До какой скорости можно разогнать космический зонд?
Рекордсмены среди уходящих из Солнечной системы станций – “Вояджеры”.
Гелиоцентрическая скорость “Вояджера-1” - 17,05 км/c, “Вояджера-2” - 15,45 км/c.
Расстояние от Солнца 119,4 а.е. и 97,4 а.е., соответственно.
Много это или мало? На первый взгляд – очень много.
Нептун, самая дальняя планета Солнечной системы, удаляется от Солнца только на 30,4 а.е.
Но если сравнивать с расстоянием до звезд – пройденный “Вояджерами” путь выглядит ничтожным.
Всего 0,045% расстояния до ближайшей звезды (Проксима Центавра - 4,243±0,002 св. лет или 268 332 а.е.).
Свою скорость “Вояджеры” приобрели в основном благодаря гравитационным маневрам.
А рекорд разгона на ракетных двигателях принадлежит New Horizons.
В момент выключения двигателей разгонного блока его скорость составляла 16,21 км/с.
Можно ли разогнаться до больших скоростей? Какие двигатели можно применить для этого?

Напомню, чем выше удельный импульс ракетного двигателя, тем меньше топлива требуется на разгон.
Сегодня наибольший удельный импульс имеют электроракетные двигатели малой тяги.
Возьмем проверенный NSTAR (он был установлен на Deep Space 1 и сейчас работает на Dawn)
Его тяга 0,09 Н, удельный импульс 3100 с (у лучших ЖРД, таких как двигатели шаттла ~ 450 с), потребляемая мощность 2,3 кВт.
Да, этот двигатель любит "кушать" электричество.
Уникальные солнечные батареи Deep Space 1 площадью 14,5 м2 выдавали лишь 2400 Вт – и это ещё очень хороший результат.
(166 Вт с квадратного метра, при массе 58 кг и удельной мощности на единицу массы – около 50 Вт/кг)
Не стоит забывать, что с удалением от Солнца мощность падает как квадрат расстояния.
Нужен другой источник энергии, и единственный вариант - ядерный реактор.
Машинное преобразование (как на настоящей АЭС) на орбите ещё не опробовано, остается термоэмиссионное.
Пожалуй, лучший реактор подобного типа – "Топаз-2". Он имел массу ~ 1100 кг и мощность около 10 кВт.
Примерно 10 Вт/кг - очень хорошее соотношение для космической ядерной энергоустановки.
Реакторы на подводных лодках выдают более 20 Вт/кг, но в их случае можно сбросить тепло в воду, а в космосе тепло отдается только излучением.
Один реактор "Топаз-2" может “накормить” четыре ионных двигателя NSTAR – не так уж и плохо.
Есть ли смысл разгоняться на двигателях малой тяги с низкой околоземной орбиты?
С такими параметрами энергоустановки – пожалуй, нет.
Слишком велики гравитационные потери, да и времени это займет очень много.
Значит, для ухода из сферы действия Земли необходимо применить обычный разгонный блок с ЖРД.
Delta IV Heavy, самая мощная ракета человечества, способна отправить на отлетную траекторию 9306 кг, а к Венере около 8800 кг.
Почему к Венере? Потому, что наш план таков:
Cначала зонд уходит к “утреней звезде”, где выполняет гравитационный маневр и отправляется к Юпитеру.
Маневр у планеты гиганта даст прирост где-то ~10 км/c – теперь мы на отлетной траектории из Солнечной системы и можем включить свои NSTAR`ы не опасаясь больших гравитационных потерь.
Маневр у Сатурна даст нам ещё ~8 км/c.
А дальше вся надежда на ионные двигатели. Насколько они разгонят наш зонд?
Масса зонда 8800 кг.
Коэффициент конструкции – 0,08 (обычный такой коэффициент “плюс-минус километр”), значит масса конструкции 705 кг.
Коэффициент баков – 0,08; масса баков 475 кг.
Масса двигательной установки (20 двигателей NSTAR; 4 основные, остальные резервные.) – 160 кг (по 8 кг один двигатель).
Реактор (возьмем характеристики "Топаза-2") - 1100 кг.
Борт (управление, связь, ориентация и т.д.) + преобразователи энергии (между реактором и двигателями) - 350 кг.
Научная аппаратура 60 кг.
Масса топлива 5950 кг
dV по формуле Циолковского = 35 000 м/c
Четыре NSTAR`а дают суммарную тягу всего 0,36 Н, а значит, набор этой скорости займет около 20 лет (да-да, и всё это время необходимо обеспечивать работу реактора, двигателей, всех систем).
Суммарная скорость нашего зонда относительно Солнца составит 10 + 8 (прирост от гравитационных маневров у планет-гигантов) – 3 (грубая оценка гравитационных потерь) + 35 (набраны на двигателях малой тяги) = 50 км/c
После разгона и 15 лет полета наш зонд обгонит “Вояджер-1”!
1000 а.е. он пройдет примерно за 95 лет.
А расстояние до Проксимы Центавра покроет где-то за 25,5 тысяч лет.
Вот предел существующих технологий человечества.
Конечно, можно представить, что подобный аппарат будет запускаться сверхтяжелой ракетой SLS.
Её полеты начнутся (если начнутся) в начале 2020ых годов.
Тогда наш супер-зонд можно сделать двухступенчатым и на первой тяжелой ступени применить реактор с машинным преобразованием энергии. В качестве второй ступени будет выступать аппарат из расчета приведенного выше.
Даже в таком случае можно надеяться на скорости только 80-100 км/c, а время разгона составит многие десятилетия.
Если рассматривать научную фантастику, то можно “поиграться” c двухрежимными ЯРД (могут работать и как обычный ЯРД и как источник энергии для батареи двигателей малой тяги), солнечными парусами (зонд с парусом нужно будет отправить внутрь орбиты меркурия и оттуда начинать разгон) и тонкопленочными солнечными батареями, передачей энергии по лазерному/микроволновому лучу.
В рамках простой фантастики – газофазные ЯРД, термоядерные ракетные двигатели, возможно импульсный двигатель (ядерный или термоядерный), магнитный парус и гигантские лунные катапульты для отправки микро-зондов.
Ну а если заняться фэнтези – сразу появятся прямоточные звездолеты Бассарда, тучи нано-репликантов, и применение антивещества.
И как сказку можно рассмотреть свертку или прокол (да-да с планковскими энергиями) пространства :)
Кстати, хозяйке на заметку – тихоходка доползет до Шри-Ланки за 6500 лет.
Куда быстрее, чем наши зонды с ионными двигателями до ближайшей звезды.
P.S. Да-да, я знаю про проект TAU.