Способ движения космического корабля

Движение космического корабля — Spacecraft propulsion

Движение космического корабля — это любой метод, используемый для ускорения космических кораблей и искусственных спутников . Космическая двигательная установка связана исключительно с двигательными установками, используемыми в космическом вакууме, и ее не следует путать с космическим запуском или входом в атмосферу .

Разработано несколько методов прагматического движения космических аппаратов, каждый из которых имеет свои недостатки и преимущества. Большинство спутников имеют простые надежные химические двигатели (часто монотопливные ракеты ) или реактивные реактивные ракеты для поддержания орбитальной станции, а некоторые используют импульсные колеса для управления ориентацией . В спутниках советского блока на протяжении десятилетий использовалась электрическая тяга , а новые западные геоорбитальные космические аппараты начинают использовать их для удержания станций с севера на юг и вывода на орбиту. Межпланетные корабли в основном также используют химические ракеты, хотя некоторые из них с большим успехом использовали ионные двигатели и двигатели на эффекте Холла (два разных типа электрических движителей ).

Гипотетические двигательные технологии в космосе описывают двигательные технологии, которые могут удовлетворить будущие потребности космической науки и исследований . Эти двигательные технологии предназначены для обеспечения эффективного исследования нашей Солнечной системы и позволят разработчикам миссий планировать миссии «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 возможных технологий силовых установок, вопрос о том, какие технологии являются «лучшими» для будущих миссий, является сложным. Должен быть разработан портфель двигательных технологий, чтобы обеспечить оптимальные решения для разнообразного набора миссий и пунктов назначения.

СОДЕРЖАНИЕ

Назначение и функции

В-пространстве двигательная начинается там , где верхняя ступень из ракеты — носителя листьев выходных; выполнение функций основной двигательной установки , управления реакцией , удержания станции , точного наведения и орбитального маневрирования . В главных двигателях , используемых в пространстве обеспечивают основную движущую силу для переноса орбиты , планетарных траекторий и дополнительной планетарной посадки и подъема . Системы управления реакцией и орбитального маневрирования обеспечивают движущую силу для поддержания орбиты, управления положением, удержания станции и управления ориентацией космического корабля.

Находясь в космосе, целью двигательной установки является изменение скорости, или v , космического корабля. Поскольку это сложнее для более массивных космических аппаратов, конструкторы обычно обсуждают характеристики космических аппаратов в виде изменения количества движения на единицу потребляемого топлива, также называемого удельным импульсом . Чем выше удельный импульс, тем выше КПД. Ионные двигатели имеют высокий удельный импульс (

3000 с) и низкую тягу, тогда как химические ракеты, такие как монотопливные или двухкомпонентные ракетные двигатели, имеют низкий удельный импульс (

300 с), но большую тягу.

При запуске космического корабля с Земли метод движения должен преодолевать более высокое гравитационное притяжение, чтобы обеспечить положительное чистое ускорение. На орбите любой дополнительный импульс, даже очень крошечный, приведет к изменению траектории орбиты.

1) Prograde / Retrogade (т.е. ускорение в тангенциальном / противоположном тангенциальном направлении) — увеличивает / уменьшает высоту орбиты

2) Перпендикулярно плоскости орбиты — изменяет наклон орбиты.

Скорость изменения скорости называется ускорением , а скорость изменения количества движения называется силой . 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 достичь заданного импульса большой силы за короткое время или небольшой силы за долгое время. Это означает, что для маневрирования в космосе метод движения, который производит крошечные ускорения, но работает в течение длительного времени, может производить тот же импульс, что и метод движения, который дает большие ускорения в течение короткого времени. При запуске с планеты крошечные ускорения не могут преодолеть гравитационное притяжение планеты и поэтому не могут быть использованы.

Поверхность Земли расположена довольно глубоко в гравитационном колодце . Скорость убегания, необходимая для выхода из него, составляет 11,2 км / сек. Поскольку человеческие существа эволюционировали в гравитационном поле 1g (9,8 м / с²), идеальной двигательной установкой для космических полетов человека была бы такая, которая обеспечивала бы непрерывное ускорение в 1g (хотя человеческие тела могут выдерживать гораздо большие ускорения в течение коротких периодов времени). Обитатели ракеты или космического корабля с такой двигательной установкой были бы свободны от всех вредных последствий свободного падения , таких как тошнота, мышечная слабость, снижение вкусовых ощущений или вымывание кальция из их костей.

Закон сохранения количества движения означает, что для того, чтобы двигательная установка изменила импульс космического корабля, он должен также изменить импульс чего-то еще. Некоторые конструкции используют такие вещи, как магнитные поля или световое давление, чтобы изменить импульс космического корабля, но в свободном космосе ракета должна приносить некоторую массу, чтобы ускориться, чтобы продвинуться вперед. Такая масса называется реакционной массой .

