Освоение дальнего космоса

1.

Мурманский арктический государственный
университет
в г. Апатиты (филиал МАГУ в г. Апатиты)
Основные проблемы, ионно-плазменные
и ядерные реактивные двигатели
Выполнил:
Пивоваров Николай, группа 1МТФ-ТМФ(д)_АФ

2.

СОДЕРЖАНИЕ
ВСТУПЛЕНИЕ ..………………………………………………………….. 3
Расстояние …...……………………………………….……………. 4
Масштабы вселенной……………………………………..5-8
Навигация ………………………...………………………………….9
Космическое излучение..……………………………………...….10
Жизнеобеспечение экипажа……………….…………………….11
Ракетные двигатели …………………………………………...….12
Ионный двигатель ……………………………………………..13-14
Ядерный реактивный двигатель ………………………...….15-16
Плазменный ракетный двигатель …………………………..17-18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………19

3.

ВСТУПЛЕНИЕ
ПЕРВЫЙ ПОСЛАННИК ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ
ЗАПУЩЕННЫЙ В 1977 ГОДУ К ВНЕШНИМ ПЛАНЕТАМ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ, КОСМИЧЕСКИЙ
АППАРАТ «ВОЯДЖЕР-1» СТАЛ РАБОТАЮЩИМ САМОЕ ДОЛГОЕ ВРЕМЯ И УДАЛИВШИМИСЯ НА
НАИБОЛЬШЕЕ РАССТОЯНИЕ ОТ ЗЕМЛИ АППАРАТОМ.
8 АВГУСТА 2021 ГОДА, «ВОЯДЖЕР-1», ПРЕВЫСИЛ РАССТОЯНИЕ В 23 МИЛЛИАРДА
КИЛОМЕТРОВ ОТ СОЛНЦА, НАХОДЯСЬ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ГЕЛИОСФЕРЫ, В МЕЖЗВЕЗДНОМ
ПРОСТРАНСТВЕ.
«ВОЯДЖЕР-1» ЯВЛЯЯСЬ БЕСПИЛОТНЫМ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ НАХОДИТСЯ В ПОЛЕТЕ
УЖЕ 44 ГОДА И ЭТО ОДНА ИЗ ПЕРВЫХ ПОПЫТОК ИССЛЕДОВАНИЯ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА
ЧЕЛОВЕЧЕСТВОМ.
НО СМОЖЕТ ЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВО ОСУЩЕСТВИТЬ ПИЛОТИРУЕМЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ ПОЛЁТ В
ДАЛЬНИЙ КОСМОС?
КАКИЕ ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРЕБУЕТСЯ РЕШИТЬ, ЧТОБЫ МЫ СМОГЛИ ИССЛЕДОВАТЬ И
ОСВАИВАТЬ ПРОСТРАНСТВО НЕ ТОЛЬКО В ГРАНИЦАХ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ, НО И ЗА ЕЕ
ПРЕДЕЛАМИ?
3

4.

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА
РАССТОЯНИЕ
ДАЛЬНИЙ КОСМОС
МЕЖЗВЕЗДНОЕ
ПРОСТРАНСТВО
МЕЖГАЛАКТИЧЕСКОЕ
ПРОСТРАНСТВО
В настоящее время чемпионом по скорости является
беспилотный космический корабль Parker Solar Probe.
Его скорость 532 000 км/ч или 0.049014 % скорости
света. Чтобы долететь до Проксима Центавры,
ближайшей к Солнцу звезды, при такой скорости,
понадобится примерно 8752 года.
11—14 млрд. км — граница гелиосферы,
где солнечный ветер со сверхзвуковой
скоростью наталкивается на межзвёздное
вещество и создаёт ударную волну, начало
межзвёздного пространства.
Межгалактическое пространство часть космоса, расположенная между галактиками. Карликовая галактика в
Большом Псе является ближайшей к нашему положению в Млечном
пути среди соседних галактик: 25 000 световых лет от Солнечной
системы и 42 000 световых лет от центра нашей галактики.
4

5.

Земля
Солнечная система
Земля в масштабе ВСеленной
Масштабы вселенной
5

6.

Окрестности Солнца
Галактика Млечный Путь
Масштабы вселенной
6

7.

Местная группа галактик
Масштабы вселенной
Сверхскопление Девы
7

8.

Местное сверхскопление
Масштабы вселенной
Наблюдаемая Вселенная
8

9.

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА
НАВИГАЦИЯ
Космос огромен. И в будущем, для ориентации космических аппаратов в нем, человечеству понадобится
надежная навигационная система.
Сегодня пока еще космические аппараты полагаются на Землю. Но для полетов в глубокий космос нужно нечто
иное. Навигационная система космического корабля должна быть автономной.
НАВИГАЦИЯ НА ОСНОВЕ РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРОВ
Навигация на основе рентгеновского излучения
пульсаров (англ. X-ray pulsar-based navigation and
timing (XNAV) — метод определения
местоположения космического корабля в глубоком
космосе, использующий периодические
сигналы рентгеновского излучения от пульсаров.
XPNAV-1
С помощью оборудования
спутника планируется
регистрация сигналов от 26
рентгеновских пульсаров и
создание на их основе
навигационной базы.
SEXTANT (NICER)
На основе технологии
SEXTANT планируется
создать навигационную
систему с точностью
позиционирования 5 км.
Достоинства пульсарной
навигации:
Первые результаты полученные с
прибором SEXTANT (NICER) на борту МКС.
естественная природа
пульсарных систем,
невозможность отключить или
нарушить функционирование
такой системы искусственным
способом, полная автономность
и возможность работы на очень
больших расстояниях от Земли.
Обладают высокой точностью,
теоретически пространственное
положение космического
аппарата может быть
определено с погрешностью в
сотни или десятки метров.
Точность определения положения <10 км
в течение практически всего
эксперимента
9

10.

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА
КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
КАК ЗАЩИТИТЬ КОСМИЧЕСКИХ ПУТЕШЕСТВЕННИКОВ
ПЛАН 1: ПАССИВНАЯ ЗАЩИТА. ЗА: простой принцип, гарантированное действие.
Например, слой воды толщиной 5 м . В этом случае радиус внутренней сферы (жилой капсулы)
составит 3,7 м, а внешней — 8,7 м. Масса водной оболочки составит 2 420 т. Для алюминия
масса получается еще больше. Такая масса в принципе неподъемна для современных
ракетоносителей. Однако в будущем при организации больших экспедиций массой много тысяч
тонн такой способ защиты может быть приемлем. ПРОТИВ: Слишком большая масса
ПЛАН 2: МАГНИТНАЯ ЗАЩИТА. ЗА: Намного легче, чем защита веществом
Электромагнит отталкивает падающие частицы обратно в космос. Чтобы отразить основной
поток космических лучей с энергиями до 2 ГэВ, требуется магнитное поле в 600 тыс. раз сильнее
земного на экваторе. Для подавления поля внутри жилого отсека необходимо добавить второе,
внутреннее электромагнитное кольцо. Но подавление будет лишь частичным и при этом
существенно усложнит систему. ПРОТИВ: Не обеспечит защиту вдоль оси.
ПЛАН 3: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА. ЗА: Нет брешей в защите; нет магнитного поля.
Предполагается заряжать оболочку космического аппарата до положительного
потенциала в 2 ГэВ, выстреливая электронным пучком в космическое
пространство. На поддержание заряда необходимо постоянно тратить
огромную энергию (∼ 1 ГВт). ПРОТИВ: Возникает опасный приток отрицательно зараженных частиц;
требуется электрическое поле гигантского напряжения.
В космосе на околосветовой скорости
перемещаются разные частицы: ядра
тяжелых элементов, ядра гелия, протоны,
электроны. Потоки таких частиц получили
название космического излучения. Оно
наделено очень большой энергией,
достигающей 3*1020 эВ. Основной источник
космических лучей — взрывы сверхновых
звезд, а также солнечное протонное
излучение, которое резко усиливается изза вспышек на Солнце.
Преодоление радиационных поясов
остается одной из главных нерешенных
проблем полетов в дальний космос.
Частицы, обладающие очень высокой
энергией, могут нанести тяжелый
биологический вред. А сталкиваясь с
конструкциями космической станции, они
формируют еще и вторичное излучение, а
также способны вывести из строя
аппаратуру на борту.
10

11.

11
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА
ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКИПАЖА
Космическая биология и авиакосмическая медицина изучают влияние космических факторов и особенности
жизнедеятельности организма человека при действии этих факторов с целью разработки средств и методов
сохранения здоровья и работоспособности членов экипажей космических кораблей и станций.
ФАКТОРЫ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА
ГРУППА №1
Эти науки являются
комплексом различных
разделов, таких как
космическая физиология
и психофизиология,
космическая гигиена,
космическая
радиобиология,
теоретическая и
клиническая медицина,
врачебная экспертиза.
ГРУППА №2
ГРУППА №3
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
ДИНАМИКА ПОЛЕТА
ДЛИТЕЛЬНОЕ ПРЕБЫВАНИЕ В
УСЛОВИЯХ ЗАМКНУТОГО
ПРОСТРАНСТВА КОРАБЛЯ
БАРОМЕТРИЧЕСКОЕ
ДАВЛЕНИЕ
ВИБРАЦИЯ
МИКРОКЛИМАТ
КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ШУМ
ДЛИТЕЛЬНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
МЕТЕОРНЫЕ ТЕЛА
УСКОРЕНИЕ
ИЗМЕНЕНИЕ СУТОЧНОЙ
ПЕРИОДИКИ
ТЕМПЕРАТУРА
НЕВЕСОМОСТЬ
СОВМЕСТИМОСТЬ ЧЛЕНОВ
ЭКИПАЖА

12.

