Для межпланетных путешествий нужно лишь эффективно использовать уже накопленный человечеством технический опыт

Собеседник газеты «Аргументы недели» Шамиль Бабугаджиевич Абдуллаев, инженер, изобретатель, ветеран труда, в прошлом - начальник отдела инженерно-технологического контроля МНОЦ МГУ. На его счету множество оригинальных технических решений, идей и предложений. Он является автором большого количества зарегистрированных изобретений, часть из которых касаются военной техники и вооружений.

- Добрый день Шамиль Бабугаджиевич, как Вы оцениваете актуальное состояние космической отрасли в России?

Сложившейся ситуацией с участием России в освоении космоса мало кто доволен, да, почитай все, вплоть до космонавтов. Роскосмос превратился лишь в перевозчика на ракетах-носителях полувековой давности, но появление на этом рынке частных компаний, с продвинутыми технологиями возвращаемых ступеней ракет, с самолетными пусками космических аппаратов, возросшая активность Китая и появление других игроков на этом поле может свести Россию на участь наблюдателя на чужом празднике. В тоже время, принятые руководством Роскосмоса, программы все время откладываются и изменяются и нет представления о будущем двигателе ни для космического корабля, ни для самого буксира, ни для спускаемого аппарата и потому предлагаю свой подход в концепции ракетного двигателя для межпланетных полетов, ибо могут потребоваться и новые взгляды на способы перемещения в свободном межпланетном пространстве. 

- Расскажите о принципе действия предложенного Вами тандемного гибридного двигателя для космических кораблей будущего?

Техническое решение для двигателя космического корабля предлагается осуществить в виде комбинации детонационного (пульсирующего или спинового) химического двигателя, газовые выбросы которого в виде плазмы ускоряются, за счет энергии ядерной силовой установки, в электродинамической части (в плазменном ускорителе) тандемного двигателя. Схема двигателя составлена так, что в различных блоках протекают известные на сегодня и осуществимые физико-химические процессы, способные сообщить составляющим элементам рабочего тела, преобразованным в квазинейтральную плазму, однонаправленную скорость, с недостижимой на сегодня кинетической энергией. Ядерная силовая установка обеспечит гибридный двигатель, скомпонованный по тандемной схеме, такой энергией, а предлагаемая блок-схема двигателя – преобразование этой энергии в импульс реактивного движения космического корабля. Использование воды и в качестве рабочего тела в двигателе, и в качестве оболочки для защиты экипажа от космической радиации, и в качестве теплоносителя первичного и вторичного контура ядерной энергетической установки, построенной по традиционной схеме, и, разумеется, для удовлетворения жизненных и иных потребностей экипажа, в разы удешевляет проект двигателя и позволяет конструирование двигателя и на его основе космического корабля на базе существующих технологий. Такой гибридный тандемный двигатель позволяет решить все вопросы по безопасной организации обитаемых межпланетных полетов. 

- Как Вы считаете, какие ресурсы человек будет искать в космосе? Почему корабли будущего нуждаются в принципиально новых двигателях, отличных от современных?