Чтобы ракета работала, ей нужны две вещи: реакционная масса и энергия. Импульс, создаваемый запуском частицы реакционной массы массы m со скоростью v, равен mv . Но эта частица имеет кинетическую энергию mv ² / 2, которая должна откуда-то исходить. В обычной твердой , жидкой или гибридной ракете топливо сжигается, обеспечивая энергию, а продукты реакции выходят обратно, обеспечивая реакционную массу. В ионном двигателе электричество используется для ускорения ионов, выходящих за спину. Здесь какой-то другой источник должен обеспечивать электрическую энергию (например, солнечная панель или ядерный реактор ), тогда как ионы обеспечивают реакционную массу.

Обсуждая эффективность силовой установки, конструкторы часто сосредотачиваются на эффективном использовании реактивной массы. Реактивная масса должна переноситься вместе с ракетой и безвозвратно расходуется при использовании. Одним из способов измерения количества импульса, который может быть получен из фиксированного количества реакционной массы, является удельный импульс , импульс на единицу веса на Земле (обычно обозначается ). Единица измерения этого значения — секунды. Поскольку вес реактивной массы на Земле часто не имеет значения при обсуждении космических аппаратов, удельный импульс также можно обсуждать в терминах импульса на единицу массы. В этой альтернативной форме удельного импульса используются те же единицы, что и для скорости (например, м / с), и фактически она равна эффективной скорости выхлопа двигателя (обычно обозначается ). Как ни странно, оба значения иногда называют удельным импульсом. Эти два значения различаются на коэффициент g _n , стандартное ускорение свободного падения 9,80665 м / с² ( ). я зр <\ displaystyle I _ <\ text >> v е <\ displaystyle v_ > я зр грамм п знак равно v е <\ displaystyle I _ <\ text > g _ <\ mathrm > = v_ >

Ракета с высокой скоростью истечения может достичь того же импульса с меньшей реактивной массой. Однако энергия, необходимая для этого импульса, пропорциональна скорости выхлопа, так что более экономичные двигатели требуют гораздо больше энергии и, как правило, менее энергоэффективны. Это проблема, если двигатель должен обеспечивать большую тягу. Чтобы генерировать большое количество импульсов в секунду, он должен использовать большое количество энергии в секунду. Таким образом, мощным двигателям требуется огромное количество энергии в секунду для создания большой тяги. В результате большинство конструкций двигателей с высоким КПД также обеспечивают меньшую тягу из-за отсутствия большого количества энергии.

Космическая силовая установка представляет собой технологии, которые могут значительно улучшить ряд критических аспектов миссии. Освоение космоса — это возможность добраться куда-то безопасно (выполнение миссии), быстро добраться туда (сокращение времени в пути), получить там большую массу (увеличенная масса полезной нагрузки ) и добраться туда дешево (меньшая стоимость). Простой акт «добраться» туда требует использования космической двигательной установки, а другие показатели являются модификаторами этого фундаментального действия.

Развитие технологий приведет к техническим решениям, которые улучшат уровни тяги, Isp, мощность, удельную массу (или удельную мощность ), объем, массу системы, сложность системы, операционную сложность, общность с другими системами космических аппаратов, технологичность, долговечность и стоимость. Эти типы улучшений приведут к сокращению времени доставки, увеличению массы полезной нагрузки, более безопасному космическому аппарату и снижению затрат. В некоторых случаях развитие технологий в этой технологической области (ТА) приведет к прорыву в выполнении миссии, который произведет революцию в освоении космоса. Не существует единой двигательной технологии, которая принесла бы пользу всем миссиям или типам миссий. Требования к двигательной установке в космосе широко варьируются в зависимости от предполагаемого применения. Описанные технологии должны поддерживать все: от небольших спутников и роботов для исследования дальнего космоса до космических станций и полетов людей и приложений на Марс .

Определение технологий

Кроме того, термин «тяга к миссии» определяет технологию или характеристики производительности, необходимые для удовлетворения требований запланированной миссии НАСА. Любые другие отношения между технологией и миссией (например, альтернативная двигательная установка) классифицируются как «технологический толчок». Кроме того, космическая демонстрация относится к космическому полету масштабированной версии конкретной технологии или критически важной технологической подсистемы. С другой стороны, космическая валидация будет служить квалификационным полетом для выполнения будущей миссии. Успешный полет для проверки не потребует каких-либо дополнительных космических испытаний конкретной технологии, прежде чем ее можно будет использовать для научных или исследовательских миссий.

Операционные домены

Космические аппараты работают во многих областях космоса. К ним относятся орбитальные маневры, межпланетные путешествия и межзвездные путешествия.

Орбитальный

Искусственные спутники сначала запускаются на желаемую высоту с помощью обычных жидкостных / твердотопливных ракет, после чего спутник может использовать бортовые двигательные установки для поддержания орбитальной позиции. Оказавшись на желаемой орбите, им часто требуется какая-то форма управления ориентацией, чтобы они были правильно наведены относительно Земли , Солнца и, возможно, какого-либо астрономического объекта, представляющего интерес. Они также подвержены сопротивлению из-за разреженной атмосферы , так что для того, чтобы оставаться на орбите в течение длительного периода времени, иногда требуется какая-то движущая сила для внесения небольших поправок ( удержание орбитальной станции ). Многие спутники время от времени необходимо переводить с одной орбиты на другую, и это также требует движения. Срок службы спутника обычно заканчивается, когда он исчерпал свою способность корректировать свою орбиту.

Межпланетный

Для межпланетных путешествий космический корабль может использовать свои двигатели, чтобы покинуть орбиту Земли. В этом нет особой необходимости, так как начального ускорения, создаваемого ракетой, гравитационной рогаткой, двигательной установкой с монотопливным / двускатным двигателем, достаточно для исследования Солнечной системы (см. New Horizons ). Как только он это сделает, он должен каким-то образом добраться до места назначения. Современные межпланетные космические аппараты делают это с помощью серии краткосрочных корректировок траектории. Между этими корректировками космический аппарат просто движется по своей траектории без ускорения. Наиболее экономичным способом перехода с одной круговой орбиты на другую является переходная орбита Хомана : космический аппарат начинает движение по примерно круговой орбите вокруг Солнца. Короткий период тяги в направлении движения ускоряет или замедляет космический корабль на эллиптической орбите вокруг Солнца, которая является касательной к его предыдущей орбите, а также к орбите 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. Для этой окончательной корректировки орбиты иногда используются специальные методы, такие как аэродинамическое торможение или аэрозахват.

Некоторые методы движения космических кораблей, такие как солнечные паруса, обеспечивают очень низкую, но неисчерпаемую тягу; межпланетный аппарат, использующий один из этих методов, будет следовать по совершенно другой траектории, либо постоянно толкаясь против своего направления движения, чтобы уменьшить расстояние от Солнца, либо постоянно толкаясь вдоль своего направления движения, чтобы увеличить расстояние от Солнца. Концепция была успешно протестирована на японском космическом корабле с солнечным парусом IKAROS .

Межзвездный

Никаких космических аппаратов, способных совершать короткие (по сравнению с жизнью человека) межзвездные путешествия, еще не было построено, но многие гипотетические конструкции обсуждались. 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.

Двигательная техника

Технологические области разделены на четыре основные группы: (1) химические двигательные установки, (2) нехимические двигательные установки, (3) передовые двигательные технологии и (4) вспомогательные технологии; основанный на физике двигательной установки и на том, как она получает тягу, а также на ее технической зрелости. Кроме того, могут существовать заслуживающие доверия концепции космических двигателей, которые не предусмотрены и не рассмотрены на момент публикации, и которые могут оказаться полезными для будущих миссий.

Химическая тяга

Большая часть используемых сегодня ракетных двигателей — это химические ракеты ; то есть они получают энергию, необходимую для создания тяги, за счет химических реакций для создания горячего газа, который расширяется для создания тяги . Существенным ограничением химической тяги является то, что она имеет относительно низкий удельный импульс (Isp), который представляет собой отношение создаваемой тяги к массе топлива, необходимого при определенной скорости потока .

Значительное улучшение (более 30%) удельного импульса может быть получено при использовании криогенных пропеллентов , таких как, например, жидкий кислород и жидкий водород . Исторически сложилось так, что эти ракетные топлива не применялись за пределами верхних ступеней . Кроме того, многочисленные концепции передовых двигательных технологий, таких как электрические двигательные установки , обычно используются для поддержания станций на коммерческих спутниках связи и для основных двигателей в некоторых научных космических полетах, поскольку они имеют значительно более высокие значения удельного импульса. Однако они обычно имеют очень маленькие значения тяги и поэтому должны работать в течение длительного времени, чтобы обеспечить общий импульс, необходимый для миссии.

Некоторые из этих технологий предлагают характеристики, которые значительно лучше, чем те, которые достигаются с помощью химического двигателя.

Исследовательский центр Гленн направлен на развитие основных двигательных технологий , которые могли бы принести пользу ближних и среднесрочных научных миссий за счет сокращения времени затрат, массовые и / или путешествия. Особый интерес для GRC представляют электрические силовые установки, такие как ионные двигатели и двигатели Холла . Одна система сочетает в себе солнечные паруса , форму безтопливной силовой установки, которая использует естественный звездный свет для получения энергии, и двигатели Холла. Другие разрабатываемые двигательные технологии включают усовершенствованные химические двигатели и улавливатели воздуха.

Двигатели реакции

В соответствии с третьим законом движения Ньютона реактивные двигатели создают тягу за счет выброса реактивной массы . Этот закон движения чаще всего перефразируют так: «Для каждой действующей силы существует равная, но противоположная сила противодействия».

Ракетные двигатели

Большинство ракетных двигателей являются тепловыми двигателями внутреннего сгорания (хотя существуют негорючие формы). Ракетные двигатели обычно производят высокотемпературную реакционную массу в виде горячего газа. Это достигается сжиганием твердого, жидкого или газообразного топлива с помощью окислителя в камере сгорания. Затем очень горячий газ выходит через сопло с высокой степенью расширения . Это колоколообразное сопло придает ракетному двигателю характерную форму. Эффект сопла заключается в резком ускорении массы, преобразовании большей части тепловой энергии в кинетическую. Обычно скорость выхлопа в 10 раз превышает скорость звука на уровне моря.

Ракетные двигатели обеспечивают, по сути, самую высокую удельную мощность и высокую удельную тягу среди всех двигателей, используемых для приведения в движение космических кораблей.

Ракеты с ионной силовой установкой могут нагревать плазму или заряженный газ внутри магнитного баллона и выпускать его через магнитное сопло , так что твердые вещества не должны вступать в контакт с плазмой. Конечно, оборудование для этого сложное, но исследования ядерного синтеза позволили разработать методы, некоторые из которых были предложены для использования в двигательных установках, а некоторые были испытаны в лаборатории.

См. В разделе « Ракетный двигатель» список различных типов ракетных двигателей, использующих различные методы нагрева, включая химический, электрический, солнечный и ядерный.

Нехимическая пропульсивная установка

Электромагнитная тяга

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. Обычно реакционная масса представляет собой поток ионов . Такой двигатель обычно использует электрическую энергию сначала для ионизации атомов, а затем для создания градиента напряжения для ускорения ионов до высоких скоростей выхлопа.

Идея электрического двигателя возникла в 1906 году, когда Роберт Годдард рассмотрел возможность в своем личном блокноте. Константин Циолковский опубликовал идею в 1911 году.

Для этих приводов при самых высоких скоростях выхлопа энергетический КПД и тяга обратно пропорциональны скорости выхлопа. Их очень высокая скорость истечения означает, что они требуют огромного количества энергии и, таким образом, с практичными источниками энергии обеспечивают низкую тягу, но практически не используют топливо.

Для некоторых миссий, особенно достаточно близко к Солнцу, может быть достаточно солнечной энергии , и она очень часто использовалась, но для других дальних или более мощных ядерная энергия необходима; двигатели, получающие энергию от ядерного источника, называются ядерными электрическими ракетами .

С любым текущим источником электроэнергии, химическим, ядерным или солнечным, максимальное количество энергии, которое может быть произведено, ограничивает количество создаваемой тяги до небольшого значения. Выработка энергии значительно увеличивает массу космического корабля, и в конечном итоге вес источника энергии ограничивает его характеристики.

Современные ядерные генераторы энергии составляют примерно половину веса солнечных панелей на ватт поставляемой энергии на земных расстояниях от Солнца. Химические генераторы энергии не используются из-за гораздо более низкой общей доступной энергии. Переданная мощность космического корабля показывает некоторый потенциал.

Некоторые электромагнитные методы:

В электротермических и электромагнитных двигателях ионы и электроны ускоряются одновременно, нейтрализатор не требуется.

Без внутренней реакционной массы

Закон сохранения от импульса обычно берется в виду , что любой двигатель , который не использует реакционной массы не может ускорить центр масс космического корабля (изменение ориентации, с другой стороны, возможно). Но космос не пуст, особенно пространство внутри Солнечной системы; есть гравитационные поля, магнитные поля , электромагнитные волны , солнечный ветер и солнечное излучение. 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 раз превышает вектор Пойнтинга S , то есть P = S / c ^ 2, где c — скорость света. Таким образом, полевые методы движения, которые не основываются на реакционной массе, должны пытаться воспользоваться этим фактом путем взаимодействия с полем, несущим импульс, таким как электромагнитная волна, которая существует поблизости от корабля. Однако, поскольку многие из этих явлений носят диффузный характер, соответствующие силовые установки должны быть пропорционально большими.

