Современной ракетной технике исполняется 100 лет, и НАСА говорит, что лучшее еще впереди

Мы живем в космическую эпоху. Ракеты запускаются в космос почти каждый день. На орбитальных космических станциях теперь обитают люди непрерывно в течение десятилетий. Небо кишащий спутниками и космические телескопы. Люди были на луну—и возвращаемся. И роботы разбросаны по Солнечной системе и возиться на поверхности Марса.

Всем этим невероятным нововведением обязан скромный эксперимент, проведенный 100 лет назад: 16 марта 1926 года американский физик и инженер (и случайный Научный американец участник) Роберт Х. Годдард запустил прототип ракеты высотой 11 футов и весом 10 фунтов по прозвищу «Нелл» с грядки капусты в Оберне, штат Массачусетс. Нелл пробыла в воздухе всего несколько секунд, но ее полет стал важной вехой — это первый в истории старт ракеты на жидком топливе.

До этого момента во всех предыдущих ракетах среди капусты использовалось твердое топливо, начиная с начинённых порохом «огненных стрел», которые использовались для борьбы с вторгшимися монголами в Китай в 13 веке. Жидкое топливо придавало ракетам более мощную тягу, а благодаря переменному потоку обеспечивало больший контроль — именно то, что необходимо для любой серьезной попытки космического полета. Другие ранние провидцы — Константин Циолковский из России и Герман Оберт из Германии — также осознали преобразующий потенциал ракет на жидком топливе, но Годдард был первым, кто это доказал.

---

О поддержке научной журналистики

Если вам понравилась эта статья, рассмотрите возможность поддержать нашу отмеченную наградами журналистику, подписка. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее влиятельных историй об открытиях и идеях, формирующих наш мир сегодня.

---

Остальное, как говорится, уже история. В память столетие полета Годдарда и понять, какое будущее ждет ракетную технику, Научный американец поговорил с двумя экспертами НАСА — Куртом Ползиным, главным инженером проекта космического ядерного движения в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА, и Дэвидом Манзеллой, старшим технологом по космическим двигателям в Исследовательском центре Гленна НАСА.

[An edited transcript of the interview follows.]

Учитывая, насколько скромным был прототип Годдарда «Нелл» по сравнению с сегодняшними ракетами, думаете ли вы, что будет действительно правильно сказать, что полет Нелл сто лет назад ознаменовал начало «современной ракетной техники»?

КУРТ ПОЛЗИН: Роберт Годдард был новатором, который вывел ракетную технику за пределы ее ранних корней в твердотопливных системах, таких как канистры с порохом. Его научно-аналитический подход заложил основу для систематического проектирования и совершенствования компонентов ракет, и эта методология используется до сих пор.

Знаменитый полет Годдарда заложил основу для разработки различных космических двигательных систем, включая химические ракеты, ядерно-тепловые ракеты, а также солнечные и ядерно-электрические двигатели. Несмотря на различия, эти системы имеют общий принцип: преобразование источника энергии — будь то химические связи, ядерные реакции или солнечная энергия — в высокоскоростной поток газа или частиц, создающий тягу.

Примечательно, что идеи Годдарда распространились и на электрическую тягу. В своих заметках он признал потенциал ускорения заряженных частиц, таких как электроны, для приведения в движение — концепция, предшествовавшая ионным двигателям, которые сейчас используются в современных космических кораблях.

Космические запуски сейчас стали настолько обычным явлением, что вряд ли они заслуживают освещения в печати. Может сложиться впечатление, что мы достигли предела возможностей химических ракет, вдохновленных Годдардом. Что вы видите в качестве оставшихся границ?

ПОЛЗИН: Химические ракеты, которые часто ассоциируются с новаторской работой Годдарда, но теперь охватывают столетие коллективных инноваций, были основой освоения космоса. Традиционные комбинации топлива, такие как жидкий кислород-жидкий водород, жидкий кислород-керосин и различные твердотопливные ракетные двигатели, были тщательно усовершенствованы. Недавние разработки компаний «нового космоса» представили альтернативы, такие как метан и гибридное топливо, которые могут предложить дополнительные преимущества в надежности, стоимости и эксплуатационной гибкости.

Инновационные подходы, такие как посадка на двигательной ступени (используется, например, в ракетах Falcon 9 компании SpaceX и New Glenn компании Blue Origin), позволили снизить затраты на запуски и увеличить частоту запусков, сделав космос более доступным, чем когда-либо прежде. Химические ракеты, вероятно, останутся основным средством достижения орбиты в обозримом будущем, но важно помнить, что ни одна «совершенная» ракета на самом деле не может существовать — разные миссии требуют разных решений, и ни одна конструкция ракеты не может служить всем целям.

Заглядывая в будущее, можно сказать, что для химической ракетной техники остается несколько границ. Достижения в области управления криогенными жидкостями могут обеспечить возможность длительных миссий с использованием химического топлива за счет предотвращения выкипания, в то же время продолжая работу над ядерными двигательными установками и распространением миниатюрных двигательных систем для «КубСаты» и «СмолСаты» обещают дальнейшее расширение ландшафта. И мы даже не начали прикасаться к таким вариантам использования, как полет ракет на других планетах, ни для изменения местоположения, ни для вывода полезной нагрузки или астронавтов с поверхности.

