые двигатели внутреннего сгорания (хотя существуют негорючие формы). [ нужна цитация ] Ракетные двигатели обычно производят высокотемпературную реакционную массу в виде горячего газа, что достигается путем сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива с окислителем в камере сгорания. [ нужна цитата ] Чрезвычайно горячему газу затем позволяют выйти через колоколообразное сопло с высокой степенью расширения , особенность, которая придает ракетному двигателю его характерную форму. [ нужна цитата ] Эффект сопла заключается в резком ускорении массы, преобразовании большей части тепловой энергии в кинетическую энергию, при этом скорость выхлопа, достигающая в 10 раз скорости звука на уровне моря, является обычным явлением. [ нужна цитата ]
Ракеты с ионными двигателями могут нагревать плазму или заряженный газ внутри магнитной бутылки и выпускать ее через магнитное сопло , так что никакое твердое вещество не должно вступать в контакт с плазмой. [ нужна цитата ] Оборудование для этого сложное, но исследования ядерного синтеза разработали методы, некоторые из которых были предложены для использования в двигательных системах, а некоторые были протестированы в лаборатории. [ нужна ссылка ] (См. статью в Википедии о ракетных двигателях , где приведен список различных типов ракетных двигателей, использующих различные методы нагрева, включая химические, электрические, солнечные и ядерные.)
Электрические двигатели обычно используются для поддержания станций [ необходимы разъяснения ] на коммерческих спутниках связи и для основных двигателей в некоторых научных космических миссиях из-за их высокого удельного импульса. Однако они, как правило, имеют очень малые значения тяги и поэтому должны эксплуатироваться в течение длительного времени, чтобы обеспечить общий импульс, необходимый для выполнения миссии. [4] [28] [29] [30]
Вместо того, чтобы полагаться на высокую температуру и гидродинамику для ускорения реакционной массы до высоких скоростей, существует множество методов, которые используют электростатические или электромагнитные силы для непосредственного ускорения реакционной массы, где реакционная масса обычно представляет собой поток ионов . [ нужна цитата ] Такой двигатель обычно использует электроэнергию, сначала для ионизации атомов, а затем для создания градиента напряжения для ускорения ионов до высоких скоростей выхлопа. [ нужна цитата ] Для этих приводов при самых высоких скоростях выхлопа энергетический КПД и тяга обратно пропорциональны скорости выхлопа. [ нужна цитата ] Их очень высокая скорость выхлопа означает, что они требуют огромного количества энергии и, таким образом, с практическими источниками энергии обеспечивают низкую тягу, но практически не используют топливо. [ нужна цитата ]
Идея электрического движения возникла в 1906 году, когда Роберт Годдард обдумывал эту возможность в своем личном блокноте. [31] Константин Циолковский опубликовал эту идею в 1911 году. [32]
Одним из учреждений, занимающихся разработкой первичных технологий движения, в том числе электрических, призванных принести пользу краткосрочным и среднесрочным научным миссиям за счет сокращения затрат, массы и / или времени в пути, является Исследовательский центр Гленна (GRC). [ нужна ссылка ] Электрические силовые установки, представляющие особый интерес для GRC, — это двигатели Иона и Холла . [ нужна цитата ] Одна система сочетает в себе солнечные паруса , форму безреактивного двигателя, который использует естественный звездный свет для энергии движения, и двигатели Холла. Другие разрабатываемые технологии движения включают передовые химические двигатели и аэрозахват. [3] [33] [34]
Для некоторых миссий, особенно достаточно близких к Солнцу, солнечной энергии может быть достаточно, и она очень часто используется, но для других, находящихся дальше или на более высокой мощности, необходима ядерная энергия; двигатели, получающие энергию от ядерного источника, называются ядерными электрическими ракетами . [ нужна цитата ]
При использовании любого текущего источника электроэнергии, химического, ядерного или солнечного, максимальное количество энергии, которое может быть произведено, ограничивает величину тяги, которая может быть произведена, до небольшого значения. [ нужна цитата ] Выработка электроэнергии увеличивает значительную массу космического корабля, и в конечном итоге вес источника энергии ограничивает производительность корабля. [ нужна цитата ]
Современные атомные генераторы энергии весят примерно половину солнечных панелей на ватт подаваемой энергии и находятся на земных расстояниях от Солнца. [ нужна цитация ] Химические генераторы энергии не используются из-за гораздо более низкой общей доступной энергии. [ нужна цитата ] Считается, что мощность, передаваемая на космический корабль, имеет потенциал. [ по мнению кого? ] [ нужна цитата ]
К электромагнитным методам относятся: [ нужна ссылка ]
