Будущее освоения космоса включает в себя довольно амбициозные планы по отправке миссий дальше от Земли, чем когда-либо прежде. Помимо текущих предложений по созданию инфраструктуры в окололунном пространстве и отправке регулярных миссий с экипажем на Луну и Марс, существуют также планы по отправке роботизированных миссий во внешнюю часть Солнечной системы, в фокусное расстояние гравитационной линзы нашего Солнца и даже в ближайшие звезды для исследования экзопланет. Достижение этих целей требует силовой установки нового поколения, которая сможет обеспечить высокую тягу и стабильное ускорение.
Сфокусированные массивы лазеров – или направленная энергия (DE) – и световые паруса — это средства, которые тщательно исследуются, такие как Breakthrough Starshot и Swarming Proxima Centauri. Помимо этих предложений, команда из Университета Макгилла в Монреале предложила новый тип двигательной установки с направленной энергией для исследования Солнечной системы. В недавней статье команда поделилась ранними результатами работы своего двигателя с лазерно-тепловым двигателем (LTP), которые позволяют предположить, что эта технология потенциально может обеспечить как высокую тягу, так и удельный импульс для межзвездных миссий.
Исследовательскую группу возглавляли Габриэль Р. Дьюб, стажер-исследователь Межзвездной летной экспериментальной исследовательской группы Макгилла (IFERG), и доцент Эндрю Хиггинс, главный исследователь IFERG. К ним присоединились Эммануэль Дюпле, аспирант-исследователь Делфтского технического университета (TU Delft); Сиера Риэль, летний научный сотрудник IFERG; и Джейсон Луазо, доцент Королевского военного колледжа Канады. Команда представила свои результаты на научно-технологическом форуме и выставке AIAA 2024 года, а также в статье, опубликованной в журнале AIAA. Центр аэрокосмических исследований (АРК).
Хиггинс и его коллеги первоначально предложили эту концепцию в статье 2022 года, опубликованной в Акта Астронавтика – под названием «Проектирование миссии быстрого транзита на Марс с использованием лазерно-теплового двигателя». Как тогда сообщала Universe Today, LTP был вдохновлен такими межзвездными концепциями, как Старшот и Проект Стрекоза. Однако Хиггинс и его коллеги из Макгилла были заинтересованы в том, как та же технология может обеспечить быстрые транзитные миссии на Марс всего за 45 дней и по всей Солнечной системе. Они утверждали, что этот метод также может подтвердить используемые технологии и послужить трамплином на пути к межзвездным миссиям.
Как рассказал Хиггинс Universe Today по электронной почте, эта концепция пришла к ним во время пандемии, когда они не смогли попасть в свою лабораторию:
«[M]Ваши студенты провели детальное концептуальное исследование того, как мы могли бы использовать большие лазерные установки, предусмотренные для Breakthrough Starshot, для более краткосрочной миссии в Солнечной системе. Вместо лазера диаметром 10 км и мощностью 100 ГВт, предусмотренного для Breakthrough Starshot, мы ограничились лазером диаметром 10 м и мощностью 100 МВт и показали, что он способен подавать энергию на космический корабль, находящийся практически на расстоянии. Луны. Нагревая водородное топливо до температуры 10 000 К, лазер обеспечивает «Святой Грааль» высокой тяги и высокого удельного импульса.
Эта концепция аналогична ядерно-тепловому двигателю (NTP), который НАСА и DARPA в настоящее время разрабатывают для миссий быстрого транзита на Марс. В системе NTP ядерный реактор генерирует тепло, которое вызывает расширение топлива из водорода или дейтерия, которое затем фокусируется через сопла для создания тяги. В этом случае лазеры с фазированной решеткой фокусируются в камере нагрева водорода, который затем выпускается через сопло для реализации удельных импульсов длительностью 3000 секунд. По его словам, с тех пор, как Хиггинс и его студенты вернулись в лабораторию, они пытались экспериментально проверить свою идею:
«Очевидно, что у нас в Макгилле нет лазера мощностью 100 МВт, но теперь у нас в лаборатории есть лазерная установка мощностью 3 киловатт (что достаточно страшно) и мы изучаем, как лазер будет связывать свою энергию с топливом ( со временем водород, но пока аргон просто потому, что его легче ионизировать). В документе AIAA сообщается о проектировании, строительстве и проверке нашей лазерной установки мощностью 3 кВт».
В результате своих испытаний Хиггинс и его команда сконструировали аппарат, содержащий от 5 до 20 бар статического аргона. Хотя в окончательной концепции в качестве топлива будет использоваться газообразный водород, для испытаний они использовали аргон, поскольку его легче ионизировать. Затем они запустили лазер мощностью 3 кВт импульсами на частоте 1070 нанометров (что соответствует длине волны ближнего инфракрасного диапазона), чтобы определить пороговую мощность, необходимую для лазерно-поддерживаемой плазмы (LSP). Их результаты показали, что около 80% лазерной энергии было передано в плазму, что согласуется с предыдущими исследованиями.
Полученные ими данные о давлении и спектре также выявили пиковую температуру LSP с рабочим газом, хотя они подчеркивают, что для окончательных результатов необходимы дальнейшие исследования. Они также подчеркнули, что для проведения принудительного потока и других испытаний LSP необходим специальный аппарат. Наконец, позже в этом году команда планирует провести измерения тяги, чтобы определить, какое ускорение (дельта-v) и удельный импульс (яsp) лазерно-тепловую двигательную установку можно будет доставить для будущих миссий на Марс и другие планеты Солнечной системы.
Если технология справится с поставленной задачей, мы могли бы рассмотреть систему, способную доставлять астронавтов на Марс за недели, а не за месяцы! Другие концепции, выбранные для NIAC в этом году, включают испытания по оценке систем гибернации для длительных миссий в условиях микрогравитации. По отдельности или в сочетании эти технологии могут обеспечить возможность выполнения миссий по быстрому транзиту, требующих меньше груза и расходных материалов, а также минимизировать воздействие на астронавтов микрогравитации и радиации.
Дополнительная литература: AIAA, Акта Астронавтика