Вся история человечества – это вечный поиск ресурсов для питания, а затем и других ресурсов и всегда на первом плане стоял вопрос нахождения самого критического ресурса – воды, без которой организм человека не просуществует более нескольких суток. И человек отправится к другим небесным телам в поисках, в первую очередь, воды, и если ее там нет, то и осваивать, и колонизировать будет нечего. Нет ни одного другого вещества, как вода, со столь уникальными физическими, химическими и биологическими характеристиками, столь удобного в переработке и столь дешевого на Земле. Если воду использовать, как рабочее тело, то организация экспедиции на Марс становится реальностью ближайшего будущего, ведь можно уполовинить первоначальную массу ракеты, ибо на обратный путь рабочее тело можно запасти на объекте посещения. Сейчас Россия и другие производители будущих ракетных двигателей стараются использовать в качестве рабочего тела только благородные газы, коих и на Земле не так уж и много, а на других планетах их и вовсе невозможно запасти, и потому проектируемые электроракетные двигатели (ЭРД)  и плазменные двигатели на основе благородных газов – тупиковый путь и по цене и из-за опоры только на земные ресурсы. Предлагается иной подход к созданию ракетных двигателей с использованием воды в качестве рабочего тела для таких двигателей. Это повлечет за собой и ряд других положительных моментов, что позволить решить ряд принципиальных вопросов, не разрешимых сегодня при межпланетных полетах в свободном космосе. Для любого перемещения требуется энергия и чем больше энергии имеется в наличии и с чем большим КПД расходуется эта энергия, тем быстрее перемещение человека в свободном космическом пространстве. Сегодня в свободном пространстве перемещаются тремя способами - за счет химической энергии топлива ракеты для создания реактивной струи; за счет энергии солнечных батарей или ядерного источника электроэнергии для создания тяги ЭРД инертным рабочим телом и за счет реакции солнечного ветра на солнечный парус космического корабля (КК) без использования рабочего тела. Практика показывает, что химической энергии существующих и будущих ракет хватает лишь для экспедиции на Луну и для отправки в одну сторону КК к другим планетам, как собирается это сделать в своем авантюрном и антигуманном проекте Илон Макс по освоению Марса. Мощности ЭРД и солнечного паруса хватает лишь для коррекции орбиты и набора ускорения спутниками за счет очень длительной работы ЭРД и для использования на обитаемом КК для создания мощной тяги непригодны. Ведь надо преодолеть потенциальную яму силы притяжения Земли, надо набрать первую космическую скорость для компенсации сил гравитации планеты, с орбиты Земли набрать вторую космическую скорость для встречи с другой планетой, затормозить при подходе к другому небесному телу с переходом на низкую орбиту планеты или его спутника, спустить обитаемый модуль на другое небесное тело, поработать и затем повторив всё в обратном порядке, с набором первой и второй космической скорости небесного тела посещения, направиться домой, где могут встретиться гораздо серьезные трудности, ибо экипаж будет уставшим, а техника возможно будет не столь безотказной. Все маневры, выполняемые экспедицией, требует громадных затрат энергии и выполнит все маневры надо за минимальное время. Вот что говорил по поводу двигателей и источников энергии для них исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко:  « У ионных двигателей есть неустранимое слабое место – электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает его ресурс. Сегодня лучшие образцы ионных двигателей работали в космосе не более трех лет и не более пяти лет на земных стендах. Кроме того, конструкция с погруженными в плазму электродами ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-40 км/c. Увеличить ее затруднительно, по тем же причинам – электроды разрушатся еще быстрее. Самый совершенный ионный двигатель NEXT в арсенале НАСА на сегодняшний день имеет удельный импульс, равный 41,9 км/c. Но за такие рекордные параметры ионным двигателям приходится платить малой тягой – NEXT обеспечивает лишь 327 мН (32,7 грамма тяги) при потребляемой мощности в 7,7 кВт. 

- Так, что же это получается, в настоящее время Россия в идеях и перспективных разработках космической техники больше не впереди планеты всей?

Справедливые надежды возлагаются на еще одну разработку – двигатель VASIMR, магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом. Внутри VASIMR плазму, которая выступает в качестве рабочего тела, помещают в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счет высокой температуры. Разработки VASIMR ведутся в США уже более 20 лет и за это время были достигнуты впечатляющие успехи. В августе 2019 года очередной прототип VX-200SS продемонстрировал тягу в 5,4 Н (540 граммов тяги) на мощности 200 кВт и при удельном импульсе в диапазоне от 50 до 300 км/c, на порядок больше ионных двигателей. Такой импульс в идеале позволит с помощью VASIMR добраться до Марса всего лишь за 39 дней вместо 250 суток, как в случае использования жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) или ядерного - ЯРД. 

Но для этого, конечно, тяга плазменных двигателей должна измеряться сотнями килограммов, а не сотнями граммов. Впечатляющим должен быть и источник электричества на борту такого гипотетического марсианского корабля – он должен иметь мощность около 200 МВт. Роскосмос осознает трудности освоения ближайших небесных тел с применением существующих двигателей, но у руководства нет понимания того, какие надо использовать технические решения для преодоления этих проблем и для маскировки безысходности демонстрирует общественности проект космического буксира на ионных двигателях, которые сами признают бесперспективными и отодвигают сроки выполнения космических программ. Двигатели космического корабля (буксира), в начале набора скорости с низкой опорной орбиты, должны иметь возможность обеспечить скорость вылета частиц рабочего тела в 30-500 км/с при расходе рабочего тела в сотни кг/с, т.е. сообщит космическому кораблю максимальное количество движения или по другому – импульс, величина равная произведению скорости выбрасываемых частиц на их массу и являющая самой главной характеристикой любого реактивного двигателя.  

При современном уровне науки и потенциале технологий, получить такой импульс возможно лишь, используя знания о газовой плазме, и опыте передовых стран по ее укрощению, полученному  за последнее полстолетия, и таким опытом является программа NASA VASIMR с двигателем Чанг-Диаза VX-200SS. Американцы будут совершенствовать свой двигатель, но Россия могла бы их обойти, построив свой двигатель, без недостатков двигателя Чанг-Диаза, какими, на мой взгляд, являются использование, ограниченного по своему ресурсу, благородного газа в качестве рабочего тела и его ионизацию в соответствующей камере (генераторе плазмы) электромагнитным воздействием в самом двигателе. Такая схема приводит к дрейфу к стенкам камеры сильно разогретых, но еще не ионизованных частиц рабочего тела, которых не может удержать магнитное поле ловушки, что приводит к потере тепла, снижению температуры плазмы и ограничению подачи количества рабочего тела в ту часть двигателя, где происходить дальнейший разогрев плазмы. Таким образом, использование холодного инертного вещества в качестве рабочего тела в таких двигателях, его ионизация в одном тракте с ускорителем плазмы, является родовым ограничением таких двигателей, и, следовательно, приведет к искомому импульсу (количеству движения). 

