Я имею в виду ракеты, способные доставлять припасы и людей на другие планеты.

Для межпланетной одноступенчатой ​​ракеты с грузоподъемностью от десятков до сотен тонн никакая существующая силовая установка не может выполнять эту работу на практике. Химическим ракетам не хватает топливной экономичности; электрические ракеты не имеют тяги, необходимой для отрыва от поверхности Земли. Даже существующие конструкции ядерно-тепловых двигателей (и США , и СССР разработали рабочие прототипы в 1960-е годы) не обладают ни КПД, ни тягой.

Для этого нам понадобится гораздо более мощный и эффективный ракетный двигатель. Двигатель «ядерная лампочка» — это следующий шаг в возможностях, но он имеет много нерешенных инженерных проблем и, вероятно, не будет иметь тяговооруженности, необходимой для того, чтобы выводить себя, свое топливо и полезную нагрузку. Земля. Вероятно, это могла бы сделать какая-нибудь термоядерная ракета , но мы пока даже не знаем, как построить работающий термоядерный реактор на земле.

Ракеты — это в основном устройства, которые используют третий закон Ньютона: для каждой силы существует равная и противоположная сила. Выбрасывая массу назад как можно быстрее, это придает равную силу, которая поднимает ракету, двигатели, полезную нагрузку и все ее собственное топливо .

Одноэтапный вывод на орбиту можно сделать, но он ужасно неэффективен. Это из-за уравнения тирании ракеты , которое в основном говорит, что для того, чтобы доставить больше массы в космос, вам нужно больше топлива, а значит больше массы, а значит больше топлива...

Вы можете рассчитать долю ракеты, которая будет топливом, с помощью упрощенного уравнения$\text{fuel fraction} = 1 - e^{-\delta v/v^e}$куда$\delta v$желаемое изменение скорости и$v^e$ваша скорость выхлопа. Чем быстрее вы выбрасываете массу (т. е. топливо) из задней части ракеты, тем большую силу она передает и тем более эффективна.

Мы можем отработать$\delta v$с поверхности Земли на низкую орбиту Марса, используя эту удивительную карту Delta-V . Это около 15 км/с.

Наиболее эффективные обычные химические двигатели, работающие на водородно-кислородном топливе, имеют скорость выхлопа около 4,5 км/с. Подключите это, и мы получим 96,4% массы должно быть топливом или примерно 28:1. Пустой Falcon 9 весит около 28 000 кг , а пустая капсула Dragon — около 4 200 кг. Чтобы просто доставить этот 32 000-килограммовый аппарат на Марс без людей и припасов, потребуется около 900 000 кг топлива, что примерно в 2-3 раза больше, чем может вместить Falcon 9. Falcon Heavy может вместить столько же топлива, но теперь у вас в три раза больше ракет или 88 000 кг. Больше масса - больше топлива. 2,4 миллиона кг топлива, примерно в два раза больше, чем может нести Falcon Heavy.

Есть три варианта.

Упакуйте больше топлива

SpaceX упаковывает больше топлива, сохраняя свои баки как можно более холодными и, следовательно, плотными вплоть до момента запуска. Это создало проблему безопасности: людей обычно загружают в ракеты после заправки на случай, если что-то пойдет не так в процессе заправки. SpaceX хочет «загрузить и отправиться», что означает, что они загружают людей и груз, затем заправляют и запускают как можно скорее, прежде чем их топливо нагреется, расширится и вытечет. SpaceX получила одобрение НАСА , но топливные баки настолько плотные и большие, насколько это вообще возможно. Это не доставит вас в космос за одну стадию.

Увеличьте скорость выхлопа (т.е. массовую эффективность)

Скажем, вместо химической ракеты вы использовали ядерно-тепловую ракету со скоростью истечения 9 км/с. Внезапно, чтобы разогнаться до 15 км/с, нам нужно всего 81% топлива или примерно 5:1. Теперь для доставки нашего пустого Falcon 9 + Dragon весом 32 000 кг на Марс требуется всего 160 000 кг топлива. Еще 100 000 кг топлива дают 20 000 кг полезной нагрузки.

Конечно, есть надоедливая проблема радиоактивного выхлопа (решаемая) и выброса радиоактивного материала в случае взрыва ракеты, что иногда случается.

Даже выше$\delta v$можно получить от ионных двигателей от 20 до 50 км/с. Доведите это до крайности, и вы получите фотонный двигатель , скорость истечения которого равна скорости света. Проблема в том, что они производят такую ​​анемическую тягу, что не могут поднять какой-либо заметный полезный груз против земного притяжения и протолкнуть ее атмосферу.

Итак, на данный момент мы застряли на скорости 4,5 км/с, чтобы выйти на орбиту. Оказавшись на орбите, мы сможем использовать более эффективные или более опасные двигатели. Но именно постановка подводит нас к тому, почему у нас есть многоступенчатые ракеты.

Пролитая масса

Уравнение ракеты говорит нам, что каждый килограмм, который мы сбрасываем, возвращает нам много килограммов полезной нагрузки. Если мы сбросим его в начале запуска, нам понадобится меньше массы, чтобы продолжать движение.

Постановка

Оказывается, пустые топливные баки много весят. Как и многие двигатели, необходимые для преодоления земной атмосферы. Как только вы окажетесь над атмосферой, над большей частью аэродинамического сопротивления, вам потребуется намного меньше тяги, чтобы достичь орбитальной скорости. Поэтому мы сбрасываем их как можно скорее. Это первый этап.

