Через несколько десятков лет человечество будет праздновать столетие с начала космической эры. Каково, по вашему мнению, самое старое функционирующее оборудование за пределами Земли? По мнению сразу приходят спутники-близнецы «Вояджеры», которые в 1977 году имеют впечатляющие достижения, кроме тех золотых дисков для инопланетян с нашим месторасположением. Но они не старейшие. Есть другие предположения?

Пока поклонники альтернативной истории спорят о фальсификации высадки американцами людей на Луне, астрономы по-прежнему используют оставленные на Луне экипажем «Аполлона-11» зеркала. Эти зеркала позволяют с помощью лазеров легко измерять актуальное расстояние от Земли до Луны (последняя неустанно удаляется от планеты).

Но эти зеркала также не старейшее работоспособное космическое оборудование.

Нет, лучший претендент – это аппарат с 1974 года, даже не запущенный NASA или Советским Союзом. Он до сих пор на орбите, прекрасно функционирует, в 2024 году отметил свое 50-летие. Это – Оскар.

Полное его название – AMSAT-OSCAR 7, среди друзей известный как Оскар-7, и он поражает по многим причинам – не в последнюю очередь из-за двух больших загадок, которые, возможно, никогда не будут разгаданы.

Для небольшого устройства, созданного за бюджет, заставляющего обычный шнурок для обуви выглядеть роскошным, он положил начало удивительным технологиям, имел недюжинную удачу не раз и, возможно, сам себя отремонтировал после двух десятилетий простоя.

Начнём с удачи. Оскар в названии Оскар-7 означает Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio (Орбитальный спутник с любительским радио). Он был – и есть – седьмой в своем роде.

Его создание стоило около 60 тысяч долларов (по ценам 1974 года), и, как отмечалось в журнале для радиолюбителей The World Radio News, его создавали по вечерам и в выходные дни волонтеры, многие из которых профессионально работают в аэрокосмической отрасли. В статье добавляли: «Аналогичный спутник, созданный коммерчески, стоил бы два миллиона долларов».

Оскар-7 весит всего 28,6 кг, имеет восьмиугольную форму, покрытую солнечными панелями, его высота составляет около полуметра, и из него торчат «шипы».

Его миссия, первоначально рассчитанная в зависимости от источника питания на пять или десять лет, заключалась в ретрансляции сигналов радиолюбителей на территории размером с континентальную часть США. Если у вас есть радиолюбительская лицензия, вы можете прямо сейчас, если позволяет орбита, убедиться, что Оскар-7 до сих пор работает.

Для создания и запуска чего-то за такие небольшие деньги требовались волонтеры, исключительно сообразительные решения и пожертвованные детали. В 2024 году у нас в космосе может быть микрокомпьютер Arduino стоимостью несколько долларов, но 50 лет назад все это были уникальные детали, недоступные для обычного производства.

Итак, Оскар-7 имел несколько больших успехов. Во-первых, ему досталась аккумуляторная батарея, являвшаяся тестовым образцом для давно забытого лунного орбитального аппарата, и запасные солнечные панели из программы NASA для наблюдения за Землей.

Батарея была рассчитана на ограниченное количество циклов подзарядки. Солнечные панели также не вечны – они имеют ограниченный срок службы из-за деградации под действием солнечного света. Эти панели были разработаны для прохождения через пояс Ван Аллена с неизвестным сроком службы.

Еще один большой успех – это команда проекта, разбросанная по всему миру: в университетах, агентствах и компаниях. Время и ресурсы жертвовали, выбивали или разумно интегрировались в дипломные работы. Все это координировалось без электронной почты и благодаря блестящему инженерному мастерству.

Орбитальный аппарат должен был постоянно вращаться для терморегуляции и всегда быть направленным к Земле, но подвижные части должны отсутствовать, как и реактивные двигатели для управления.

Ориентация достигалась благодаря большим магнитам, выравнивавшим аппарат по магнитному полю Земли, а четыре антенны, изготовленные из разрезанных металлических рулеток, были окрашены в черный и белый цвета с разных сторон. Они действовали как солнечные паруса, если их расположение соответствовало и радиоцелям. Это работало.

А теперь о радио. С орбитой в 1000 км и энергопотреблением в 12-14 ватт (меньше, чем потребляет смартфон в пиковые моменты), передатчики спутника должны быть исключительно эффективны, чтобы быть полезными для обычных радиолюбителей со стандартным оборудованием.