Есть несколько различных космических двигателей, для работы которых требуется небольшая реактивная масса или вообще не требуется ее. В силовой установке троса используется длинный кабель с высокой прочностью на разрыв для изменения орбиты космического корабля, например, путем взаимодействия с магнитным полем планеты или посредством обмена импульсом с другим объектом. Солнечные паруса полагаются на радиационное давление от электромагнитной энергии, но для их эффективного функционирования требуется большая поверхность сбора. На магнитных парусах отклоняются заряженные частицы от солнечного ветра с магнитным полем, тем самым придавая импульс к космическому кораблю. Вариант — мини-магнитосферная плазменная двигательная установка, которая использует небольшое облако плазмы, удерживаемое в магнитном поле, для отклонения заряженных частиц Солнца. Е-парус будет использовать очень тонкие и легкие провода держа электрический заряд , чтобы отклонить эти частицы, и может иметь более управляемую направленность.

В качестве доказательства концепции NanoSail-D стал первым наноспутником на орбите Земли . По состоянию на август 2017 года НАСА подтвердило, что проект солнечного паруса Sunjammer был завершен в 2014 году с извлеченными уроками для будущих проектов космического паруса. Cubesail будет первой миссией, которая продемонстрирует солнечное плавание на низкой околоземной орбите, и первой миссией, которая продемонстрирует полный трехосевой контроль ориентации солнечного паруса.

В мае 2010 года Япония также запустила свой собственный космический корабль IKAROS, работающий на солнечном парусе . IKAROS успешно продемонстрировал тягу и наведение и продолжает летать по сей день.

Спутник или другой космический аппарат подлежит закон сохранения углового момента , который ограничивает тело от чистого изменения в угловой скорости . Таким образом, чтобы транспортное средство могло изменить свою относительную ориентацию, не расходуя реактивную массу, другая часть транспортного средства может вращаться в противоположном направлении. Неконсервативные внешние силы, в первую очередь гравитационные и атмосферные, могут вносить до нескольких градусов в день в угловой момент, поэтому вторичные системы предназначены для «отвода» нежелательной энергии вращения, накопленной с течением времени. Соответственно, многие космические аппараты используют реактивные колеса или гироскопы для управления моментом для управления ориентацией в космосе.

Гравитационные рогатки может нести космический зонд дальше в другие места , не за счет реакционной массы. Используя гравитационную энергию других небесных объектов, космический корабль может улавливать кинетическую энергию. Однако, если используются ракеты, от гравитационного ассистента можно получить еще больше энергии.

Силовая установка с лучевой тягой — это еще один метод приведения в движение без реактивной массы. Лучевая силовая установка включает паруса, толкаемые лазером , микроволновым излучением или лучами частиц.

Продвинутая двигательная технология

Продвинутые, а в некоторых случаях теоретические, двигательные технологии могут использовать химическую или нехимическую физику для создания тяги, но, как правило, считаются менее развитыми с технической точки зрения и проблемами, которые не были преодолены. И для человека, и для роботов пересечение Солнечной системы — это борьба со временем и расстоянием. Самые далекие планеты находятся на расстоянии 4,5–6 миллиардов километров от Солнца, и для достижения их в любое разумное время требуются гораздо более мощные двигательные установки, чем у обычных химических ракет. Быстрые полеты внутри Солнечной системы с гибкими датами запуска сложны и требуют силовых установок, которые выходят за рамки современного современного состояния. Логистика и, следовательно, общая масса системы, необходимая для поддержки устойчивого освоения человеком за пределами Земли таких пунктов назначения, как Луна, Марс или околоземные объекты, будут устрашающими, если не будут разработаны и развернуты более эффективные двигательные технологии в космосе.

Было рассмотрено множество гипотетических методов движения, которые требуют более глубокого понимания свойств пространства, особенно инерциальных систем и состояния вакуума . На сегодняшний день такие методы весьма умозрительны и включают:

• Звездолет черной дыры
• Дифференциальный парус
• Гравитационное экранирование
• Полевая силовая установка
• Диаметральный привод
• Дизъюнкционный привод
• Питч-драйв
• Смещенный привод
• Фотонная ракета
• Квантовый вакуумный двигатель
• Нано-электрокинетический двигатель
• Безреакционный драйв
  • Авраам-Минковски проезд
  • Алькубьерре драйв
  • Дин Драйв
  • EmDrive
  • Теория Хайма
  • Эффект Вудворда
  • Инерционный двигатель Торнсона (TIE)
  • Гироскопический инерционный двигатель (GIT)

В оценке НАСА программы « Прорыв в области физики движения» такие предложения делятся на те, которые не подходят для двигательных целей, те, которые имеют неопределенный потенциал, и те, которые не являются невозможными в соответствии с текущими теориями.

Таблица методов

Ниже приводится краткое изложение некоторых наиболее популярных и проверенных технологий, за которыми следуют все более спекулятивные методы.

