Тут надо сделать отсылку к сериалу «The Expance» - достаточно реалистичный в части физики космических перелетов, любителям космоса советую, чтобы визуализировать эти полёты.


Надежное освоение солнечной системы, подразумевает сокращение времени полёта между планетами до приемлемого, и сравнимого например с морскими рейсами.
Например, полёт на Марс, должен быть сравним с рейсом через Атлантику (5800 км, которые сухогруз преодолевает примерно за неделю).
Учитывая требуемые скорости полёта на Марс за 7 дней - это явно будет гиперболическая траектория, которую можно упростить до прямой.
Среднее расстояние от земли до Марса составляет 225 млн км.
Соответсвенно, чтобы пролететь это расстояние за 7 дней (около 600 000 с), половину пути разгоняясь, половину пути замедляясь, необходимо ускорение 2.5 м/с2. Тут сразу решается проблема с гравитацией - такое ускорение обеспечивает «искусственную» гравитацию среднюю между Марсом и Луной.
При таком ускорении будет достигнута скорость в 750 км/с.

Тут возникают ряд проблем для осуществления таких полетов, основные это:
- параметры двигателя;
- обеспечение энергии.

Начнём с удельного импульса двигателя.
Энергетически оправдан разгон частиц до споростей около 0.5 с (с - скорость света).
Далее начинают сильно сказываться релятивистские эффекты и КПД разгона очень резко падает, например, относительные затраты в энергии при разгоне частиц в большом адронном коллайдере:
- 0.314с - 1;
- 0.916с - 28;
- 0.993с - 500.
Как видно чтобы повысить удельный импульс на скоростях, близких к с, на 8.4%, требуется энергетическая мощность почти в 18 раз больше.

Собственно, разумный предел по удельному импульсу - 0.5 с или 150 000 км/с. (Это в 3000 раз больше чем у существующих ионных двигателей)

Кажется фантастическим? Но, например можно взять существующий ускоритель LINAC 4 большого адронного коллайдера (почти готовый ионный двигатель). Это труба 80 метров в длину, потребляющая 25 мВт, ускоряющая протоны как раз до 0.5 с.

Вот собственно LINAC 4

Возвращаясь к полётам к Каллисто, для создания запаса по характеристической скорости 12.41 км/с надо теперь топлива всего лишь 0.01% от массы пустого аппарата.
Для полёта на Марс за 7 дней с запасом скорости на 1500 км/с нужно соответственно 1% от массы аппарата.

Таким образом массой топлива (расходуемого газа) относительно массы корабля с таким двигателем можно принебречь.

Но тут встаёт вопрос в величине тяги.
Например, чтобы обеспечить разгон в 2,5 м/с2 корабля массой в 100 тонн (представим, что в 100 тонн все влезло) необходима тяга в 25 тонн.

Для создания такой тяги потребуется, при удельном импульсе 150 000 км/с, секундный расход рабочего тела - 1.7 грамма.

1.7 грамма кажется немного, но чтобы разогнать из до 150 000 км/с надо обеспечить мощность 20 ТВт (Терра, это на 10^12).

И тут надо вспомнить, что годовое мировое потребление электроэнергии примерно 30000 ТВтч, то есть всех электростанций мира при накоплении энергии целый год, хватит только на 4-ре 7-ми дневных полётов на Марс и обратно.

Если посчитать в привычном уране - за один полёт от Земли до Марса требуется разделить 800 тонн уранового топлива (обогащение до 20%, КПД преобразования 50%).
При наличии термоядерное реактора потребуется синтезировать гелий из 40 тонн водорода (при 50 % КПД преобразования энергии).

Напомню, что корабль планировался в 100 тонн.

Тут надо прийти к следующим выводам:
- большой удельный импульс (0.5с) требует слишком больших затрат энергии, стремится к минимальному потреблению топлива бесполезно, так при этом потребуется в десятки раз больше термоядерного топлива для обеспечения энергией (для обеспечения мощности водород в реакторе выгорает быстрее, чем расходуется рабочего тело в двигателе);
- схема, подразумевающая преобразование тепла в электричество для питания обречена, 10 ТВт мощности потребуют плановой площади панелей излучателей в 125 км2 (километров) - это площадь Твери;
- термоядерный реактор для обеспечения потребной мощности при работе образует приемлемое количество рабочего тела (гелия, трития), которое можно пустить в расход.