Этот дизайн положил начало идеям, которые до сих пор используются в цифровой мобильной связи. Системы телеметрии, управления, маяков и передачи данных тоже были гениально обмыслены.

Более того, все работало. Спутник был запущен 15 ноября 1974 года, а через несколько дней активирован. Он отлично функционировал в течение шести лет и шести месяцев, пока в июне 1981 года аккумулятор не вышел из строя.

Все шло по ожидаемому сценарию, пока энтузиасты не столкнулись с двумя тайнами.

Первая загадка определенно подтверждена. В 2002 году, через 21 год после «смерти» спутника, британский радиолюбитель уловил телеметрические сигналы, свидетельствовавшие о том, что спутник снова заработал. Одна из разрушенных ячеек батареи каким-то образом перестала быть потребителем электричества, позволив энергии из удивительно крепких солнечных панелей снова поступать в электронику.

Оскар-7 снова работал, хотя при условии, что находился на свете. А поскольку он находится на редко заходящей в тень полярной орбите, это было почти всегда.

Чудо в том, что батареи такого типа, как были на Оскар-7, никогда не размыкают цепь после короткого внутреннего замыкания. Эта же – разомкнулась, и никто не знает, почему.

Вторая загадка или теория также предполагает, что Оскар-7 вернулся к жизни, но на этот раз утверждается, что это произошло спустя несколько месяцев после того, как он «уснул» летом 1981 года.

В декабре того же года Польская коммунистическая партия объявила военное положение из-за масштабных протестов «Солидарности». Это включало в себя конфискацию всего двустороннего радиооборудования и жесткий контроль телефонной связи. В ответ сеть ученых, инженеров и техников начала создавать нелегальное оборудование и использовала его для организации стачек и протестов для отмены военного положения в 1983 году. Существуют польские утверждения, что эта подпольная сеть каким-то образом реактивировала Оскара-7 и использовала его для связи с Западом.

Это выглядит правдоподобно – спутниковую связь труднее обнаружить, чем наземную. Но также вероятно, что они использовали тогда функционировавший Оскар-8, а историю с Оскаром-7 либо перепутали, либо украсили.

По материалам: AMSAT https://www.amsat.org/wordpress/wp-content/uploads/2024/10/AO-7-History-Lesson-Complete_241015.pdf

NASA планирует отправить миссии с экипажем на Марс в течение следующего десятилетия, но путешествие в Красную планету протяженностью 225 миллионов километров может длиться от нескольких месяцев до лет.

Это относительно долгое время прохождения является результатом использования традиционного химического ракетного топлива. Альтернативная технология ракет, которую сейчас разрабатывает агентство, называется ядерным тепловым двигателем. Он для разгона рабочего тела использует тепло ядерного деления, что позволит совершить полет вдвое быстрее.

Ядерное деление выделяет невероятное количество выделяемой тепловой энергии, когда атом расщепляется нейтроном. Поэтому 1 кг уранового топлива в легководных реакторах соответствует почти 10 000 кг нефтепродуктов или 14 000 кг угля и позволяет производить 45 000 кВт-ч электроэнергии.

Технология разделения хорошо отработана в производстве электроэнергии и на атомных подлодках, и ее применение для привода или питания ракет может однажды дать NASA более быструю и более мощную альтернативу ракетам с химическим сгоранием.

NASA и Агентство передовых оборонных исследовательских проектов совместно разрабатывают технологию атомного ракетного двигателя NTP. Они планируют развернуть и продемонстрировать возможности прототипа системы в космосе в 2027 году, что потенциально сделает его одним из первых в своем роде.

Ядерные тепловые двигатели также однажды могли бы привести в действие маневренные космические платформы на орбите Земли и за ее пределами. Но разработка еще в разработке.

Ядерный двигатель против химического

Обычные химические двигатели используют химическую реакцию сочетания двух веществ (известно вам как горение) с выделением большого количества тепла. Одна из самых мощных пар в космической технике – водород и кислород. Когда они смешиваются вместе, их зажигают, в результате чего смесь этих газов сильно разогревается, что заставляет эти газы очень быстро выходить из сопла, двигая ракету.

Эти системы надежны. Но эти ракеты должны нести с собой в космос тяжелый кислород, являющийся лишним весом.