Показаны четыре числа. Первый — это эффективная скорость выхлопа : эквивалентная скорость, с которой топливо покидает транспортное средство. Это не обязательно самая важная характеристика метода движения; тяга и потребляемая мощность и другие факторы могут быть. Тем не мение:

• если дельта-v намного больше, чем скорость выхлопа, то необходимо непомерное количество топлива (см. раздел о расчетах выше)
• если оно намного больше, чем дельта-v, тогда требуется пропорционально больше энергии; если мощность ограничена, как в случае с солнечной энергией, это означает, что путешествие занимает пропорционально больше времени

Вторая и третья — это типичные значения тяги и типичное время горения метода. Вне гравитационного потенциала небольшое количество тяги, приложенное в течение длительного периода, даст тот же эффект, что и большая тяга в течение короткого периода. (Этот результат неприменим, если объект находится под значительным влиянием силы тяжести.)

Четвертый — это максимальная дельта-v, которую может дать эта техника (без постановки). Для ракетных двигательных установок это функция массовой доли и скорости истечения. Массовая доля ракетоподобных систем обычно ограничивается массой силовой установки и массой бака. Чтобы система достигла этого предела, обычно полезная нагрузка должна составлять ничтожно малый процент от транспортного средства, поэтому практический предел для некоторых систем может быть намного ниже.

Способы движения

• 9.Проверенный полет с контролем ориентации с легким давлением
• 6. Модель, 196 м 2, 1,12 мН, дельта-v, 400 м / с, продемонстрированная в межпланетном пространстве.

Метод	Эффективная скорость выхлопа (км / с)	Тяга (Н)	Продолжительность стрельбы	Максимальная дельта-v (км / с)	Уровень технологической готовности
Ракета на твердом топливе	7	Минуты	7	9 : Проверено полетом
Гибридная ракета	Минуты	> 3	9 : Проверено полетом
Монотопливная ракета	1–3	0,1 — 400	Миллисекунды — минуты	3	9 : Проверено полетом
Жидкостная ракета	7	Минуты	9	9 : Проверено полетом
Электростатический ионный двигатель	15 — 210	Месяцы — годы	> 100	9 : Проверено полетом
Подруливающее устройство на эффекте Холла (HET)	До 50	Месяцы — годы	> 100	9 : Проверено полетом
Ракета Resistojet	2–6	10 -2 — 10	Минуты	?	8 : летная квалификация
Ракета Arcjet	4–16	10 -2 — 10	Минуты	?	8 : летная квалификация
Полевая эмиссия электрические тяговые (FEEP)	100–130	10 −6 — 10 −3	Месяцы — годы	?	8 : летная квалификация
Импульсный плазменный двигатель (PPT)	20	0,1	80 — 400 дней	?	7. Прототип продемонстрирован в космосе.
Ракета с двухрежимной силовой установкой	1–4,7	0,1 — 10 7	Миллисекунды — минуты	3–9	7. Прототип продемонстрирован в космосе.
Солнечные паруса	299 792 , светлый	9,08 / км 2 при 1 а.е. 908 / км 2 при 0,1 а.е. 10 −10 / км 2 при 4 св.	Неопределенный	> 40
Трехкомпонентная ракета	2,5 — 5,3	0,1 — 10 7	Минуты	9	6 : Прототип продемонстрирован на земле
Магнитоплазмодинамический двигатель малой тяги (MPD)	20–100	100	Недели	?	6 : Модель мощностью 1 кВт, продемонстрированная в космосе.
Ядерно-тепловая ракета	9	10 7	Минуты	> 20	6 : Прототип продемонстрирован на земле
Пропульсивные драйверы массы	0–30	10 4 — 10 8	Месяцы	?	6. Модель, 32 МДж продемонстрирована на земле.
Тросовая тяга	N / A	1–10 12	Минуты	7	6 : Модель, 31,7 км, продемонстрированная в космосе
Ракета с воздушным усилением	5–6	0,1 — 10 7	Секунды — минуты	> 7?	6 : Прототип продемонстрирован на земле
Двигатель с жидкостным воздушным циклом	4.5	10 3 — 10 7	Секунды — минуты	?	6 : Прототип продемонстрирован на земле
Импульсно-индуктивный двигатель малой тяги (PIT)	10–80	20	Месяцы	?	5 : Компонент подтвержден в вакууме
Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (ВАЗИМР)	10–300	40 — 1,200	Дни — месяцы	> 100	5 : Компонент, 200 кВт, подтвержденный в вакууме
Осциллирующий двигатель малой тяги с усилением магнитного поля	10–130	0,1 — 1	Дни — месяцы	> 100	5 : Компонент подтвержден в вакууме
Солнечно-тепловая ракета	7–12	1–100	Недели	> 20	4 : Компонент прошел лабораторную проверку
Радиоизотопная ракета / Паровой двигатель	7–8	1,3 — 1,5	Месяцы	?	4 : Компонент прошел лабораторную проверку
Ядерно-электрическая ракета	В качестве метода электродвижения использован				4 : Компонент, 400 кВт, подтвержденный в лаборатории
Проект Орион (краткосрочная ядерная импульсная двигательная установка)	20–100	10 9 — 10 12	Дни	30–60	3 : Подтверждено, испытание концепции 900 кг
Космический лифт	N / A	N / A	Неопределенный	> 12	3 : Подтвержденное доказательство концепции
Двигатели реакции SABRE	30 / 4,5	0,1 — 10 7	Минуты	9,4	3 : Подтвержденное доказательство концепции
Электрические паруса	145 — 750, солнечный ветер	?	Неопределенный	> 40	3 : Подтвержденное доказательство концепции
Магнитные паруса	145 — 750, солнечный ветер	2 / т	Неопределенный	?	3 : Подтвержденное доказательство концепции
Мини-магнитосферный плазменный движитель	200	1 / кВт	Месяцы	?	3 : Подтвержденное доказательство концепции
Лучевой / лазерный	В качестве силовой установки с приводом от балки				3 : Подтверждено, 71 м доказательство концепции
Пусковая петля / орбитальное кольцо	N / A	10 4	Минуты	11–30	2 : Сформулирована технологическая концепция
Ядерный импульсный двигатель ( двигатель проекта Дедал )	20–1000	10 9 — 10 12	Годы	15 000	2 : Сформулирована технологическая концепция
Ракета-реактор с газовым сердечником	10–20	10 3 — 10 6	?	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
Ядерная ракета с морской водой	100	10 3 — 10 7	Полчаса	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
Деление паруса	?	?	?	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
Осколочная ракета	15 000	?	?	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
Ядерно-фотонная ракета / Фотонная ракета	299 792	10 −5 — 1	Годы — десятилетия	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
Термоядерная ракета	100–1000	?	?	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
Ядерный импульсный двигатель, катализируемый антивеществом	200–4 000	?	Дни — недели	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
Ракета на антивеществе	10 000–100 000	?	?	?	2 : Сформулирована технологическая концепция
ПВРД Bussard	2,2 — 20 000	?	Неопределенный	30 000	2 : Сформулирована технологическая концепция
Метод	Эффективная скорость выхлопа (км / с)	Тяга (Н)	Продолжительность стрельбы	Максимальная дельта-v (км / с)	Уровень технологической готовности

