Двигатель является основополагающим элементом любой космической миссии. Существует два основных типа двигателей: один предназначен для вывода аппарата на орбиту, а другой – для работы в условиях вакуума. Основная разница между ними заключается в необходимости преодолевать гравитацию небесных тел, таких как Земля или Луна, что делает первый этап миссий наиболее сложным. На орбите двигатели сталкиваются с другой проблемой – топливо, находясь в условиях невесомости, становится труднодоступным, что усложняет его использование.
В последние десятилетия развитие ракетных двигателей знаменуется значительными достижениями в области электронных систем управления. Новые технологии позволяют автоматически и быстро контролировать зажигание, что позволяет запускать только определённое количество двигателей из общего числа. Это стало решающим фактором для создания возвращаемых ракет, таких как «Falcon 9» от SpaceX.
Недавние разработки, в частности китайская компания Galactic Energy, представили концепцию электромагнитной катапульты. Эта система использует сверхпроводники для создания магнитного поля, разгоняющего ракету до сверхзвуковой скорости перед включением двигателей. Это может значительно снизить расход топлива и повысить общую эффективность систем запуска. Первый запуск с использованием этой катапульты запланирован на 2028 год. Кроме того, разрабатываются технологии, направленные на возвращение не только ракеты, но и космического корабля.
История космических проектов, таких как челноки «Буран» и Space Shuttle, давно известна, но новые разработки продолжают удивлять.
В первую очередь стоит упомянуть проект SpaceX – Starship, который объединяет в себе носитель и космический корабль. В отличие от традиционных капсул, таких как «Союз» или Crew Dragon, Starship требует более сложной системы управления при возвращении в атмосферу.
Ключевым вызовом остаётся защита от высоких температур, возникающих при входе: в то время как компактные корабли имеют простую защиту, Starship должен управлять процессом, включая активацию двигателей и маневрирование.
SpaceX активно работает над улучшением материалов для термозащиты, внедряя экспериментальные керамические композиты и меняя конструкцию плиток для изучения их предельных свойств.
Кроме того, компания Radian Aerospace представила Dur-E-Therm – инновационный многослойный материал, который, по их заявлению, позволит вернуться к концепции шаттлов благодаря способности выдерживать множественные входы в атмосферу.
Современные технологии, такие как искусственный интеллект и машинное обучение, всё чаще применяются в космической отрасли. SpaceX активно использует ИИ для оптимизации своих ракет, что говорит о том, что будущее космических путешествий будет не только технологически продвинутым, но и интеллектуально насыщенным.
Стартап Miles Space разработал новый эффективный ионный двигатель для спутников с использованием ИИ-алгоритмов. Современные лунные миссии также применяют компьютерное зрение для выбора оптимальных мест для посадки.
Искусственный интеллект становится ключевым элементом в космических миссиях, особенно на больших расстояниях от Земли, где задержка сигнала увеличивается. В экстренных ситуациях ИИ может оперативно принимать решения, что критически важно для успешного выполнения задач и, возможно, для реализации всего проекта.
Например, китайские инженеры создали робота для добычи полезных ископаемых на других планетах, который, вероятно, будет работать в автоматическом режиме.
При удалении от Земли растет число возникающих проблем. Каждое состыковка с Международной космической станцией представляет собой сложную задачу, с которой могут справиться лишь несколько организаций, таких как «Роскосмос», SpaceX и китайские специалисты.
Однако возникают вопросы, когда требуется состыковка с неподвижным объектом. В настоящее время на орбите находится несколько тысяч неисправных спутников и других космических объектов, которые не удалось сжечь в атмосфере. За ближайшие десять лет количество таких объектов может значительно увеличиться, что чревато новыми осложнениями для космических операций, особенно в условиях растущего числа низкоорбитальных спутников.
Космический мусор остается одной из нерешённых проблем для человечества. На решение этой задачи направлены усилия ряда стартапов, среди которых японская компания Astroscale выделяется своими инновациями.
В 2024 году их аппарат «ADRAS-J» провел детальный анализ орбитального обломка, находившегося на расстоянии всего 15 метров, исследуя траекторию отработанной ступени ракеты-носителя. Это позволит инженерам понять, как взаимодействовать с неконтролируемыми объектами в космосе.
Кроме того, британское подразделение Astroscale подписало соглашение с Airbus о разработке унифицированной системы стыковки для спутников. Эта система включает в себя оптическую маркировку, схожую с QR-кодами, и различные типы захватов, что значительно упростит процесс свода аппаратов с орбиты. Принятие такого стандарта производителями спутников может удешевить операции по гравитационному отведению до 3-7 раз.
Разработанная система стыковки также решит проблемы дозаправки и ремонта спутников. Хотя примеры починки телескопа «Хаббл» существуют, случаи, когда возможен ремонт космических аппаратов, весьма редки. Однако, если космические агентства получат возможность соединять аппараты с роботами-манипуляторами, это может привести к реанимации многих спутников.
Кроме того, SpaceX разрабатывает собственную систему стыковки для своих «Starship» на орбите, с целью одного аппарата, который будет доставлять топливо для другого, отправляющегося, например, к Марсу. Данная практика открывает новые горизонты для космических исследований и далеких полетов.
Главной задачей для инженеров в космической отрасли является повышение энергоэффективности. Корабли в космосе практически не имеют источников энергии, кроме топлива, загружаемого на борту. При увеличении расстояния полета требуется больше горючего, что ограничивает полезную нагрузку. Топливо используется как для разгона, так и для торможения, и его количество пропорционально расстоянию. Поэтому ученые ведут активные исследования, направленные на отказ от традиционного топлива в пользу более эффективных альтернатив.
Среди перспективных технологий выделяются плазменные и ионные двигатели, которые перерабатывают водород с помощью электричества и магнитных полей для генерации движения. Водород, самый распространенный элемент во Вселенной, легко доступен для использования. Например, американский стартап Miles Space разработал миниатюрный и энергоэффективный ионный двигатель, функционирующий на воде. Этот двигатель предназначен для орбитальных спутников, но его можно адаптировать для межпланетных перелетов.
В России также ведутся разработки в области космических двигателей. В феврале ученые из Троицкого института «Росатома» представили плазменный ускоритель, использующий водород в качестве топлива. Ожидается, что его применение позволит сократить время полета до Марса до одного-двух месяцев, а первый испытательный полет может состояться в 2030-х годах. Дополнительно, специалисты из Перми разработали новую математическую модель, которая поможет улучшить эффективность ионных двигателей для будущих космических миссий.
Таким образом, работа в этом направлении продолжается, и новые технологии могут кардинально изменить подход к космическим полетам.
Среди интересных технологий, которые привлекают внимание ученых с середины ХХ века, стоит выделить солнечные парусные двигатели. Идея заключается в том, что исследовательский аппарат выводят на орбиту обычным способом, после чего он разворачивает легкий отражающий материал диаметром в несколько метров. Затем с Земли на этот парус «стреляют» лазером, и фотоны, ударяясь в него, создают толчок, продвигая зонд или корабль в космос.
В условиях космоса затраты энергии практически ничтожны. На больших расстояниях далее от Земли аппарат будет получать ускорение за счет солнечного ветра, так как в космосе присутствует огромное количество фотонов. Хотя идея еще не получила практической реализации, ученые продолжают искать эффективные материалы для создания таких двигателей.
Важной задачей является также обеспечение стабильной связи между многочисленными космическими аппаратами и Землей. NASA работает над проектом «Сеть ближнего космоса» (Near Space Network), целью которого является создание постоянной системы связи на околоземной орбите, Луне и в пределах 2 миллионов километров от Земли.
Раньше агентство решало эту проблему самостоятельно, но в конце 2024 года решили привлечь четыре частные компании для разработки инновационных решений.
Множество стартапов также исследуют новые способы связи. Например, американская компания Spire Global успешно наладила оптическую связь между двумя кубсатами на расстоянии 5 тысяч километров. Такой тип связи становится все более популярным благодаря своей высокой защищенности и точности по сравнению с радиосигналами.
Польза таких технологий может значительно изменить подход к космическим исследованиям.
Вторая ключевая задача в освоении дальнего космоса заключается в защите от радиации. При отправке человека в космос необходима комплексная система жизнеобеспечения, работы над которой активно ведутся многими аэрокосмическими компаниями. Однако радиационный фон остается серьезной проблемой. Существует два основных подхода к её решению.
Первый подход – технический. Например, можно создать защитный экран, используя свинцовые пласты. Однако это крайне затратно и нецелесообразно из-за большого веса свинца, который нужно будет транспортировать в космос. Вместо этого исследователи из Бельгии предложили интересную альтернативу: специальный гидрогель, который можно внедрить в обшивку космического корабля или скафандра, обеспечивая эффективное поглощение радиации.
Второй подход – биологический. Ученые уже долгое время исследуют тихоходок — микроскопических существ, способных выживать в экстремальных условиях космоса и стойко переносить радиацию. Исследователи из Гарвардской медицинской школы и MIT сумели выделить белок, отвечающий за защитные свойства тихоходок, и внедрили его в организмы лабораторных мышей. Успешно функционирующий белок значительно снижает вредные эффекты излучения.
В последние годы человечество вновь начинает осознавать необходимость расширения своей территории обитания. В XX веке планы по созданию баз на Луне и других небесных телах так и не были осуществлены. Однако в XXI веке США, продолжая программу «Артемида», намерены освоить Луну и, под руководством Илона Маска, обратить взоры на Марс.
На данный момент Китайская Народная Республика сосредоточена на Луне, хотя о планах своего космического агентства сообщает часто лишь перед реализацией. Россия также имеет намерения участвовать в этом процессе. Известно, что в 2030-х годах планируется развертывание лунных станций, но есть и свежая информация: в марте китайские ученые предложили установить радиотелескоп на обратной стороне Луны.
Этот научный проект подчеркивает амбициозность Китая, ведь именно он первым успешно высадил свои аппараты на невидимую с Земли сторону спутника, а его луноходы совершают регулярные миссии, что выделяет его на фоне других стран.
Для создания будущих космических колоний потребуется эффективное местное производство в промышленных масштабах. Это необходимо для получения различных деталей и компонентов, которые сложно доставлять с Земли, включая элементы для оборудования и конструкции для зданий. В данном направлении активно будут применяться аддитивные технологии, известные также как 3D-печать.
На Земле эти технологии успешно внедряются в космической индустрии. Ярким примером служит компания «Relativity Space», занимающаяся строительством ракет с использованием аддитивных методов. Хотя носитель легкого класса «Terran 1» не смог выйти на орбиту из-за неудачного тестового полета в 2023 году, компания привлекла дополнительные инвестиции и переключилась на разработку ракеты тяжелого класса «Terran R», предназначенной в том числе для дальних полетов. Таким образом, аддитивные технологии продолжают занимать важное место в современном космическом производстве.
В марте Эрик Шмидт, один из лидеров Google, возглавил компанию Relativity Space, которая сосредоточена на 3D-печати в космосе. Этот технологический вызов включает создание объектов как на Земле, так и на других небесных телах.
В середине прошлого года Virgin Galactic успешно протестировала «SpaceCAL», 3D-принтер, работающий в условиях невесомости, за короткое время напечатав четыре детали с высокой точностью.
В свою очередь, Китай активно изучает использование аддитивных технологий для строительства лунной базы, которую планируется развернуть в первые годы 2030-х. Ученые из Хуачжунского университета уже освоили 3D-печать кирпичей из образцов лунного грунта и тестируют роботизированные системы для автоматизированной сборки конструкций на Луне.
Эти усилия свидетельствуют о высоком потенциале применения местных ресурсов в космосе, что становится реальной задачей в ближайшее десятилетие.
