Солнечно-тепловой реактивный двигатель для межзвездного зонда прошел первые испытания — Naked Science
10 минут
Василий Парфенов
21

Солнечно-тепловой реактивный двигатель для межзвездного зонда прошел первые испытания

6.0

Впервые с момента появления концепции солнечно-теплового ракетного (реактивного) двигателя инженеры создали его рабочий прототип. Хотя это установка лишь для подтверждения концепции, она доказывает возможность практического воплощения идеи.

Схема Солнечной системы (не в масштабе)
Схема Солнечной системы (не в масштабе) / ©JHUAPL

Первыми из журналистов экспериментальную установку в штате Мэрилэнд посетили сотрудники издания Wired. Прототип собран инженерами Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (JHUAPL, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory). По описанию свидетелей, особо сильного впечатления аппарат не производит — обычный ISO-контейнер на заднем дворе кампуса. Внутри размещен массив светодиодов, который носит гордое название «солнечный симулятор».

Напротив него размещена черно-белая плитка, через которую протекает сжиженный гелий. Газ проходит через змеевик и вырывается из маленького сопла. При включении «симулятора солнца» плитка облучается светом в 20 раз более интенсивным, чем исходит от нашей звезды (на каком расстоянии — не указано). Это излучение превращается в тепло, которое передается гелию. А тот, в свою очередь, создает реактивную тягу.

Художественное представление пролета зонда New Horizons мимо Плутона и Харона
Художественное представление пролета зонда New Horizons мимо Плутона и Харона. Всего пять созданных человеком аппаратов преодолели притяжение Солнца и отправились за пределы нашей системы. «Новые горизонты» — один из трех, с которыми до сих пор поддерживается связь и единственный, активно выполняющий исследования / ©Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

Звучит просто, но подобную установку проверяют на работоспособность впервые. В ней еще нет ничего, что можно применить на реальном межпланетном зонде, однако сам принцип работы соответствует концепции. Свет нагревает специальный экран, тепло передается газу, газ совершает работу в реактивном сопле. Цель эксперимента — подтвердить, что это имеет смысл и эффективность установки будет выше, чем при банальном испарении гелия.

Пока ученые из JHUAPL не называют никаких конкретных цифр, лишь итог — система сработала. Более подробные результаты будут опубликованы в 2021 году. На конец следующего года запланировано подведение итогов декады гелиофизических исследований в Национальной академии наук, инженерии и медицины США. Демонстратор солнечно-теплового реактивного двигателя разрабатывался по заказу NASA в рамках предварительной проработки проекта межзвездного исследовательского зонда.

Зонд «Вояджер»
Зонды «Вояджер» выглядят одинаково и несут идентичный набор инструментов на борту, но были отправлены по разным маршрутам / ©NSSDC NASA

За всю историю космических исследований человечество смогло достичь пределов Солнечной системы лишь двумя аппаратами. Причем исключительно в рамках побочной программы миссий, да и сам факт достижения границ под вопросом. Слишком трудно судить о том, что есть край звездной системы на основе показаний зондов, отправленных в полет 43 года назад. Тем более, если они заставляют пересмотреть некоторые детали существующих теорий строения Солнечной системы.

В любом случае, «Вояджер-1» и его брат-близнец «Вояджер-2» предназначались для исследования дальних планет — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. На сегодняшний день они провели в космосе почти полвека, их радиоизотопные источники питания и тепла уже не способны обеспечивать энергией научное оборудование. Наконец, чтобы добраться до внешних границ Солнечной системы им потребовалось почти три десятка лет. Будущие зонды для исследования этих областей пространства должны быть намного быстрее.

