Про бороздение просторов вселенной⁠⁠

В том числе часть ответа на вопрос @Littlesmileman зачем нам ядерный буксир.
Часть 1.
Всего будет 2.

Сразу оговорюсь - речь пойдет про беспилотные аппараты для исследований космоса. Отправка человека с высадкой в ближайшее будущее возможна только на Марс (дальше слишком долго лететь) на Луну уже летали, можем (от лица человечества) повторить при необходимости.

Сначала разберём типы двигателей (в принципе по этой теме постов много, постараюсь просто и о главном).

Первый тип - химический. Принцип действия прост, смешиваем горючее и окислитель, поджигаем, получаем нагретые продукты сгорания, скорость которых тем больше, чем меньше молярная масса продуктов сгорания и больше их температура. Самые мощные получаются при использовании пары водород - кислород.
Основные характерные параметры:
- скорость реактивной струи (или удельный импульс) до 4.2км/с (как пример J-2, на 2 и 3 ступенях ракеты Сатурн-5)
- Расход топлива сотни кг в секунду, соотвественно можно получить большую тягу.

Для понимания: тяга реактивного двигателя равна удельный импульс (скорость струи) на секундный расход топлива (рабочего тела), например, если сжигать 100 кг в секунду жидкого водорода и кислорода, то получим тягу 420000 Н, делим на 10 получаем 42 тонны тяги.


Следующий тип реально существующих двигателей - ионные (электростатические, к ним же, для простоты отнесём плазменные).
Принцип работы из довольно прост: газ ионизируется, потом с помощью электромагнитного поля отдельные частицы ускоряются до очень больших скоростей и выбрасываются в космос, создавая реактивную тягу. Для работы нужно много электричества и газ (обычно ксенон).
Основные характерные параметры:
- удельный импульс в ближайшее лет 5-10 доведут до 100 км/с (реально достигается при приемлемом времени работы до 50 км/с, например отечественный ИД-200 вроде как даёт 45 км/с);
- величина тяги составляет 0.035 Н (3.5 грамма) на 1 кВт подводимого электричества (это потом будет важно);
- расход рабочего тела, например, для двигателя NEXT при удельном импульсе около 41 км/с, составляет около 20 ГРАММ в ЧАС.

К ядерным реактивным двигателем отношусь скептически.
Их принцип основан на то, что через активную зону ядерного реактора (это практически прямо между делящихся ядер урана и плутония) прогоняется газ (рабочее тело), который нагревается и соответсвенно ускоряется. В интернете пишут, что у них удельный импульс (скорость газа на выходе) получается 8 км/с. Я категорически не согласен.
Скорость газа на выходе из идеального сопла (сопло Лаваля) пропорционально корню из его температуры. Тут и кроется сложность: при горении водород - кислород температуры выше 3000 К, температура в реакторе выше 3100 К реализовать крайне сложно - уже плавится оксид урана. Соответсвенно выигрыш в скорость газа (удельный импульс) будет только за счёт использования в качестве рабочего тела легконого водорода, что позволит достичь импульса до 6 км/с. Выигрыш небольшой, а геморроя очень много.
Если я не прав - прошу опровергнуть.

Остальные типы можно вообще не рассматривать - они неперспективны.

Далее для расчета возможных космических путешествий идёт довольно простая формула Циолковского:
V = I x ln(M/m), где
V - скорость до которой разгонится аппарат;
I - удельный импульс (скорость реактивной струи);
М - начальная масса ракеты с топливом;
m - масс ракеты после расхода топлива.

Соответственно получаем, что при массе топлива в 10 раз больше массы пустого аппарата:
- на химическом двигателе можно достичь 4.2 х ln(11) = 10.1 км/с (округлено);
- на перспективным ионном двигателе можно достичь 100 х ln(11) = 240 км/с;
- на текущем ионном двигателе можно достичь 50 х ln(11) = 120 км/с.

Либо, для получения импульса 10.1 км/с на текущем ионном двигателе можно достичь при массе топлива уже не в 10 раз больше, а в 4 раз меньше (23% от массы пустого аппарата), т.е позволяет снизить массу топлива в 40! раз.

Это значит, что при запуске самой мощной действующей ракетой (а это Falcon Heavy) из 63,8 тонн на низкую орбиту можно вывести аппарат массой 5.8 тонн (случай с одной ступенью) с химическим двигателем или массой 52 тонны при ионном двигателе. Эти аппараты смогут одинаково разогнаться дополнительно на 10.1 км/с, но в 52 тонны можно запихнуть аппаратуры, спускаемых зондов намного больше чем в 5.8 тонн.

В следующем посте будет про то, до каких скоростей надо разгонятся, чтобы летать по солнечной системе.