Дэвид, этот вопрос для тебя. Космические двигательные установки сильно отличаются от ракет, используемых для запуска полезных грузов с планет. Что вас волнует в том, куда движется ракетная промышленность?

ДЭВИД МАНЗЕЛЛА: Верно, поэтому я лично работаю над космическими двигательными установками, которые представляют собой технологии, используемые для приведения в движение космических кораблей, когда они достигают орбиты. Для этих систем основная проблема заключается в том, чтобы отношение тяги к массе не превышало 1; то есть они обычно производят меньшую тягу, чем потребуется для вывода полезной нагрузки на орбиту. Но вам нужны космические двигатели, потому что вещи, размещенные на орбите, ценны, и вы обычно хотите эксплуатировать их в течение многих лет.

В настоящее время это означает, что когда вы что-то запускаете, с самого начала вам нужно взять все топливо, которое вам понадобится, и израсходовать его в течение всего срока службы этого космического корабля. Технологии, над которыми мы работаем, пытаются решить эту проблему, создавая чрезвычайно экономичные ракетные двигатели — то, что мы обычно называем двигателями, — и один из лучших способов сделать это — увеличить ваше топливо, добавив к нему электрическую энергию. И эта энергия генерируется в космосе.

Сегодня это делается с помощью фотоэлектрических солнечных батарей. Однако имейте в виду, что чем мощнее эти электрические системы, тем большую мощность могут обеспечить эти электрические двигатели и тем большие объекты мы можем отправить в космос.

Моим любимым примером этого является находящийся в разработке силовой и двигательный элемент НАСА, который имеет энергетическую систему мощностью 60 киловатт, которую его бортовая двигательная система может использовать для того, чтобы доставить 18 000-килограммовый космический корабль на Луну, используя менее 3 000 кг топлива. Полный контраст с ракетами-носителями, где 90 процентов массы составляет топливо, не так ли?

Это впечатляет. И я знаю, что Силовой и Двигательный Элемент еще не летал в космос — вы и ваши коллеги. включил его впервыефактически, в тесте в прошлом году. Что вас радует в будущем?

МАНЦЕЛЛА: Самое захватывающее будущее заключается в том, что могут быть разработаны даже более мощные системы, и фотоэлектрические солнечные батареи однажды могут быть заменены ядерными системами, генерирующими на порядки больше электроэнергии. НАСА разрабатывает технологию, которая позволит использовать это для таких задач, как сегодняшнее исследование Марса человеком. Вот что меня волнует!

ПОЛЗИН: Позвольте мне тоже вмешаться. Что меня больше всего волнует в будущем ракетной техники, так это расширяющиеся горизонты как производительности, так и применения. Ракеты, по своей сути, являются инструментами, незаменимыми для исследования и использования космоса, но не самими инструментами открытий. Их истинная ценность заключается в их способности предоставлять технологии и полезную нагрузку, которые стимулируют научные исследования, исследования и, во все большей степени, установление прочного человеческого присутствия за пределами Земли.

Что касается производительности, инновации продолжают расширять границы. Достижения в области двигательных систем обещают большую эффективность, надежность и дальность действия. Это реализуется посредством постепенного совершенствования химических ракет, экспериментов с новыми комбинациями топлива, таких как метан или гибриды, или разработки таких систем, как солнечные электрические и ядерные двигатели. Эти разработки имеют решающее значение для решения амбициозных миссий, таких как полеты экипажа на Марс или миссии по возврату образцов из дальнего космоса. Разнообразие двигательных систем необходимо для достижения широкого спектра научных, коммерческих и исследовательских целей.

С точки зрения применения наиболее интересные разработки связаны с переходом от разведки к расширению и использованию. Мы начинаем смело задумываться над такими вопросами, как: как безопасно доставить и вернуть людей с Марса? Как мы можем собирать и возвращать образцы с далеких тел Солнечной системы? Какая инфраструктура необходима для перехода от первоначальных исследований к установлению постоянного присутствия в космосе? Это видение простирается дальше и включает в себя использование ресурсов и возможностей, полученных в результате выхода в космос в рамках программы НАСА «Артемида», обеспечивая устойчивые операции и новые возможности для науки, промышленности и даже повседневной жизни за пределами нашей планеты.

В конечном счете, будущее ракетной техники связано с появлением новых возможностей. По мере того, как конечные пользователи получают доступ к растущему спектру вариантов запуска, они становятся лучше подготовлены к выполнению разнообразных задач: развитию научных знаний, развитию коммерческих предприятий или созданию основ постоянной космической цивилизации. Эта область процветает благодаря смелому мышлению и изобретательным решениям, и я очень рад видеть, как они повлияют на следующую эру исследования и развития космоса.

МАНЦЕЛЛА: Мы действительно вступаем в новую эпоху в истории человечества, когда каждый из нас может ежедневно подвергаться воздействию космических систем. Я думаю, что в будущем эта тенденция будет только ускоряться. Очевидно, что космос становится все более важной частью нашего образа жизни, поскольку технологии продолжают развиваться. И да, большая часть этого прогресса восходит к первому полету Роберта Годдарда сто лет назад.