Установка теплозащитного экрана на зонд «Паркер» в 2018 году
Установка теплозащитного экрана на зонд «Паркер» в 2018 году. Через две с небольшим недели после этого снимка он отправился по сложной траектории к Солнцу / ©NASA, JHUAPL

Одним из возможных способов так сильно разогнаться может стать солнечно-тепловой реактивный двигатель на водороде. Его использование отлично сочетается с гравитационным маневром у звезды. Пролетая на расстоянии всего в 1,6 миллиона километров над солнечной короной межзвездный зонд получит необходимое тепло для испарения газа и создания тяги, а также дополнительный импульс за счет эффекта Оберта. Это позволит получить необходимый прирост скорости для успеха миссии — с 48 до 320 тысяч километров в час.

В теории все выглядит выполнимо. Нужно только решить проблему с тепловым экраном, которому придется выдерживать температуру почти в 2,5 тысячи градусов. Хорошая новость — максимальное сближение продлится всего два с половиной часа. Плохая — проблем добавляет водород, который при высоких температурах способен на весьма неприятные реакции с большинством материалов. Инженеры и ученые Университета Джона Хопкинса нашли теоретические решения большинства сложностей и теперь работают над их практической реализацией.

Идея солнечно-теплового ракетного двигателя высказывалась еще в 1956 году. По заказу Лаборатории ракетного движения ВВС США (Air Force Rocket Propulsion Laboratory, AFRPL) даже были проведены расчеты и наземные испытания необходимых для реализации такой установки материалов. Однако только сейчас прогресс достиг необходимого уровня, чтобы подобные эксперименты имели успех. На практике созданные в JHUAPL решения будут проверены, в том числе, когда зонд «Паркер» сблизится с Солнцем в 2024 году. Этот аппарат во время своей работы окажется на расстоянии всего в четыре раза большем, чем придется «пережить» межзвездному зонду.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Позавчера, 14:29
5 минут
Сергей Васильев

Новый чувствительный инструмент способен различить направление поляризации света — свидетельство присутствия хиральных молекул биологического происхождения.

12 часов назад
5 минут
Илья Ведмеденко

В ФСБ рассекретили данные об экспериментах нацистской Германии в оккупированном Крыму в годы войны. Вынужденное участие в них принимали как военнопленные, так и мирные жители.

Вчера, 14:49
5 минут
Сергей Васильев

Блестящая ледяная поверхность Плутона покрыта бурыми пятнами толинов, однако новые эксперименты показали, что точная природа этих образований остается непонятной.

19 июня
5 минут
Илья Ведмеденко

Снимки демонстрируют интерьер новой российской атомной многоцелевой субмарины — К-561 «Казань», принадлежащей к проекту 885М «Ясень-М».

19 июня
55 минут
Александр Березин

Два миллиона лет назад планета вошла в состояние крайне необычной неустойчивости. Раз за разом она стирала экосистемы Африки с лица земли, отчего наши предки снова и снова оказывались в сложном положении. Семьдесят тысяч лет назад их число сократилось в десять раз — ударил другой, совершенно неожиданный фактор. Пару сотен тысяч лет назад не только человечество, но вообще все наземные виды могли погибнуть от еще более разрушительной силы. 12,9 тысячи лет назад множество людей умерли и миллионы квадратных километров полностью выгорели из-за взрывов в атмосфере и огненного дождя. Как именно наш вид пережил все это?

Позавчера, 07:35
9 минут
Мария Азарова

Китайские ученые воспроизвели модель мужской беременности млекопитающих на лабораторных крысах: результаты оказались успешными лишь отчасти, но все равно показали, что в таких случаях эмбрионы могут развиваться нормально. Мировое сообщество восприняло эксперимент с ужасом.

24 мая
23 минуты
Ольга Иванова

«Сексуальную революцию совершили задние сиденья автомобилей», – заявил в свое время американский общественный деятель Джерри Рубин. И ошибся. Раскрепощение нравов происходило задолго до появления машин, причем много раз. Оно напоминает движение маятника. Как и почему вершились «секшал революшнс» и стоим ли мы на пороге нового витка сексуальности или же нас ждет ужесточение морали? Об этом – в нашем материале.