Тестирование

Силовые установки космических кораблей часто сначала проходят статические испытания на поверхности Земли, в атмосфере, но для многих систем для полного испытания требуется вакуумная камера. Ракеты обычно испытывают на испытательном стенде ракетных двигателей вдали от жилья и других зданий по соображениям безопасности. Ионные приводы гораздо менее опасны и требуют гораздо менее строгой безопасности, обычно требуется только большая вакуумная камера.

Знаменитые места для статических испытаний можно найти на Ракетно-наземных испытательных полигонах.

Некоторые системы не могут быть должным образом испытаны на земле, и испытательные запуски могут проводиться с места запуска ракет .

Планетарная и атмосферная двигательная установка

Механизмы помощи при запуске

Было предложено много идей для механизмов помощи при запуске, которые могут значительно снизить стоимость выхода на орбиту. Предлагаемые неракетные механизмы содействия запуску космического корабля включают:

• Skyhook (требуется суборбитальная ракета-носитель многоразового использования, что невозможно с использованием имеющихся в настоящее время материалов)
• Космический лифт (трос с поверхности Земли на геостационарную орбиту, не может быть построен из существующих материалов)
• Стартовая петля (замкнутая очень быстро вращающаяся петля высотой около 80 км)
• Космический фонтан (очень высокое здание, поддерживаемое потоком масс, выпущенных с его основания)
• Орбитальное кольцо (кольцо вокруг Земли со спицами, свисающими с подшипников)
• Электромагнитная катапульта ( рельсотрон , койлган ) (электрическая пушка)
• Запуск ракетных санок
• Космическая пушка ( Проект ХАРП , ускоритель таран ) (химическая пушка)
• Ракеты и реактивные двигатели с лучевым приводом, приводимые в движение с земли посредством луча.
• Высотные платформы для помощи на начальном этапе

Воздушно-реактивные двигатели

Исследования обычно показывают, что обычные воздушно-реактивные двигатели, такие как прямоточные воздушно-реактивные двигатели или турбореактивные , в основном слишком тяжелы (имеют слишком низкое соотношение тяги к массе), чтобы дать какое-либо существенное улучшение характеристик при установке на самой ракете-носителе. Однако ракеты-носители могут запускаться по воздуху с отдельных лифтов (например, B-29 , Pegasus Rocket и White Knight ), которые действительно используют такие двигательные установки. Реактивные двигатели, установленные на пусковой планке, также могли быть использованы.

