Фантастика сейчас:

Что-то мне это напоминает...

Удивить разработками космической техники сегодня трудно. И всё же есть новшества для орбитальных полётов, выделяющиеся необычным замыслом. Может ли работать на орбите воздушный реактивный двигатель? Причём — неограниченно долго, без топлива. Конечно, нет, скажете вы. Но это возможно. Мы расскажем о самых необычных двигателях для перспективных орбит.

Околоземные орбиты бесконечно разнообразны: по форме, размеру, наклону и высоте. Автоматические обсерватории поднимаются до 150 тысяч километров и выше. Спутники связи — на эллиптических орбитах «Молния» и «Тундра» — достигают апогея в 40 тысяч километров, чуть выше геостационарной. GPS-спутники бороздят пространство на высоте около 20 тысяч километров. Это — связь, зондирование, разведка, фотосъёмка, наблюдение гиперзвуковых целей. На низких орбитах — МКС, «Тяньгун», пилотируемые корабли — и будущие аналоги.

Но в самом низу этого многообразия — самый необычный слой. Он не имеет чётких границ. Условная линия Кармана в 100 километров — лишь удобство. Реальная атмосфера тянется до нескольких тысяч километров. МКС на 415 км испытывает торможение в 100–400 граммов силы — в зависимости от высоты, солнечной активности и ориентации панелей.

Ниже — плотность растёт. На 120–150 км орбита становится неустойчивой: аппарат входит в последний виток, необратимо теряя высоту. Форма, обтекаемость, площадь поперечного сечения — всё влияет на скорость падения.

Такие орбиты давно используются как опорные: ракета выводит груз вместе со ступенью, «доезжает» до нужной точки — например, к полюсу — и лишь там включает двигатели для выхода на целевую орбиту. В России — это 200 км, в США — 185 км (100 морских миль). На высоте 200–250 км спутник может продержаться неделю, прежде чем атмосфера затянет его в огненный финал.

Эти орбиты в англоязычной литературе — VLEO (Very Low Earth Orbit). Мы назовём их сверхнизкими. И они уникальны.

Первое преимущество — близость к Земле. Оптическое и радиолокационное разрешение достигает максимума. С этих высот видны тусклые цели — гиперзвуковые ракеты, едва уловимые с тысячекилометровых орбит. Для радаров это означает меньшую мощность, меньшую массу, проще конструкция. То же — для гравиметрии: точнее картируются аномалии поля, месторождения, геологические структуры. И наблюдение за атмосферой — на порядок детальнее.

Второе — минимальная задержка сигнала. Для спутниковой связи — критично.

Третье — отсутствие космического мусора. Атмосфера сама очищает пространство: любой обломок сгорает за считанные недели. Нет нужды маневрировать, избегать столкновений.

Если бы полёт здесь был долгим — годы, десятилетия — такие системы превзошли бы все существующие.

Но есть два главных минуса — оба от атмосферы: аэродинамическое торможение и эрозия от атомарного кислорода.

Здесь, в термосфере, солнечный УФ-излучение расщепляет молекулы O₂ на атомы — нагретые до 1000 °C и выше. Разреженная среда не нагревает аппарат, но атомарный кислород — химически агрессивен. Он окисляет поверхности, разрушает покрытия. А главное — бьёт в корпус со скоростью орбитального полёта, замедляя его.

Именно это торможение определило судьбу первого космонавта. Орбита «Востока-1» имела перигей 181 км, апогей 235 км. При отказе тормозной установки атмосфера снесла бы корабль за 4 дня — на это и рассчитывали запасы. Но из-за задержки выключения третьей ступени апогей поднялся до 327 км — и сход занял бы 20–50 дней. К счастью, торможение сработало. Но для долгого полёта — это критическая проблема.

Решать её — двумя путями.

Первый — снизить лобовое сопротивление. Корпус — вытянутый, узкий. Солнечные панели — вдоль оси, как оперение стрелы. Нос — заострённый, клиновидный. Поверхности — зеркальные, гладкие, чтобы атомы кислорода отскакивали, а не врезались. Это уменьшит торможение — но не устранит.

Второй — компенсировать его тягой двигателя. Химические — не годятся: топливо кончится за недели. Нужен электрореактивный, работающий на атмосферном воздухе.

Так работал европейский GOCE: четыре года на 255 км, с аэродинамическим корпусом, «стреловидными» панелями и ионными двигателями на ксеноне. Когда ксенон закончился — спутник сгорел.

А что, если в качестве рабочего тела использовать не ксенон, а атомы кислорода из самого пространства?

Атомы кислорода, ударяющие в аппарат, передают ему тормозящий импульс. Но если их ионизировать и выбросить из двигателя в разы быстрее — реактивный импульс превысит тормозной. Двигатель начнёт толкать аппарат вперёд, а не тормозить его.

Ионы кислорода легче ксенона в 5–8 раз — но при той же скорости выброса, тяга всё равно будет. А главное — источник неисчерпаем. Атмосфера — вечна. Электроэнергию — брать с солнечных батарей. Запас на теневую часть орбиты — в аккумуляторах.

Получается — вечный двигатель, не зависящий от топлива. Срок службы — лишь износ деталей.

Такой двигатель ещё не имеет устоявшегося названия. В англоязычной литературе — Air-breathing ion engine (ABIE), RAM-EP, AEP. В российских работах — ИВРД, ПЭРД. Мы назовём его воздушно-космическим.

Прямоточность — не обязательна, но возможна: атомы кислорода, попадая в воздухозаборник, отражаются сужающимися поверхностями, фокусируются в узкой зоне, ионизируются электрической дугой, разгоняются электрическим полем. Поверхности — стойкие к окислению, с малыми углами, чтобы атомы не «прилипали». Можно использовать параболический воздухозаборник: атомы, как лучи света, собираются в фокусе — и там начинается канал сжатия, ионизации, ускорения.

Можно — и иначе: ловушки, магнитные ускорители, иные схемы. Конструкторы не раскрывают деталей.

Сегодня ведутся разработки спутников для сверхнизких орбит. Американская Skeyeon — Near Earth Orbiter с клиновидным носом и «стреловидными» панелями. EOI Space — Stingray, похожий на бумажный самолёт. Albedo — сеть из 24 аппаратов. CASIC — к 2027 году — 192, к 2030 — 300 аппаратов на высотах 150–300 км.

И двигатели: ESA в 2017 году испытала RAM-EP в вакуумной камере — с воздухозаборником QuinteScience и ионизатором Sitael. Kreios Space в Барселоне — аналогичный проект. Институт космических систем Штутгарта — ATLAS, запущенный в 2020. «Экипо» в 2022 — предварительные испытания. МАИ и МГУ — ведут разработки.

А что если — не только спутники? Пилотируемая станция на 150–180 км?

Орбита не требует подъёма — торможение компенсируется двигателем. Нет мусора — не нужно маневрировать. Разрешение наблюдения — в десятки раз выше. Логистика — проще: ракета доставит на 150 км вдвое больше груза, чем на 415 км. Утилизация — просто выбросить за борт: через часы — огненный дождь.

Облик станции — иной. Обтекаемый корпус, нос — воздухозаборник. Позади — голубые ленты ионных струй. Или двигатели — на консолях, как турбореактивные на самолёте?

Пока — фантастика. Но воздушно-космические двигатели сделают её реальностью. Какой она будет — покажет время.