9 июня
4 минуты
Ольга Иванова

Международная команда исследователей изучила геологию и условия существования самого большого моря в истории планеты — Паратетиса.

19 июня
5 минут
Илья Ведмеденко

Снимки демонстрируют интерьер новой российской атомной многоцелевой субмарины — К-561 «Казань», принадлежащей к проекту 885М «Ясень-М».

[miniorange_social_login]

Комментарии

21 Комментариев

24.11.2020
-
0
+
90 км/c это конечно много, но все равно слишком медленно. До Проксимы такми макаром 14 тысяч лет лететь.
23.11.2020
-
0
+
"Нужно только решить проблему с тепловым экраном, которому придется выдерживать температуру почти в 2,5 тысячи градусов. Хорошая новость — максимальное сближение продлится всего два с половиной часа." В чём проблема? Согласно сообщениям МО некоторых стран, у нас уже давно СЗ ракеты летают 20М у поверхности земли. А это как минимум, 6500К.
    23.11.2020
    -
    0
    +
    Проблема в длительности. Те ракеты, которые летают у поверхности земли со скоростями 20М (на самом деле 15-18М), делают это порядка десятка секунд. На этот время их теплозащиты хватает, она расходуется, но покрывает такое время. Два с половиной часа потребуют слишком толстой расходуемой теплозащиты, чтобы это было реальным.
23.11.2020
-
0
+
"За всю историю космических исследований человечество смогло достичь пределов Солнечной системы лишь двумя аппаратами." - А "Пионер-10" и "Пионер-11"?
    Да ни разу оно не смогло достичь пределов Солнечной системы. Никакими аппаратами. Отсюда и фраза " сам факт достижения границ под вопросом". Вояджеры далеко не вылетели не то что за границы Солнечной системы, но даже за границы орбиты Седны. Какая уж тот Солнечная система.
    +
      ещё комментарии
      23.11.2020
      -
      1
      +
      Надо определить предмет спора. :) Что есть "предел Солнечной системы" и "граница Солнечной системы". И тогда уже взвешивать, понимая суть границы.
        23.11.2020
        -
        0
        +
        С космосом сейчас столько наук связано... И, по всей видимости, у каждой свои определения "конца света". ))) Так что лучше просто не употреблять этот термин.
        Выше у НАСА неплохая попытка, и в целом я с ними согласен.
      23.11.2020
      -
      0
      +
      Ну, если за пределы Солнечной системы принимать точку Лагранжа между Солнцем и ближайшей звездой ~ 2св. года, то про "достижение границ" можно вообще даже и не заикаться.
      23.11.2020
      -
      1
      +
      Если так считать то и Гагарин в космос не летал. Ведь атмосфера Земли простирается до 10 000 км, а полет Восток-1 проходил на высоте 175-327 км по нижней границе термосферы. Чтобы избежать лишних споров, границей космоса провозгласили линию Кармана - 100 км. Впрочем даже тут имеются разногласия. Николай наверное лучше разъяснит какие )) вроде бы у ВВС и НАСА на этот счет разные понятия. На мой взгляд считать границу солсистемы "по Березину" несколько перебор. Так можно окрестности ближайших звезд провозгласить своими. В конце-концов никто это облако Оорта не видел и где оно заканчивается тоже не слишком понятно.
        У космоса есть четка граница: линия Кармана, выше лететь можно только с первой космической, и это надежный ориентир. Гагарин летел выше 100 км и ско скоростью не ниже первой космической, сделал обороты вокруг Земли явный космический полет У Солнечной системы тоже есть четкий ориентир: в нее входит то, что вращается вокруг Солнца. "На мой взгляд считать границу солсистемы "по Березину" несколько перебор. Так можно окрестности ближайших звезд провозгласить своими." Сфера Хилла (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0_%D0%A5%D0%B8%D0%BB%D0%BB%D0%B0) для Солнца заканчивается ранее окрестностей ближайших звезд. Можно спорить о том, кто видел облако Оорта, а кто нет, но сложно спорить с тем, что Седна существует -- и она даже не самое далекое известное тело Солнечной системы. И я не совсем уверен, что это "по Березину". Откроем, например, сайт НАСА: "While the probes have left the heliosphere, Voyager 1 and Voyager 2 have not yet