Предложен новый двигатель для сверхбыстрого полета на Марс

Ученые Университета Макгилла в Канаде предложили проект нового лазерно-теплового двигателя, который сократит время путешествия космического корабля на Марс до 45 дней по сравнению с шестью месяцами полета для кораблей с химическими двигателями. Концепция, описанная в журнале Acta Astronautica, предполагает, что массив лазеров, установленный на Земле, будет нагревать водородную плазму в камере в задней части межпланетного корабля и создавать тягу из выбросов газообразного водорода. Кратко о проекте рассказывается в пресс-релизе на Phys.org.

Согласно задумке инженеров, фазированная решетка инфракрасных лазеров с общим диаметром десять метров и мощностью 100 мегаватт может подавать направленный луч на космический корабль, находящийся в окололунном пространстве. Луч будет фокусироваться в камере нагрева c помощью надувного отражателя, который находится на эллиптической околоземной орбите. Нагретое до 10 тысяч кельвинов водородное топливо выбрасывается через сопло, что позволит кораблю достичь удельного импульса в 3000 секунд (столько времени проработает двигатель на одном килограмме топлива, создавая тягу в один ньютон). Для сравнения удельный импульс жидкостных ракетных двигателей достигает всего около 470 секунд.

Ожидается, что разогнанная лазером полезная нагрузка массой в одну тонну будет лететь сверхбыстро, со скоростью 17 километров в секунду относительно Земли. Естественно, эта скорость сохранится при достижении Марса, поэтому торможение и выход на орбиту вокруг Красной планеты будет представлять сложную инженерную задачу. Если для торможения ракеты использовать химическое топливо на ее борту, то это уменьшит массу полезной нагрузки до менее чем шести процентов от первоначальной тонны. Поэтому динамическое торможение в атмосфере Марса будет единственным способом замедлить полет полезной нагрузки, пока на планете не будет построена вторая лазерная решетка.

Такое торможение будет рискованным маневром, в результате которого полезная нагрузка может быть потеряна из-за предельных нагрузок и трения об атмосферу. Однако авторы проекта отмечают, что сейчас разрабатываются новые теплозащитные материалы, которые могут выдержать экстремальный нагрев.

Одним из преимуществ лазерно-тепловой установки является не только высокий удельный импульс, но и низкое отношение массы к мощности (0,001-0,010 килограмма на киловатт), что намного ниже, чем у ядерных двигателей, благодаря тому, что источник энергии остается на Земле. Большое фокусное расстояние для передачи энергии в 50 тысяч километров обеспечивается волоконно-оптическими лазерами микронного размера с усилителями мощностью 100 ватт каждый. Усилители представляют собой петлю из оптоволокна и светодиода и могут производится в массовом порядке, а для марсианской миссии их потребуется порядка одного миллиона.