Возвращаясь к уравнению ракеты, скажем, первая ступень должна развивать скорость всего 5 км/с, а затем ее выбрасывают. При скорости 4,5 км/с это дает нам долю 67% или 3:1, очень хорошо! Затем сбрасывается пустая первая ступень, составляющая около 8% стартовой массы. Это оставляет нам 25% массы. Эта вторая ступень должна обеспечить оставшиеся 10 км/с. Это означает, что оставшиеся 25% исходной массы должны составлять 89% топлива или 22% исходной массы. 67% + 22% = 89% или примерно 10:1. Это значительное улучшение по сравнению с одноступенчатым, которое было 28:1!

На самом деле это, вероятно, будет трехступенчатая ракета для достижения еще большей эффективности. И именно поэтому мы ставим ракеты.

Не носите с собой топливо

Святой Грааль космического движения состоит в том, чтобы полностью избежать ракетного уравнения и вообще не носить с собой топливо. Зонды внутренней Солнечной системы могут использовать солнечные батареи для питания своих ионных двигателей. Им по-прежнему нужно нести реактивную массу, но им не нужно нести топливо для ее движения. Вместо этого они используют солнечный свет для выработки электричества, чтобы разогнать свое топливо до экстремальных скоростей и наиболее эффективно использовать свою реакционную массу.

Это используется в настоящее время. Например, Dawn имеет около 425 кг ксенона (выбранного потому, что он нереактивен и очень плотный) в качестве реактивной массы, но использует солнечные батареи для его движения. Эти солнечные панели обеспечивают около 1 кВт на Церере. Это придает невероятную$\delta v$около 10 км/с, но для разгона от 0 до 100 км/ч требуется около 4 дней. Нехорошо взлетать с Земли, но здорово в космическом вакууме.

Точно так же лазерная тепловая ракета использует катапульту, обычную ракету или самолет, чтобы поднять ее высоко в атмосферу. Затем наземные и космические лазеры нагревают ракету, заставляя ее топливо расходоваться на более высоких скоростях, чем это возможно для обычных ракет.

Это совершенно спекулятивно.

Я думаю, что здесь стоит упомянуть гибридный воздушно-реактивный двигатель/ракетный двигатель SABRE и космические самолеты .

Чтобы иметь аппарат, способный выйти на орбиту, должно быть очевидно, что вам нужен двигатель, способный работать в вакууме. Одна из проблем с вакуумными двигателями заключается в том, что их эффективность намного ниже в плотной атмосфере, и поэтому (как указывает Шверн в другом ответе) им приходится потреблять тонны и тонны топлива, чтобы доставить требуемый Delta-V (и это если они могут обеспечить необходимую тягу, чтобы противодействовать гравитационному сопротивлению при запуске).

Классический подход к проблеме — использовать разные ракетные двигатели на разных высотах (читай «разное атмосферное давление»). Возьмем программу космических челноков: нижняя ступень твердотопливных ускорителей обладает высокой тягой (12000 кН) и низкой эффективностью ($I_{SP}$около 250 лет); его главные двигатели обеспечивают малую тягу (1800 кН) и более высокий КПД ($I_{SP}$около 450 с в вакууме).

В космоплане используется совершенно другой подход: «нижняя ступень» — это самолет с воздушно-реактивными двигателями, очень похожий на современные авиалайнеры. Самолету не нужна большая тяга, чтобы преодолеть гравитационное сопротивление, потому что он может полагаться на аэродинамику для обеспечения подъемной силы. А топливная экономичность ТРДД (типа воздушно-реактивных двигателей, которые используют авиалайнеры) сумасшедшая по сравнению с ракетами :($I_{SP}$около 3000 лет). Они «обманывают» правило «вы должны носить свое топливо», используя кислород в атмосфере как часть реакционной массы ( редактируйте: и используя воздух в качестве топлива; см. комментарии ).

Общая идея состоит в том, чтобы использовать воздушно-реактивные двигатели, чтобы набрать некоторую высоту и скорость, а затем, когда атмосфера станет достаточно тонкой, чтобы турбовентиляторные двигатели были бесполезны, включить (вакуумные) ракетные двигатели для выхода на орбиту.

Возможно, вы помните SpaceShipTwo компании Virgin : самолетная часть летит на расстояние до 15 километров, затем ракетная часть отделяется, включает свои двигатели и улетает на расстояние до 110 км от атмосферы.

Но вам все равно нужны два разных двигателя. Именно тогда в игру вступает гибридный воздушно-реактивный двигатель/ракетный двигатель SABRE . Вместо ТРДД и ракетного двигателя у вас есть один двигатель, который может вести себя как . Вместо того, чтобы выключать турбовентиляторы и запускать ракетные двигатели, двигатель SABRE просто переключал режимы на нужной высоте/скорости.

К сожалению, такой гибридный двигатель — очень сложная инженерная задача. На сегодняшний день (2018) это всего лишь концепт без работающего прототипа. Цитата из википедии:

В 2012 году [производитель] ожидал испытательных полетов к 2020 году, а эксплуатационных полетов к 2030 году.

Поэтому я думаю, что космические самолеты SSTO с малой полезной нагрузкой или предназначенные только для пассажиров (но не ракеты SSTO) можно будет увидеть через два-четыре десятилетия.

Если вас интересует только безопасный многоразовый SSTO на низкой околоземной орбите с небольшой полезной нагрузкой, вам повезло (вроде). Топливная смесь ацеталин-озон дала бы как ISP, так и тягу, позволяющую осуществить это с помощью обычной технологии. Вам нужно решить две проблемы:

1) Выясните, как стабилизировать 100% жидкий озон.

2) Придумать, как построить двигатель, способный выдерживать теплоту сгорания. Исторически это делалось с охлаждением жидким кислородом. Вы не можете использовать охлаждение жидким озоном.