left the solar system, and won’t be leaving anytime soon. The boundary of the solar system is considered to be beyond the outer edge of the Oort Cloud, a collection of small objects that are still under the influence of the Sun’s gravity. The width of the Oort Cloud is not known precisely, but it is estimated to begin at about 1,000 astronomical units (AU) from the Sun and to extend to about 100,000 AU. One AU is the distance from the Sun to Earth. It will take about 300 years for Voyager 2 to reach the inner edge of the Oort Cloud and possibly 30,000 years to fly beyond it." https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-voyager-2-probe-enters-interstellar-space Мне кажется, что НАСА чуть виднее, покинули ли Водяжеры Солнечную систему, или нет. Если в Агенnстве считают, что нет -- на мой взгляд, это значит, что нет.
          23.11.2020
          -
          0
          +
          Ну это они теперь так говорят. А поначалу заявляли что "покинули" но потом объявили что это не совсем так и вообще их неправильно поняли ))
            Ту историю я неплохо помню: объявил об этом в Твиттере (что "покинули") младший пиар-работник НАСА с журналистским образованием. А вот опровергал это уже сайт, с более опытными работниками. Такое бывает, не все сотрудники одинаково разбираются в том, чем занимаются.
          23.11.2020
          -
          0
          +
          "У космоса есть четка граница: линия Кармана, выше лететь можно только с первой космической, и это надежный ориентир." Вся четкость этой границы только в круглом числе 100 км. Физически никакой разницы, что 95 км, что 105 км. Первая космическая скорость тут, увы, совершенно не при чем. Хотя бы потому, что она, согласно определению, рассчитывается для поверхности планеты - то есть нулевой высоты. "Гагарин летел выше 100 км и со скоростью не ниже первой космической" - это ошибка, Александр. Всё, что движется выше атмосферы по любой стабильной орбите, имеет в любой её точке скорость ниже первой космической скорости. Кроме того, даже выше на 10, 20 или 30 км линии Кармана - стабильной орбиты не получится: там слишком велико влияние атмосферы. Поэтому никаким "надежным ориентиром" линия Кармана не считается и не является. Это чисто условная высота, просто круглые 100 км. И не более того, никакого физического смысла при этом в себе не содержащая. Если хотите, вот например, тут про это упоминается - "Коммерсант" почему-то заинтересовался суборбитальной баллистикой, в четверг выпустил материал на эту тему. )) www.kommersant.ru/doc/4566224 Процитирую оттуда: "Чтобы обращаться по орбите, нельзя залезать в атмосферу, сопротивлением воздуха сбрасывающую с орбиты на поверхность. Торможение становится критическим на высоте около 120 км, на которой начинается необратимый и быстрый сход с орбиты. Поэтому перигей стабильных орбит не опускается ниже 150 км."
            "Первая космическая скорость тут, увы, совершенно не при чем" Ну, таки она тут кое при чем: https://en.wikipedia.org/wiki/K%C3%A1rm%C3%A1n_line#Definition Без нее летать там не выйдет. Можно спорить о том, 80 или 105 там километров. Но нельзя спорить с тем, что без первой космической там лететь устойчиво нельзя.
              23.11.2020
              -
              0
              +
              Из вашей же ссылки, Александр: "Хотя расчетная высота была не совсем 100 км, Карман предложил, чтобы 100 км были обозначенной границей космоса, потому что круглое число более запоминающееся, а расчетная высота меняется в мгновение ока при изменении определенных параметров. " Вот и вся суть - более запоминающееся круглое число. )) "без первой космической там лететь устойчиво нельзя." - еще раз, первая космическая скорость определяется для планеты при нулевой высоте, и именно она называется первой космической скоростью - для небесного тела и его поверхности. Всё, что расписано в Википедии непонятно кем для любых произвольных высот - это не первая космическая скорость. Это орбитальная скорость. Согласно этим Википедийным софистикам, любая орбитальная скорость - первая космическая ( грубая принципиальная ошибка, говорящая о полном непонимании авторами баллистики и сути определения первой космической для небесного тела); соответственно у Земли может быть бесконечно много первых космических скоростей - просто меняйте высоту. Это абсурд для определения первой космической скорости. Для Земли она одна, и определяется на её осреднённой поверхности. Всё, что выше - уже не первая космическая скорость. Так, по геостационарной орбите спутники движутся не с первой космической скоростью. И спутники Глонасс тоже не движутся с первой космической скоростью. И спутники GPS не с первой космической. И Луна движется не с первой космической скоростью. )) В Википедии налицо банальная подмена понятий - орбитальной скорости и первой космической скорости. Свои расклады для орбитальных скоростей они выдают за первую космическую скорость. К сожалению, Википедия так часто содержит ахинею, что полагаться на неё как на компетентный источник можно только с большим риском оказаться дезинформированным. Именно так происходит в русскоязычной Википедии для первой космической скорости. И не только для неё, увы. Иногда просто диву даёшься, что там пишут эти безвестные писатели-дилетанты. И никакой ответственности ни перед кем не несут за свою ахинею и одурачивание читателей.
              23.11.2020
              -
              0
              +
              "Без нее летать там не выйдет." Замечательно. Скорость зависит от высоты, высота зависит от скорости. Будем ссылаться в одном на другое, как аксиому. Фигня какая-то. По Вашей ссылке: ------------------------------- The Kármán line thus is an arbitrary definition based on the following considerations: An aircraft can only stay aloft by constantly traveling forward relative to the air (rather than the ground), so that the wings can generate lift. The thinner the air, the faster the plane must go to generate enough lift to stay up. The amount of lift provided (which must equal the vehicle's weight in order to maintain level flight) is calculated by the lift equation -------------------------------- Таким образом, линия Кармана является произвольным определением, основанным на следующих соображениях: Самолет может оставаться в воздухе, только постоянно двигаясь вперед относительно воздуха (а не земли), чтобы крылья могли создавать подъемную силу. Чем тоньше воздух, тем быстрее должен лететь самолет, чтобы создать достаточную подъемную силу, чтобы оставаться в воздухе. Обеспечиваемая подъемная сила (которая должна равняться весу транспортного средства для поддержания горизонтального полета) рассчитывается по уравнению подъемной силы --------------------------------- Обратите внимание: ни слова об инерциальном полёте. А ведь Первая (так же, как и вторая и все последующие) космическая нужна именно для ИНЕРЦИАЛЬНОГО полёта. С постоянно включённым двигателем можно хоть на третьей космической по круговой орбите летать, хоть на Луну со скоростью Жигулей тащиться.
        23.11.2020
        -
        0
        +
        Считать можно как угодно. Это лишь вопрос постулатов - что чем считать. Существуют ведь и Евклидова, и Риманова геометрии. И обе "правы", хотя утверждают про одно и то же - две параллельные прямые - в корне разные вещи. Так же и с границами. Как и что назначить - таковы и результаты будут.
    С ними нет связи, так что подтвердить или опровергнуть их положение нельзя
    +
      ещё комментарии
      23.11.2020
      -
      0
      +
      Положение «Вояджеров» в части их удаления от Солнца и достижения/недостижения неких границ определяется отнюдь не связью, точно как и «Пионеров». «Вояджеры» не передают никакой навигационной информации. С точки зрения удаления от Солнца в пространстве они ничем не отличаются от «Пионеров». На мой взгляд, корректнее было написать и о тех и о других, отметив, что связь из них поддерживается с двумя - «Вояджерами». Примерно как вы сделали в подписи к картинке, упоминая пять аппаратов.

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: