Reusable orbital tugs and their engines. Многоразовые орбитальные буксиры и их двигатели.

Орбитальные буксиры с плазменными двигателями, транспортные космические корабли будущего.

Сейчас для движения на орбите используются в основном одноразовые орбитальные ступени - "Разгонные блоки", с традиционными двигателями на химическом топливе. Химические двигатели расходуют много топлива, из за чего разгонные блоки не эффективны, их вес как правило превосходит вес аппарата и они используются одноразово, для достижения определенной орбиты.  
Отсутствие эффективного орбитального транспорта, одна из главных проблем космонавтики. Разгонные блоки позволяют доставить в нужное место спутники или исследовательские зонды, но для расширения деятельности, например, более активной работы в околоземном пространстве, или полетов на другие планеты, химические двигатели по большому счету не пригодны.  
При полетах на луну по программе Аполлон, потребовался носитель циклопических размеров и соответствующие затраты. Из за прожорливости химических двигателей почти вся выводимая в космос нагрузка приходилась на топливо. Для доставки экспедиции на луну топлива расходовалось в несколько раз больше чем весили сами аппараты, после посещения луны для возвращения, опять сжигалось топлива больше чем весили сами аппараты. Таким образом миллиардные затраты на каждый полет буквально вылетали в выхлопную трубу, о промышленной деятельности в космосе с такими средствами передвижения не может быть и речи.
Для перехода на новые этапы развития космонавтики определенно нужны более экономичные орбитальные двигатели и многоразовые транспортные системы, которые позволяли бы свободно передвигаться в пространстве при умеренных затратах.  И для создания таких систем есть все необходимые технические возможности.  
Условия на орбите, невесомость и доступ постоянных источников энергии, от солнечных или ядерных генераторов, позволяют использовать так называемые - "Электрореактивные двигатели" топливо в которых служит - "Рабочим телом", для создания отбрасываемой массы реактивной струи, а источником энергии генераторы.  
Электорореактивные двигатели имеют низкую мощность, их тяга не превышает тысячных или миллионных долей собственной массы, но в невесомости этого достаточно. С другой стороны электрореактивные двигатели - "ЭРД", имеют низкий расход топлива, от нескольких раз, до нескольких сотен раз меньший химических ракет, в зависимости от конструкции.  
Сейчас ЭРД используются в основном на межпланетных исследовательских зондах, где проявляются их сильные места, за многолетние полеты по межпланетным траекториям они придают аппаратам значительные ускорения. Или в качестве вспомогательных двигателей на спутниках, для маневров, противодействия верхним слоям атмосферы, или солнечному ветру.
Недостаток традиционных "Ионных" ЭРД, в крайне низкой мощности, их тяга десятые или сотые доли грамма, и недолговечности, что ограничивает их применение, хотя они очень экономичны, расходуют топлива в 50, 100, раз меньше химических. Для межпланетных зондов характеристики ионных двигателей вполне удовлетворительные, но для транспортных кораблей их мощность слишком низкая. А для промышленных транспортных систем нужны двигатели соответствующей мощности и тяговооружонности, способные перемещать многотонные грузы в разумные сроки.  
На роль основных силовых установок перспективных многоразовых орбитальных буксиров лучше всего подходят "Плазменные ЭРД". В отличие от ионных, использующих для разгона рабочего тела, заряженных атомов - ионов, электростатические поля, плазменные превращают рабочее тело в газ с высокой температурой проводящий электричество - "Плазму". Для управления плазмой, изоляции ее от стенок двигателя или придания ей дополнительного ускорения, используются магнитные поля. Мощность магнитных полей в отличие от слабых электростатических, можно увеличивать без особенных ограничений, для примера можно сравнить электромагниты или электродвигатели с электростатическим полем, способным двигать разве что пылинки или перышки.  