Выходим на очевидную схему с термоядерным ракетным двигателем, предложенную ещё в 1958 году, если верить Википедии.

В теории надо взять токамак и развернуть его в трубу по типу линейного ускорителя.

Тут немного термоядерной физики.

Наличие выделения нейтронов при синтезе крайне не желательно. Например при реакции дейтерия с тритием образуется гелий и нейтрон, при этом нейтрон обладает 80% энергии и его нельзя направить электромагнитной ловушкой, соотвественно нейтроны будут нагревать стенки реактора, а значит это квадратные километры панелей излучателей для сброса тепла.

Соответсвенно оптимальная реакция это
1. полный цикл синтеза дейтерия, в результате чего, за исключением нейтронов, на частицы с суммарной атомной массой 10 г/моль получается 26,7 МэВ, что теоретически может дать скорость истечения (удельный импульс) в 16000 км/с (это 0.05 с). При этом на 10 г реактивной струи будет тратится 12 г дейтерия. Что делать с 2 граммами нейтронов и их энергией в 16,5 МэВ не очень понятно, может когда нибудь научаться добавлять в реакцию литий-6 чтобы нейтроны из пучка плазмы не вылетали (в принципе законам физики это не противоречит).

2. Управляемая реакция дейтерия с литием-6 (без лития никуда - надо обойтись без нейтронов) более перспективна, но тяжело реализуема (но тут рассматриваем будущее, так что это допустимо). В этой реакции, если она пройдёт в один цикл (хотя вероятность мала) получаются частицы с суммарной массой 8 г/моль и энергией 22.4 МэВ, что даёт теоретическую скорость в те же 16000 км/с.

Для создания тяги в 25 тонн, надо таким образом обеспечить расход 16 г/с. Это будет эквивалентно 2 ТВт мощности. Блок Чернобыльской АЭС давал 0.003 ТВт тепловой мощности.

Осталось самое главное, чтобы эти 2ТВт полностью ушли в космос вместе с гелием. Тут вся надежда на сверхпроводники и прочие технические изыски отдаленного будущего.

В случае если КПД будет 0.999 понадобится холодильник мощностью 2 ГВт, а это панели площадью (см. пост про ядерный буксир) 75 000 м2.

Для 100 тонного аппарата с площадью панелей излучателей в 1000 м2 при КПД в 99% проблема сброса тепла ограничивает мощность до 4 ГВт. 4 ГВт это 0.032 г/с и соответсвенно тяга в 51.2 кгс. Для повышения тяги можно в данной схеме добавить в активную зону в 100 раз больше гелия по массе (получим 3.2 г/с), удельная энергия упадёт в 100 раз, но скорость снизится всего в 10 до 1600 км/с (как у ионных двигателей), а тяга возрастёт в 10 раз до 512 кгс из за увеличения расхода.

Возвращаясь к перелету на Марс за 7 дней с требуемым запасом характеристической скорости в 1500 км/с. С теоретическим пределом удельного импульса в 16000 км/с получаем массу топлива в 10% от массы пустого аппарата.

Более реально выглядит перелёт за 23 дня (как на паруснике через Атлантику в старые добрые времена), тогда необходимое ускорение составит 0.225 м/с2, а потребная тяга для 100 тонного аппарата - 2250 кгс. Запас по характеристической скорости при этом - 450 км/с. Используя ограничение в 4 ГВт и добавление рабочего тела в струю получаем, что для достижения такой тяги надо увеличить расход до 60 г/с, и снижение удельного импульса до 400 км/с.
С учётом этого получаем требуемый запас топлива в 2 массы пустого аппарата. Такие параметры выглядят уже почти реалистично.
По такой схеме, чтобы получить ускорение в 1 единицу (g), надо обеспечить тягу в 100 тонн, а это расход в 120 кг/с (килограмм) и удельный импульс всего в 8 км/с. Что уже сравнимо с химическими движками.

Тут надо привести схему расстояний между планетами

До Нептуна в среднем лететь в 20 раз дальше чем до Марса. При разгоне с ускорением 0.225 м/с2 потребуется 100 дней (сравнимо с автономкой на подводной лодке). При этом требуемый запас характеристической скорости составит 2000 км/с. