Хотя пока только химические двигательные установки способны выводить ракеты в космос, их дальнейшее совершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что пределы их производительности уже достигнуты и что для создания более мощных аппаратов с большей удельной тягой необходимы другие источники энергии.
Ракетный двигатель
Ракетный двигатель — это реактивный двигатель, источник энергии и рабочий орган которого расположены в самом транспортном средстве. Ракетный двигатель — единственный практический тип двигателя, предназначенный для вывода полезной нагрузки на орбиту вокруг искусственного спутника Земли и для использования в газообразной космической среде. Другие типы движителей, подходящие для применения в космосе (например, солнечный парус, космический лифт), еще не достигли стадии теоретической и/или экспериментальной разработки.
Тяга в ракетном двигателе создается за счет преобразования сырой энергии в кинетическую энергию струи топлива. В зависимости от типа энергии, преобразуемой в кинетическую реактивную энергию, различают химические ракетные двигатели, ядерные ракетные двигатели и электрические ракетные двигатели.
Рабочие характеристики ракетных двигателей характеризуются удельным импульсом (в двигателестроении используется несколько иное соотношение — удельный импульс), то есть соотношением между количеством движения, создаваемого ракетным двигателем, и массой, потребляемой рабочим телом. Удельный импульс измеряется в м/c, т.е. в размерности скорости. В идеальном ракетном двигателе удельный импульс численно равен скорости топлива, выходящего из сопла.
Двигательная установка Space Shuttle объединяет основные типы химических ракетных двигателей: боковые ускорители — FTE — орбитальные движители — жидкостные ракетные двигатели.
Наиболее распространенными являются химические ракетные двигатели, в которых экзотермическая химическая реакция между ракетным топливом и окислителем (совместно называемым ракетным топливом) нагревает продукты сгорания до высоких температур в камере сгорания, расширяет их, разгоняет в сверхзвуковое сопло и выбрасывает из двигателя. Топливо химического ракетного двигателя является одновременно источником тепловой энергии и рабочим газом, расширение которого преобразует его внутреннюю энергию в кинетическую реактивную энергию.
В твердотопливном ракетном двигателе (ТРД) топливо и окислитель хранятся в виде твердой смеси, а топливный бак также служит камерой сгорания. Твердотопливный ракетный двигатель и оснащенная им ракета конструктивно намного проще любого другого ракетного двигателя и связанных с ним ракет, поэтому они надежны, дешевы в производстве, не требуют больших трудозатрат на хранение и транспортировку, а время их подготовки к запуску минимально. Поэтому в настоящее время они вытесняют другие типы ракетных двигателей из военного применения. В то же время твердое топливо менее энергоэффективно, чем жидкое. Удельная тяга твердого топлива составляет 2000-3000 м/с. Тяга составляет более 1300 тс (ракета-носитель Space Shuttle).
В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии. Они подаются в камеру сгорания через турбонасос или систему запуска. Жидкотопливные ракетные двигатели могут управляться в широком диапазоне и могут включаться и выключаться несколько раз, что особенно важно для космических маневров. Удельная тяга жидкостных ракетных двигателей достигает 4500 м/с. Тяга составляет более 800 тс (РД-170). Эти характеристики делают ракеты на жидком топливе предпочтительными стартовыми двигателями для ракет-носителей и маневренными двигателями для космических аппаратов.
В качестве пар топлива и окислителя могут использоваться различные компоненты. В современных криогенных двигателях используется пара жидкого кислорода и жидкого водорода (наиболее эффективные компоненты для жидкостных ракетных двигателей). Другой набор компонентов самовоспламеняется при контакте друг с другом. Примером такой схемы является закись азота + несимметричный диметилгидразин. Очень часто используется пара жидкого кислорода и парафина. Соотношение компонентов имеет важное значение: в 1 части топлива может содержаться от 1 части окислителя (топливная пара кислород + парафин) до 5 или даже 19 частей окислителя (топливная пара азотная кислота + парафин или фтор + водород 1).
Обладая относительно низким удельным импульсом (по сравнению с электроракетными двигателями), химические ракетные двигатели позволяют развивать большую тягу, что особенно важно для доставки полезной нагрузки на орбиту или в межпланетное пространство за относительно короткое время.
Ядерные ракетные двигатели
Ядерный ракетный двигатель — это реактивный двигатель, в котором топливо (например, водород, аммиак и т.д.) нагревается за счет энергии, выделяемой в ходе ядерных реакций (деления или синтеза ядер). Различают радиоизотопные ракетные двигатели, ядерные двигатели и термоядерные двигатели.
Ядерные ракетные двигатели могут достичь гораздо более высокого удельного импульса, чем химические ракетные двигатели, из-за высокой скорости топлива (от 8 000 м/с до 50 км/с и более). В то же время, общая тяга ядерных ракетных двигателей может быть сравнима с тягой химических ракетных двигателей, что создает предпосылки для замены химических ракетных двигателей ядерными в будущем. Основной проблемой при использовании ЯРЭ является радиоактивное загрязнение окружающей среды облаком выхлопных газов двигателя, что затрудняет использование ЯРЭ (за исключением, возможно, газовой фазы — см. ниже) в ступенях ракет-носителей, работающих в пределах атмосферы Земли. Однако конструктивно усовершенствованный высокочастотный реактивный двигатель может легко решить проблему создания полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя благодаря своим расчетным тяговым характеристикам.
В зависимости от общего состояния ядерного топлива атомные электростанции делятся на твердую, жидкую и газообразную фазы. В твердофазных ядерных реакторах, как и в обычных ядерных реакторах, делящийся материал размещается в стержнях (твэлах) сложной формы с развитой площадью поверхности, которые позволяют эффективно нагревать (лучистой энергией в этом случае можно пренебречь) рабочий газ (обычно водород, реже аммиак) и в то же время обеспечивают теплоноситель, охлаждающий компоненты и сами стержни. Температура RT ограничена максимально допустимой температурой элементов здания (не более 3 000 K), что ограничивает скорость потока. Удельный импульс твердофазного РД, по современным оценкам, составляет 8000-9000 м/с, что более чем в два раза превышает показатели самых совершенных химических ракетных двигателей. Такие ядерные ракетные двигатели уже были успешно разработаны и испытаны на стендах (проект NERVA в США, ядерный ракетный двигатель РД-0410 в СССР). Жидкофазные ядерные двигатели более эффективны: Ядерное топливо находится в виде расплава и, следовательно, импульсные параметры этих двигателей выше (удельный импульс может достигать значений порядка 1500 с).
Делящийся материал (например, уран) и топливо находятся в газообразном состоянии и удерживаются в рабочей зоне электромагнитным полем (одна из многих предложенных конструкций). Существует также конструкция HFNRD, в которой ядерное топливо (раскаленный урановый газ или плазма) заключено в термостойкую, оптически прозрачную капсулу, называемую ядерной лампой (фонарем), и таким образом полностью изолировано от потока рабочей жидкости, окружающей «лампу»; последняя, соответственно, нагревается излучением от «лампы». В некоторых разработках было предложено использовать искусственный сапфир или аналогичные материалы в качестве материала для стержневой лампы. Однако в случае удержания ядерной плазмы электромагнитным полем происходит небольшая утечка делящегося материала во внешнюю среду, и конструкция предусматривает впрыск ядерного топлива в активную зону для его пополнения.