С другой стороны, были предложены очень легкие или очень высокоскоростные двигатели, которые используют воздух во время подъема:

• SABRE — легкий турбореактивный двигатель, работающий на водороде, с предварительным охладителем
• ATREX — легкий турбореактивный двигатель, работающий на водороде, с предварительным охладителем
• Двигатель с жидкостным воздушным циклом — водородный реактивный двигатель, который сжижает воздух перед его сжиганием в ракетном двигателе.
• Scramjet — реактивные двигатели, использующие сверхзвуковое сгорание
• Shcramjet — похож на прямоточный воздушно- реактивный двигатель, однако он использует ударные волны, создаваемые самолетом в камере сгорания, для повышения общей эффективности.

Обычные ракеты-носители летают почти вертикально, прежде чем перевернуться на высоте нескольких десятков километров перед тем, как полететь боком на орбиту; этот начальный вертикальный набор высоты тратит топливо, но он оптимален, так как значительно снижает аэродинамическое сопротивление. Двигатели с воздушным дыханием сжигают топливо намного более эффективно, и это позволило бы получить гораздо более плоскую траекторию запуска, транспортные средства обычно летали бы приблизительно по касательной к поверхности Земли, пока не покидали атмосферу, а затем выполняли сжигание ракеты, чтобы перевести последнюю дельта-v в орбитальную скорость.

Для космических аппаратов, уже находящихся на очень низкой орбите, в качестве топлива в воздушной двигательной установке использовались бы остаточные газы из верхних слоев атмосферы. Электродвигатель с воздушным движением может сделать новый класс долгоживущих низкоорбитальных миссий выполнимым на Земле, Марсе или Венере .

Планетарный заход и посадка

Когда аппарат должен выйти на орбиту вокруг своей планеты назначения или когда он должен приземлиться, он должен отрегулировать свою скорость. Это можно сделать, используя все перечисленные выше методы (при условии, что они могут генерировать достаточно высокую тягу), но есть несколько методов, которые могут использовать преимущества планетарных атмосфер и / или поверхностей.

• Аэродинамическое торможение позволяет космическому кораблю снижать высшую точку эллиптической орбиты за счет повторяющихся соприкосновений с атмосферой в нижней точке орбиты. Это может сэкономить значительное количество топлива, поскольку для выхода на эллиптическую орбиту требуется гораздо меньше дельта-V по сравнению с низкой круговой орбитой. Поскольку торможение происходит на многих орбитах, нагрев сравнительно невелик, и тепловой экран не требуется. Это было сделано в нескольких марсианских миссиях, таких как Mars Global Surveyor , 2001 Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter , а также по крайней мере в одной миссии на Венеру, Magellan .
• Аэрозахват — гораздо более агрессивный маневр, преобразовывающий приближающуюся гиперболическую орбиту в эллиптическую за один проход. Для этого требуется тепловой экран и гораздо более сложная навигация, потому что это должно быть выполнено за один проход через атмосферу, и, в отличие от аэродинамического торможения, предварительный просмотр атмосферы невозможен. Если намерение состоит в том, чтобы оставаться на орбите, то после аэрозахвата требуется как минимум еще один движущий маневр — в противном случае нижняя точка результирующей орбиты останется в атмосфере, что в конечном итоге приведет к повторному входу в атмосферу. Не использование атмосферы для маневра торможения еще не примерил планетарной миссии, но повторный вход пропустить по Зонде 6 и Зонде 7 по лунному возвращении были маневры использование атмосферы для маневра торможения, потому что они оказались гиперболической орбиты на эллиптическую орбиту. В этих миссиях, поскольку не было попыток поднять перигей после аэрозахвата, полученная орбита все еще пересекала атмосферу, и возвращение в атмосферу происходило в следующем перигее.
• Ballute надувного сопротивления устройство.
• Парашюты могут приземлить зонд на планете или луне с атмосферой, обычно после того, как атмосфера сбросила большую часть скорости, используя тепловой экран .
• Подушки безопасности могут смягчить финальную посадку.
• Литоборможение или остановка при ударе о поверхность обычно происходит случайно. Однако это может быть сделано намеренно с зондом, который, как ожидается, выживет (см., Например, Deep Impact (космический корабль) ), и в этом случае требуются очень прочные зонды.

В фантастике

В научной фантастике космические корабли используют различные средства передвижения, некоторые из них научно правдоподобны (например, солнечные паруса или прямоточные воздушные двигатели), другие, в основном или полностью вымышленные (например, антигравитация , варп-двигатель , спиндиззи или путешествие в гиперпространство ).

Источник