-  Расскажите подробнее о конструктивных особенностях тандемного гибридного двигателя.

Во время испытаний установлено, что наибольшие потери тепла происходили в зоне спирального облучателя (в ионизационной камере) и в ее окрестностях, ибо резонансное поглощение радиоволн атомами газа происходит не мгновенно всей массой газа, требуется время, что и ограничивает пропускную способность двигателя по массе расходуемого вещества. 

Предлагаемая схема двигателя для КК, позволяющая преодолеть ограничения по массе ускоряемого рабочего тела (плазмы), основана не на компиляции достижений американцев, а является дальнейшим развитием моего изобретения № 2645099 RU «Детонационный двигатель» для ракеты на твердом детонирующем топливе от 15.02.2018г., только твердое топливо в схеме предлагаемого двигателя будет заменено на газообразное детонирующее топливо и детонационный газовый двигатель, дополненный ионизационным устройством, будет выступать, как генератор плазмы для плазменного ускорителя, что позволит придать ускорение КК, как от химического детонационного двигателя, где рабочим телом является вода, так и от плазменного ускорителя, питающийся от ядерной энергетической установки (ЯЭУ). Такая схема двигателя КК будет представлять собой тандем двух видов двигателей: - детонационного пульсирующего двигателя на химической энергии гремучего газа или детонационного двигателя со спиновой детонацией, предназначенного для генерации плазмы и плазменного двигателя, представляющего собой ускоритель плазмы, поступающая из детонационного двигателя. 

Двигатель Чанг-Диаза VASIMR. Фотграфия из архива Шамиля Абдуллаева.

- В чем суть непригодности ныне разрабатываемых двигателей к межпланетным космическим полетам?

Если вопрос с обеспечением КК энергией, на известных сегодня схемах выработки электрической энергии и решается, то с устройством двигателя для КК проекты только прорисовывается в виде плазменных двигателей типа VASIMR. Такие двигатели работают на благородных газах и для полета к другим планетам надо тащить с собой для обратной дороги еще и половину массы рабочего тела, что нелинейно увеличивает первоначальную массу КК. Но если бы материал для рабочего тела можно было бы найти на месте прибытия экспедиции, то это ускорило бы организацию экспедиций в ближайшем будущем. 

Человек, в своем историческом блуждании с доисторических времен, в первую очередь искал воду – источник жизни. Это было на Земле и это будет в любой точке Вселенной, куда человек, когда ни будь, захочет попасть. И было бы разумно построить двигатель, работающий на таком рабочем теле, как вода – удивительное вещество - обладатель многих уникальных свойств, одним из которых является способность распадаться на первоначальные химические элементы, и, в определенных условиях, восстанавливаться, почти полностью возвращая в виде тепла, затраченную на электролиз энергию. Вода является самым дешевым химическим соединением на Земле и самым удобным для транспортировки и переработки. Эти качества, а также множество других уникальных и аномальных свойств воды можно использовать для полноценного функционирования КК, а использование воды в качестве рабочего тела в двигателе позволить освоить солнечную систему, вернее, уникальные свойства воды позволят сконструировать новый тип двигателя, с помощью которого можно совершать, невозможные сегодня, обитаемые межпланетные экспедиции.

- Получается, что и в деле освоения космического пространства – вода всему голова?

Только использование воды в качестве рабочего тела позволяет использовать в одном рабочем агрегате (двигателе) КК, и изобретения по детонационным ракетным двигателям и знания и опыт обращения с плазмой, для ускорения массивных сгустков низкотемпературной плазмы, генерируемых детонационным двигателем, до энергии в несколько миллионов электронвольт, и достигать скоростей в 50-500 км/с. В таком двигателе суммируется и мощь химической энергии детонационного двигателя, и мощь ЯЭУ для ускорения рабочего тела в виде плазмы до теоретически возможных пределов. За десятки лет на полках Роспатента накопились сотни патентов детонационных газовых пульсирующих двигателей для создания тяги, схемы которых можно использовать в качестве головного узла, как реактора плазмы, так как в детонационной волне продукты взрыва, находящиеся под огромным давлением и при высокой температуре, которые сильно ионизированы.