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА
ДВИГАТЕЛИ
С точки зрения перспектив космического двигателестроения основные направления развития космической техники условно
можно разбить на четыре группы:
1. Организация больших грузопотоков.
Значительное увеличение грузопотоков необходимо как для решения принципиально новых задач (в частности, для создания
космических технологических производств и энергетических систем), так и для обеспечения продолжения исследований в
дальнем космосе.
2. Транспортировка крупногабаритных грузов с низких орбит на высокие и обратно. Спутники связи, энергетические системы и
многие другие космические средства должны располагаться на высоких орбитах. Поэтому растет потребность в экономичных
средствах для межорбитальных перелетов.
3. Быстрые межпланетные перелеты.
4. Создание космических аппаратов для полетов вне Солнечной системы, запуск космических аппаратов к ближайшим звездам.
Для полетов к Луне или, например, к Марсу достаточно
существующих химических ракетных двигателей. Но для того
чтобы летать дальше, к внешним планетам Солнечной системы
(или даже ближайшим звездам), и не тратить на это многие годы
и десятилетия, нужны двигатели принципиально нового типа
12

13.

ДВИГАТЕЛИ
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Ионный двигатель — тип электрического ракетного
двигателя, принцип работы которого основан на
создании реактивной тяги на базе ионизированного
газа, разогнанного до высоких скоростей в
электрическом поле.
Недостатки: современные ионные двигатели
обладают очень маленькой тягой – около 50–
100 миллиньютонов.
Достоинства: малый расход топлива и
продолжительное время функционирования
(максимальный срок непрерывной работы самых
современных образцов ионных двигателей составляет
более трёх лет)
Для ионизации газа используется энергия,
полученная от солнечных батарей.
Из-за малой тяги, нет возможности
использовать ионный двигатель для старта с
планеты, но, с другой стороны, в условиях
невесомости, при достаточно долгой работе
двигателя, есть возможность разогнать
космический
аппарат
до
скоростей,
недоступных сейчас никаким другим из
существующих видов двигателей.
Ионному двигателю в настоящее время
принадлежит рекорд негравитационного
ускорения космического аппарата в космосе:
космический аппарат Dawn - к сентябрю 2016
года набрана скорость уже в 39 900 км/ч
(11,1 км/с).
13

14.

ДВИГАТЕЛИ
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
СХЕМА РАБОТЫ ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Принцип работы двигателя заключается в ионизации
газа и его разгоне электростатическим полем. При
этом, благодаря высокому отношению заряда к массе,
становится возможным разогнать ионы до очень
высоких скоростей (вплоть до 210 км/с, по сравнению
с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей).
Вместо горячих газов ионные ускорители выбрасывают
ионы — заряженные частицы вещества, образованные
из атомов или молекул, когда те приобретают или
теряют один, или несколько электронов.
С помощью магнитного поля, двигатель ускоряет их до
невероятных скоростей и выбрасывает из сопла,
передавая ускорение космическому аппарату.
Так как электроны являются побочным продуктом, их
надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится
трубка с катодными сетками для того, чтобы она
притягивала к себе электроны.
Положительные ионы, наоборот, притягиваются к
системе извлечения. После чего разгоняются между
решетками, разница электростатических потенциалов
которых составляет примерно 1 200 Вольт, и
выбрасываются в качестве реактивной струи в
14
пространство.

15.

ДВИГАТЕЛИ
ЯДЕРНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Ядерный ракетный двигатель — разновидность
ракетного двигателя, которая использует энергию
деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.
В ядерных ракетных двигателях представляется возможным использовать колоссальную энергию,
выводящуюся при разложении ядерного «горючего», для нагревания рабочего вещества. Принцип
действия ядерных ракетных двигателей почти не отличается от принципа действия термохимических
двигателей. Разница заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет своей собственной
химической энергии, а за счет «посторонней» энергии, выделяющейся при внутриядерной реакции.
У ядерных ракетных двигателей отпадает необходимость в окислителе и поэтому может быть
использована только одна жидкость. В качестве рабочего тела целесообразно применять вещества,
позволяющие двигателю развивать большую силу тяги. Этому условию наиболее полно удовлетворяет
водород, затем следует аммиак, гидразин и вода
Удельная массовая энергия радиоактивных изотопов значительно выше, чем химических топлив.
Так, удельная массовая энергия 235U (делящегося изотопа урана) равна 6,75*109 КДж/кг.
В то время как для наиболее энергопроизводительного химического топлива (бериллий с кислородом)
это значение не превышает 3*104 КДж/кг.
15

16.