Закон сохранения импульса обычно подразумевает, что любой двигатель, не использующий реактивную массу, не может ускорить центр масс космического корабля (с другой стороны, возможно изменение ориентации) . [ нужна цитата ] Но космос не пуст, особенно пространство внутри Солнечной системы; существуют гравитационные поля, магнитные поля , электромагнитные волны , солнечный ветер и солнечная радиация. [ нужна цитата ] В частности, известно, что электромагнитные волны содержат импульс, несмотря на то, что они безмассовые; в частности, плотность потока импульса P электромагнитной волны количественно в 1/c 2 раза превышает вектор Пойнтинга S , т.е. P = S /c 2 , где c — скорость света. [ нужна цитата ] Методы полевого движения , которые не полагаются на реактивную массу, таким образом, должны попытаться воспользоваться этим фактом путем соединения с полем, несущим импульс, таким как электромагнитная волна, которая существует вблизи корабля; однако, поскольку многие из этих явлений носят диффузный характер, соответствующие двигательные конструкции должны быть пропорционально большими. [ нужна цитата ]
Существует несколько различных космических двигателей, для работы которых практически не требуется реактивная масса. В тросовой двигательной системе используется длинный трос с высокой прочностью на разрыв для изменения орбиты космического корабля, например, путем взаимодействия с магнитным полем планеты или путем обмена импульсом с другим объектом. [35]
Спутник или другой космический аппарат подчиняется закону сохранения углового момента , который удерживает тело от чистого изменения угловой скорости . Таким образом, чтобы транспортное средство могло изменить свою относительную ориентацию без затрат реактивной массы, другая часть транспортного средства может вращаться в противоположном направлении. Неконсервативные внешние силы, в первую очередь гравитационные и атмосферные, могут вносить вклад в угловой момент до нескольких градусов в день, [36] поэтому вторичные системы предназначены для «отвода» нежелательных вращательных энергий, накапливающихся с течением времени. Соответственно, многие космические корабли используют реактивные колеса или гироскопы управляющего момента для управления ориентацией в пространстве. [37]
Концепция солнечных парусов основана на давлении излучения электромагнитной энергии, но для эффективного функционирования им требуется большая поверхность сбора. [ нужна цитата ] В электронных парусах предлагается использовать очень тонкие и легкие провода, удерживающие электрический заряд, для отклонения частиц, которые могут иметь более контролируемую направленность. [ нужна цитата ]
Магнитные паруса отклоняют заряженные частицы солнечного ветра магнитным полем, тем самым придавая космическому кораблю импульс. [38] Например, так называемый Magsail представляет собой большую сверхпроводящую петлю, предложенную для ускорения/замедления в солнечном ветре и торможения в межзвездной среде . [39] Вариантом является мини-магнитосферная плазменная двигательная установка [40] и ее преемник, магнитоплазменный парус , [41] которые впрыскивают плазму с низкой скоростью для усиления магнитного поля и более эффективного отклонения заряженных частиц в плазменном ветре.
В мае 2010 года Япония запустила космический корабль IKAROS с солнечным парусом , который успешно продемонстрировал движение и наведение (и до сих пор активен). [ когда? ] [ нужна цитата ] В качестве еще одного доказательства концепции солнечного паруса NanoSail-D стал первым спутником с таким приводом на орбите Земли . [42] По состоянию на август 2017 года НАСА подтвердило, что проект солнечного паруса Sunjammer был завершен в 2014 году, и были извлечены уроки для будущих проектов космических парусов. [43] Британская программа Cubesail станет первой миссией, которая продемонстрирует солнечное плавание на низкой околоземной орбите, и первой миссией, которая продемонстрирует полное трехосное управление ориентацией солнечного паруса. [44]
Концепция гравитационной рогатки — это форма движения, позволяющая доставить космический зонд к другим пунктам назначения без затрат реактивной массы; использование гравитационной энергии других небесных объектов позволяет космическому кораблю улавливать кинетическую энергию. [45] Однако еще больше энергии можно получить с помощью гравитации, если использовать ракеты. [ нужна цитата ]
Лучевое движение — это еще один метод движения без реактивной массы, который включает в себя паруса, приводимые в движение лазерными , микроволновыми лучами или лучами частиц. [ нужна цитата ]
Передовые, а в некоторых случаях теоретические, двигательные технологии могут использовать химическую или нехимическую физику для создания тяги, но обычно считаются более низкими с технической точки зрения и имеют проблемы, которые не были решены. [46] Как для человека, так и для роботов, путешествие по Солнечной системе — это борьба со временем и расстоянием. Самые далекие планеты находятся на расстоянии 4,5–6 миллиардов километров от Солнца, и чтобы достичь их в любое разумное время, требуются гораздо более мощные двигательные установки, чем обычные химические ракеты. Быстрые миссии внутри солнечной системы с гибкими датами запуска сложны и требуют двигательных систем, которые выходят за рамки современного уровня техники. Логистика и, следовательно, общая масса системы, необходимые для поддержки устойчивых исследований человека за пределами Земли в таких пунктах назначения, как Луна, Марс или околоземные объекты, устрашают, если не будут разработаны и внедрены более эффективные технологии движения в космосе. [47] [48]
