Електрическите ракети могат да променят ракетостроенето

Електрическите ракетни системи са определени като една от най-перспективните технологии, които биха могли да доведат до радикална промяна в ракетостроенето. Това мнение сподели д-р Стоил Иванов от Физическия факултет на Софийския университет „Св. Климент Охридски“, който е съосновател на Bulgarian Space Cluster, в предаването „Футуризъм“ по Bloomberg TV Bulgaria с водещ Антон Груев.

Главното предизвикателство: енергийният източник

Основният проблем пред електрическите ракети е намирането на достатъчно мощен източник на енергия за продължителен полет. Алтернативни концепции предлагат безжично пренасяне на енергия от Земята към ракетата — например чрез антени на борда, които улавят микровълни и ги преобразуват в електричество. Подобни разработки се обсъждат като възможен начин за зареждане на двигателите в полет.

Електрическите двигатели постигат много високи скорости на изхвърляне на пропелант — посочената стойност е 120 хил. мсек. В същото време обаче дебитът на пропеланта е изключително малък: грамове, микрограмове или отделни частици в секунда. Тази ниска масова струя е основното ограничение и увеличаването ѝ изисква огромни количества енергия.

Ядрените и химическите алтернативи

Ядрените ракетни двигатели се основават не на енергията, съдържаща се в горивото, а на топлината от поставен изотоп, който нагрява пропеланта. Тези системи имат по-висока ефективност в сравнение с химическите — в материала се посочва стойност около 9000 мсек. изхвърляне на пропелант. Обаче наличието на радиоактивен материал на борда представлява значим риск: голяма част от ракетите падат в океаните или в близост до населени райони, а боравенето с радиоизотопи е сложно и опасно. Поради тези причини ядрените двигатели не се използват широко.

За химическите двигатели теоретичният предел е почти достигнат — около 4500 мсек. изхвърляне на пропелант. Най-разпространените горива в момента са керосин, хидразин и комбинация от водород и кислород; именно с водород и кислород са изстрелвани ракетите Saturn V. За намаляване на разходите при извеждане в орбита Китайската космическа агенция и SpaceX прибягват до преизползване на степените.

Горивото на бъдещето и инженерните предизвикателства

Според д-р Иванов горивото на бъдещето ще бъде това с по-голямо енергийно съдържание. За момента водородът остава един от най-добрите варианти, но има съществени технически особености — съхранението и интеграцията му в системите са предизвикателни. В текста се подчертава, че съхранението на водород и кислород изисква работа под голямо налягане, което води до множество инженерни усложнения. Освен това дебитът на горивото трябва да се поддържа сравнително постоянен през целия полет, защото промени в подаването водят до промяна в параметрите на двигателя.

Позицията на Европа и българските инициативи

От европейска гледна точка ракетата Ariane е посочена като една от най-надеждните конструкции по отношение на съотношението между успешни и неуспешни полети. Като пример за частно финансирана европейска компания, която действа подобно на SpaceX, е посочена германската Isar Aerospace със скорошен успешен полет.

В България има нарастващи инициативи в областта. Преди три години във Физическия факултет беше създаден студентски ракетен клуб, чиито членове са основно студенти. Неотдавна клубът реализира успешен полет с първата си ракета с твърдо гориво. Горивната смес е разработена от студентка като дипломна работа и се базира на сорбитол и калиев нитрат; ракетата използва химически двигател.

При първия опит ракетата достигна височина от 1 км. Следващата цел на клуба е разработването на двустепенна ракета, като за следващия полет, планиран за догодина, целта е достигане на 5 км.

Заключение

Електрическите ракети предлагат висока ефективност по отношение на скоростта на изхвърляне на пропеланта, но ограничението в масовия дебит и необходимостта от мощни енергийни източници остават пречка. Ядрените системи дават предимства по ефективност, но рисковете от радиоактивни материали на борда ги правят спорен избор. Химическите двигатели се доближават до теоретичните си граници, което насочва вниманието към нови решения за гориво и иновации в стартовите и възстановителните технологии. В същото време малки национални инициативи и студентски проекти демонстрират активност и развитие на местно ниво.