Принципиальных ограничений для повышения мощности плазменных двигателей нет, их мощность можно наращивать настолько, насколько позволяют источники энергии. Удельная мощность - "В пересчете на собственный вес" современных космических генераторов достаточно велика, солнечные батареи делают из тонких пластин или пленочных фотоэлементов. Правда для получения нужной мощности понадобятся солнечные батареи имеющие площади футбольных полей, но в космосе это не проблема. Мощные атомные или другие тепловые генераторы пока не отработаны, но в этом направлении ведутся интенсивные исследования и есть обнадеживающие результаты. Для дальнейшего повышения мощности источников энергии тоже нет принципиальных препятствий.
Другие преимущества плазменных двигателей в их долговечности, так как плазма изолированная от деталей двигателя магнитным полем не вступает с ними в контакт и не вызывает их деградации, как в ионных, поэтому плазменные ЭРД могут иметь срок службы в десятки лет. И "Многотопливности", так как под действием электронного пучка, микроволнового излучения или высокочастотных колебаний любое вещество превращается в плазму. Характеристики плазмы из разных веществ практических не отличаются, поэтому не так важно из какого рабочего тела она получена. Для ионных двигателей нужно специальное топливо, газ или пары которого можно подвергнуть ионизации при низкой температуре. Всеядные плазменные ЭРД могут потреблять разное топливо, что значительно увеличивает количество его потенциальных источников. Топливом для плазменных ЭРД могут служить традиционное горючее или окислители, вода, жидкие газы, или даже твердые вещества в виде мелких порошков. Что дает возможность использовать для питания буксиров компоненты обычного ракетного топлива, с пользой "Сжигать" отходы орбитальных станций, или космический мусор или использовать в качестве топлива ресурсы близкой к земле луны.
 Лунное топливо для плазменных буксиров дает особенно большие перспективы развития. Во первых не нужно выводить топлво с земли и тратить на это дорогие носители. Во вторых переход на лунное топливо хорошая возможность перейти к промышленному использованию минеральных ресурсов луны. Кроме того переход на инопланетные ресурсы сделает космическую группировку независимой от снабжения с земли.  
 Технические возможности для создания флота орбитальных буксиров в ближайшее время есть, о том какие перспективы может дать многоразовый транспортный флот в космосе, думаю не нужно много рассказывать. Если перелеты между орбитами в космосе станут сравнимы по цене с полетами на лайнерах на земле, будет открыта дорога и к широкомасштабной деятельности на орбите земли и к использованию инопланетных ресурсов, это переход на принципиально новый уровень.  
Но мотивации для практической работы в этом направлении по всей видимости не хватает, по крайней мере разговоры о переходе к многоразовым ЭРД буксирам в научной среде ведутся еще с 70 - х годов. А на практике до сих пор продолжают летать на одноразовых "Цистернах с горючим".
Возможно популяризации перехода к "Постоянному космическому флоту", особенно с привязками к перспективным направлениям деятельности и колонизации планет смогут ускорить работу в этом направлении.

Orbital tugs with plasma engines, transport spaceships of the future.

Now for the movement in orbit, mostly one-time orbital stages are used - "Upper blocks", with traditional engines using chemical fuel. Chemical engines consume a lot of fuel, because of which the accelerating units are not effective, their weight usually exceeds the weight of the apparatus and they are used once, to achieve a certain orbit.
The lack of effective orbital transport, one of the main problems of space exploration. Upper blocks allow the delivery of satellites or research probes to the right place, but for the expansion of activities, for example, more active work in the near-Earth space, or flights to other planets, chemical engines are largely useless.
When flying to the moon according to the Apollo program, a carrier of cyclopean sizes and corresponding costs was required. Because of the gluttony of chemical engines, almost all the load put into space was in fuel. For the delivery of the expedition to the moon, fuel was consumed several times more than the weights themselves, after visiting the moon for a return, again the fuel was burnt more than weighed by the apparatus itself. Thus, the billions of expenses for each flight literally flew into the exhaust pipe, there can be no question of industrial activity in space with such vehicles.
To move to new stages in the development of astronautics, more economical orbital engines and reusable transport systems that would allow free movement in space at moderate costs are clearly needed. And for the creation of such systems, there are all the necessary technical capabilities.