Были рассмотрены различные гипотетические методы движения, которые требуют более глубокого понимания свойств космоса, особенно инерциальных систем отсчета и состояния вакуума . На сегодняшний день такие методы являются весьма спекулятивными и включают в себя :
Оценка НАСА своей программы «Прорыв в физике движения» делит такие предложения на те, которые нежизнеспособны для целей движения, те, которые имеют неопределенный потенциал, и те, которые не являются невозможными в соответствии с текущими теориями. [49]
Ниже приводится краткое изложение некоторых наиболее популярных и проверенных технологий, за которыми следуют все более умозрительные методы. Показаны четыре числа. Во-первых, это эффективная скорость выхлопа : эквивалентная скорость, с которой топливо покидает автомобиль. Это не обязательно самая важная характеристика метода движения; тяга и энергопотребление и другие факторы могут быть. Однако,
Второе и третье — это типичная величина тяги и типичное время работы метода; вне гравитационного потенциала небольшая тяга, приложенная в течение длительного периода, даст тот же эффект, что и большая тяга в течение короткого периода, если объект не находится под значительным влиянием гравитации. [ нужна цитация ] Четвертый — это максимальная дельта-v, которую метод может дать без постановки. Для ракетных двигательных установок это функция массовой доли и скорости истечения; массовая доля ракетоподобных систем обычно ограничивается массой двигательной установки и массой бака. [ нужна цитата ] Чтобы система достигла этого предела, полезная нагрузка может составлять незначительный процент от транспортного средства, и поэтому практический предел для некоторых систем может быть намного ниже. [ нужна цитата ]
Примечания к таблице
Двигательные системы космического корабля часто сначала подвергаются статическим испытаниям на поверхности Земли, в атмосфере, но многим системам для полного испытания требуется вакуумная камера. По соображениям безопасности ракеты обычно испытываются на испытательном стенде для ракетных двигателей, находящемся далеко от жилых домов и других зданий. Ионные двигатели гораздо менее опасны и требуют гораздо менее строгих мер безопасности: обычно требуется только большая вакуумная камера. Знаменитые места статических испытаний можно найти на полигонах ракетных испытаний . Некоторые системы не могут быть надлежащим образом испытаны на земле, и испытательные запуски могут проводиться на полигоне .
Было предложено много идей относительно механизмов помощи при запуске, которые потенциально могут радикально снизить стоимость выхода на орбиту. Предлагаемые неракетные механизмы помощи при запуске в космос включают:
Исследования обычно показывают, что обычные воздушно-реактивные двигатели, такие как прямоточные воздушно-реактивные или турбореактивные двигатели , по сути, слишком тяжелы (имеют слишком низкое отношение тяги к массе), чтобы обеспечить какое-либо значительное улучшение характеристик при установке на саму ракету-носитель. Однако ракеты-носители могут запускаться по воздуху с отдельных транспортных средств (например, B-29 , Pegasus Rocket и White Knight ), которые используют такие двигательные установки. Для этого также можно было использовать реактивные двигатели, установленные на пусковой рельсе.
С другой стороны, были предложены очень легкие или очень высокоскоростные двигатели, использующие воздух при подъеме:
Обычные ракеты-носители летят почти вертикально, а затем переворачиваются на высоте нескольких десятков километров, прежде чем сгореть вбок на орбиту; этот первоначальный вертикальный подъем приводит к потере топлива, но является оптимальным, поскольку значительно снижает сопротивление воздуха. Воздушно-реактивные двигатели сжигают топливо гораздо эффективнее, и это позволило бы использовать гораздо более пологую траекторию запуска. Транспортные средства обычно летят примерно по касательной к поверхности Земли, пока не покинут атмосферу, а затем выполняют запуск ракеты, чтобы преодолеть окончательную дельта-v до орбитальной скорости.
Для космических кораблей, уже находящихся на очень низкой орбите, в качестве топлива будут использоваться остаточные газы в верхних слоях атмосферы. Воздушно-реактивная электрическая двигательная установка может сделать возможным новый класс долгоживущих низкоорбитальных миссий на Земле, Марсе или Венере . [74] [75]
Когда транспортное средство должно выйти на орбиту вокруг планеты назначения или приземлиться, оно должно отрегулировать свою скорость. Это можно сделать, используя все перечисленные выше методы (при условии, что они могут создать достаточно большую тягу), но есть несколько методов, которые могут использовать преимущества планетарных атмосфер и/или поверхностей.
В научной фантастике космические корабли используют различные средства для путешествий, некоторые из них научно правдоподобны (например, солнечные паруса или прямоточные воздушно-реактивные двигатели), другие, в основном или полностью вымышленные (например, антигравитация , варп-двигатель , спиндиззи или путешествие в гиперпространстве ). [76] : 8, 69–77 [77] : 142
{{цитировать журнал |author=Taploo, A |author2=Лин, Ли |author3=Кейдар, Майкл | дата = 2022 | title = Таплоо А., Сони В., Соломон Х. и др. Характеристика источника электронов круглой дуги для самонейтрализующегося воздушно-плазменного двигателя. Дж Электр Пропуль 2, 21 (2023). https://doi.org/10.1007/s44205-023-00058-7