В отличие от химических силовых установок, ядерные тепловые двигательные системы возлагаются на реакции ядерного деления, чтобы нагреть газ, заставляя его так же быстро вылетать из сопла, создавая тягу.

Во многих реакциях деления исследователи посылают нейтрон к более легкому изотопа урана, урана-235. Уран поглощает нейтрон, образуя уран-236. Затем уран-236 распадается на два фрагмента – продукты разделения – и в результате реакции выделяются разные частицы.

Более 400 ядерных энергетических реакторов, работающих по всему миру, используют технологию ядерного разделения. Большинство этих действующих ядерных энергетических реакторов являются легководными. Эти реакторы разделения используют воду для замедления нейтронов, а также для поглощения и передачи тепла. Вода может создавать водяной пар непосредственно в ядре реактора (и тогда он будет радиоактивным) или в парогенераторе (и тогда он не будет радиоактивным). Этот водяной пар вращает турбину, к которой подключен электрогенератор.

Ядерные тепловые двигатели выделяют тепло подобным образом атомным электростанциям, но они используют другое ядерное топливо, которое содержит больше урана-235. Они также работают при гораздо более высокой температуре, что делает их чрезвычайно мощными и компактными. Ядерные тепловые двигатели имеют примерно в 10 раз большую плотность мощности, чем традиционный легководный реактор.

Ядерный двигатель может иметь преимущество над химическим двигателем по нескольким причинам. Ядерный двигатель очень быстро выбрасывает газ из сопла двигателя, создавая высокую тягу. Такая высокая тяга позволяет ракете ускоряться быстрее.

Эти системы также обладают высоким удельным импульсом. Удельный импульс показывает, как долго 1 кг топлива создает тягу. Поэтому ракета с удельным импульсом 800 секунд в разы эффективнее ракеты с удельным импульсом 500 секунд.

Ядерные тепловые двигатели обладают примерно вдвое большим удельным импульсом, чем химические ракеты.

История ядерного теплового двигателя

Десятилетиями правительство США финансировало разработку технологии ядерного теплового двигателя. Между 1955 и 1973 годами в рамках программ НАСА, силами Дженерал Электрик и Аргоннской национальной лаборатории было изготовлено и опробовано на земле 20 ядерных тепловых двигателей.

Но эти проекты к 1973 году опирались на высокообогащенное урановое топливо. Это топливо больше не используется из-за опасностей, связанных с распространением ядерных материалов и технологий.

Инициатива уменьшения глобальной угрозы, начатая Министерством энергетики и Национальным управлением ядерной безопасности, направлена ??на перевод многих исследовательских реакторов, использующих топливо из высокообогащенного урана, на топливо с низкообогащенным ураном (HALEU).

Топливо HALEU содержит меньшее количество материала, способного вступать в реакцию разделения по сравнению с высокообогащенным урановым топливом. Таким образом, ракеты должны иметь больше загруженного топлива HALEU, что делает двигатель более тяжелым. Чтобы решить эту проблему, исследователи ищут специальные материалы, которые бы более эффективно использовали топливо в этих реакторах.

Программа NASA и DARPA «Демонстрационная ракета для гибких околомесячных операций» или DRACO намерена использовать это низкообогащенное урановое топливо в своем ядерном тепловом двигателе. Программа планирует запустить свою ракету в 2027 году. В рамках программы DRACO аэрокосмическая компания Lockheed Martin сотрудничает с BWX Technologies по разработке конструкции реактора и топлива.

Ядерные тепловые двигатели, разрабатываемые этими группами, должны будут соответствовать определенным стандартам производительности и безопасности. Им понадобится реактор, который сможет работать на миссии и выполнять необходимые маневры для быстрого путешествия на Марс.

В идеале двигатель должен быть способен создавать высокий удельный импульс, одновременно удовлетворяя требованиям высокой тяги и низкой массы двигателя.

Продолжаются исследования

Прежде чем инженеры смогут разработать двигатель, удовлетворяющий всем этим стандартам, они должны начать с моделей и моделирования. Эти модели помогают исследователям, например тем, кто входит в мою группу, понять, как двигатель будет справляться с запуском и выключением. Это операции, требующие быстрого, большого изменения температуры и давления.

Ядерный тепловой двигатель будет отличаться от всех существующих энергетических систем деления, поэтому инженерам нужно будет создавать программные средства, которые будут работать с новым двигателем.

По материалам: The Conversation