Conditions in orbit, weightlessness and access to permanent sources of energy, from solar or nuclear generators, allow using the so-called "Electro-reactive engines" fuel in which the "Working body" serves to create the jet mass jettisoned, and generators for the energy source.
Electrororeactive engines have low power, their thrust does not exceed a thousandths or a millionths of their own mass, but in weightlessness this is enough. On the other hand, electrically reactive engines - "ERD", have low fuel consumption, from several times, up to several hundred times smaller than chemical rockets, depending on the design.
Now EWDs are used mainly on interplanetary research probes, where their strong spots are manifested, for long-term flights along interplanetary trajectories they give the apparatus considerable acceleration. Or as auxiliary engines on satellites, for maneuvers, countering the upper layers of the atmosphere, or the solar wind.
The lack of traditional "Ionic" ERDs, in extremely low power, their traction of tenths or hundredths of a gram, and the fragility, which limits their use, although they are very economical, use 50, 100 times less chemical fuels. For interplanetary probes, the characteristics of ion engines are quite satisfactory, but for transport ships their power is too low. And for industrial transport systems, engines of adequate power and traction power are needed, capable of moving multi-ton cargoes within a reasonable time.
The role of the main power units of promising reusable orbital tugboats is best suited to "Plasma ERD." In contrast to ionic ones, which use charged ion atoms for dispersal of the working fluid, electrostatic fields and plasma transform the working medium into a gas with a high temperature that conducts electricity - Plasma. To control the plasma, isolating it from the walls of the engine or giving it additional acceleration, magnetic fields are used. The power of magnetic fields, unlike weak electrostatic fields, can be increased without special restrictions, for example, one can compare electromagnets or electric motors with an electrostatic field capable of moving only dust particles or feathers.
There are no fundamental limitations for increasing the power of plasma engines, their power can be increased as much as energy sources permit. Specific power - "In terms of own weight" of modern space generators is quite large, solar cells are made of thin plates or film photocells. True to get the right power you'll need solar panels that have squares of football fields, but in space this is not a problem. Powerful nuclear or other thermal generators have not been worked out yet, but intensive research is conducted in this direction and there are promising results. To further increase the power of energy sources, too, there are no fundamental obstacles.
Other advantages of plasma engines in their durability, since a plasma isolated from engine parts by a magnetic field does not come into contact with them and does not cause them to degrade, as in ionic ones, therefore plasma EWDs can have a service life of tens of years. And "Multifuel", because under the action of an electron beam, microwave radiation or high-frequency oscillations, any substance is converted into a plasma. The characteristics of plasma from different substances are practically not different, so it is not so important from what working medium it is obtained. Ion engines require a special fuel, gas or vapor which can be ionized at low temperature. Omnivorous plasma ЭРД can consume different fuel, which significantly increases the number of its potential sources. Fuel for plasma EDCs can be conventional fuel or oxidizers, water, liquid gases, or even solids in the form of fine powders. What makes it possible to use the components of conventional rocket fuel for the supply of tugs, with the benefit of "Burning" the waste of orbital stations, or space debris or use as resources fuel close to the earth of the moon.
Lunar fuel for plasma tugs gives particularly great prospects for development. Firstly, you do not need to remove the fuel from the ground and spend it on expensive carriers. Secondly, the transition to lunar fuel is a good opportunity to shift to the industrial use of the mineral resources of the moon. In addition, the transition to extraterrestrial resources will make the space group independent of supply from the ground.
Technical capabilities for the creation of a fleet of orbital tugboats in the near future is, about what prospects can give a reusable transport fleet in space, I think there is no need to tell much. If the flights between orbits in space become comparable in price with flights on airliners on earth, the road to large-scale activities in orbit of the earth and to the use of alien resources will be opened, this is a transition to a fundamentally new level.
But there seems to be little motivation for practical work in this direction, at least the talks about the transition to reusable tugs in the scientific environment have been going on since the 70s. And in practice, they still continue to fly on disposable "Tanks with fuel".
It is possible to popularize the transition to the "Permanent Space Fleet", especially with links to promising areas of activity and colonization of the planets will be able to speed up work in this direction.