ДВИГАТЕЛИ
ЯДЕРНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Традиционный ЯРД в целом представляет собой
конструкцию из ядерного реактора, системы подачи
рабочего тела , и сопла. Рабочее тело (как правиловодород) - подаётся из бака в активную зону реактора,
где, проходя через нагретые реакцией ядерного
распада каналы, разогревается до высоких температур
и затем выбрасывается через сопло, создавая
реактивную тягу.
СХЕМА РАБОТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
НАСОС-ТУРБИНА
«Камерой сгорания» ядерного двигателя служит
активная зона реактора, в которой подаваемый под
большим давлением водород нагревается до 3000 и
более градусов. Этот предел определяется только
жаропрочностью материалов реактора и свойствами
топлива, хотя повышение.
Однако
такие
реакторы
испускают
вредные
радиационные излучения. Для защиты экипажа и
многочисленного электронного оборудования от
радиации нужны основательные меры. Поэтому
проекты межпланетных кораблей с атомным движком
часто напоминают зонтик: двигатель располагается в
экранированном отдельном блоке, соединённом с
основным модулем длинной фермой или трубой.
ЖИДКИЙ
ВОДОРОД
СОПЛО
ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
16

17.

ДВИГАТЕЛИ
ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Двигатель на эффекте Холла — разновидность электростатического ракетного двигателя, в котором
используется эффект Холла (обеспечивает замкнутый дрейф электронов). При равных размерах с
другим типом электростатического ракетного двигателя — ионным, холловский двигатель обладает
большей тягой. Двигатели используются на космических аппаратах с 1972 года. Второе название
данного двигателя — плазменный ракетный двигатель.
Более эффективен по сравнению с исторически первым ионным двигателем
Если в ионном двигателе ускоряются только положительные ионы, то в холловском двигателе
задействовано всё рабочее тело (как положительные ионы, так и отрицательные электроны).
Поэтому у холловского двигателя в отличие от ионного нет ограничений по объемному заряду, и он
дает более высокую плотность тяги и — соответственно — большее ускорение.
Наиболее современным из этих двигателей является SPT-140, в 2017 году выведший на
целевую орбиту спутник Eutelsat 172B;
В 2017 году на орбиту запущен спутник «VENµS» с установленным холловским
двигателем нового поколения производства израильской компании «Рафаэль»;
Спутники Starlink оснащены двигателями, работающими на эффекте Холла, с
использованием криптона в качестве рабочего тела;
17

18.

СХЕМА ХОЛЛОВСКОГО ДВИГАТЕЛЯ
ПЛАЗМЕННЫЙ
РАКЕТНЫЙ
ДВИГАТЕЛЬ
ДВИГАТЕЛИ
В холловском двигателе есть внутренний положительный анод и
внешний отрицательный катод. Между ними образуется
электрическое поле, в которое поступает газ ксенон.
Электрическое поле выбивает из нейтральных атомов газа
отрицательные частицы (электроны), превращая тем самым их в
положительные ионы. Эти частицы (отрицательные электроны и
положительные ионы в виде плазмы) подхватывает холловский
ток и направляет его в перпендикулярное магнитное поле,
которое расположено по оси двигателя. Здесь холловский ток
разгоняет частицы по оси магнитного поля и выбрасывает их из
сопла.
Движение
электронов
обеспечивает
дополнительную
ионизацию рабочего тела, а также снимает ограничение по
плотности ионного тока, характерное для обычного ионного
двигателя, и позволяет достичь относительно высоких массовых
расходов рабочего тела, и, как следствие, тяги двигателя
18

19.

Даже зная, куда и на чем мы можем полететь, нам все равно нужно найти ответ на финальный вопрос:
зачем? Что может дать человечеству освоение дальнего космоса?
Исследование дальнего космоса – это важнейшее направление фундаментальных наук в области
изучения небесных тел, процессов их формирования и эволюции в Солнечной системе и вселенной в
целом. Эти исследования позволяют делать важные выводы о прошлом, настоящем и будущем Земли.
В космическую отрасль приходят государственные и частные компании, и все они смотрят в одном
направлении развития. На ближайшие 60 лет участники космических исследований ставят себе шесть
основных целей:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Автоматизация и роботизация исследований космоса в пределах и за пределами Солнечной системы;
Развитие мощных телескопов для изучения глубинного космоса;
Открытие новых планет, в том числе пригодных для жизни;
Разработка и создание инновационных космических аппаратов;
Космический туризм;
Полеты на соседние и дальние планеты и их последующая колонизация.
И, наконец, не стоит забывать про еще одну извечную мечту человечества — найти ответ на вопрос,
одни ли мы во Вселенной. Он волновал, волнует и будет волновать еще множество поколений. Так что
поиски внеземной жизни, безусловно, станут еще одним важным фактором, который подстегнет
изучение дальнего космоса.
19