Электрическое сопротивление таких ионизированных продуктов мало, они являются хорошими проводниками, с сопротивлением 10-20 Ом/мм кв. За счет дополнительных добавок реагентов, с низким ионизационным потенциалом, в детонационную камеру (в камеру горения или в реактор плазмы) увеличивается проводимость плазмы, что позволяет сразу же, по выходу плазмы из реактора, сжать ее за счет магнитных полей для устранения соприкосновения частиц плазмы со стенками двигателя и потерь ее энергии. Дальнейшее повышение температуры плазмы и ее ускорение – это дело техники, в котором советские и российские ученые и инженеры достигли самых впечатляющих успехов, так что по их схеме и с их участием сконструирована и почти построена первая в мире установка по ядерному синтезу плазмы дейтерия и трития, для получения положительного выхода энергии, при реакции ядерного синтеза. 

- Давайте вернемся к описанию принципа работы предложенного Вами двигателя и его преимуществ.

Предлагаемая сборка двигателя для КК построена по тандемной схеме и состоит из двух двигателей – химического и плазменного. В головной части расположен химический двигатель, где в камере сгорания (она же детонационная камера или генератор плазмы) происходит детонация гремучего газа, производимого на борту КК электролизом воды. Расход газа можно регулировать в самых широких пределах, до сотни кг/с и выше, при этом импульс, получаемый химическим двигателем, передается всему КК. При наличии неограниченного количества электроэнергии при испытаниях, двигатель Чанг-Диаза имеет пока небольшую тягу, ибо не может выработать достаточное количество плазмы, из-за относительно большой длительности времени для ее генерации. Время генерации плазмы в таком двигателе удлиняется, еще, из-за ограниченных возможностей твердотельных радиоизлучателей для разогрева плазмы и все это связано с использованием аргона (или любого другого инертного газа) в качестве рабочего тела, в то время, когда, используя гремучий газ, можно за несколько миллионных долей секунды за счет детонации получить то количество плазмы, которое  сможет ускорить плазменный двигатель, второй участник тандема, - электрическая часть двигателя КК, которая и будет разгонят плазму до требуемых скоростей. 

Схема тандемного двигателя космического карабля. Фотграфия из архива Шамиля Абдуллаева.

Отметим несколько положительных моментов использования воды в качестве рабочего тела для предлагаемого тандемного двигателя КК: 

1) электролизом воды можно получить самое качественное детонирующее топливо для тандемного двигателя КК,

2) вода является самым дешевым, удобным для транспортировки и хранения минералом, доступным, практически, в любом уголке солнечной системы, 

3) вода является прекрасным замедлителем жесткого радиационного излучения и можно использовать для защиты экипажа от космического излучения. Экипаж КК, находясь внутри кокона из емкостей воды, – топлива для двигателей и продукта для жизнедеятельности экипажа – будет надежно защищен и без массивных металлических стен обитаемого модуля от радиационной и метеоритной угрозы. Защиту экипажа можно еще больше усилить, если по бокам обитаемого модуля расположить сами тандемные двигатели, являющиеся достаточно удлиненными линейными объектами. Внешние силовые линии мощных магнитов плазменных ускорителей замкнут на себя траектории заряженных частиц, а металлические корпусы двигателей обеспечат защиту от микрометеоритов и жесткого излучения, что позволит решит основной вопрос межпланетных путешествий - вопрос безопасности экипажа, 

4) детонационный двигатель, в камеру сгорания которого компоненты гремучего газа подаются под небольшим давлением, является одновременно и насосным агрегатом, создающим за счет детонации требуемые по температуре, давлению и скорости потоки ионизированного газа, для подачи в тракт ускорения плазмы, так как, чем больше скорость газа на входе тракта ускорения, тем эффективнее работа плазменного ускорителя, что следует из анализа формулы силы Лоренца, 

5) детонационной камерой сжигания утилизируются, превращенные в пыль или суспензию, любые виды продуктов жизнедеятельности и санитарно-гигиенических процедур экипажа. Таким образом, все съестные и иные припасы можно, после использования, превратить в рабочее тело, что позволит изначально увеличить полезный груз КК, или уменьшить первоначальную массу КК, 

6) наличие большого количества воды на борту КК позволит проектировать надежную и апробированную многолетним опытом человечества ЯЭУ с охлаждаемой водой реактором и паровым генератором электроэнергии вместо того, чтобы разрабатывать, еще никем не построенную и не апробированную, газовую ЯЭУ. 

Предлагаемая схема двигателя для КК, позволяющая преодолеть ограничения по тяге всех существующих электроракетных двигателей, позволит сообщить необходимое количество энергии для движения (импульс) КК за счет возможности обеспечения детонационным двигателем ежесекундного расхода рабочего тела в сотни килограмм и ускорения этой массы плазмы плазменным ускорителем в 30-500 км/с. 

Таким образом, предлагаемое техническое решение по использованию воды в качестве рабочего тела для гибридных тандемных двигателей КК позволяет решить вопросы организации обитаемых экспедиций в пределах солнечной системы в ближайшем будущем.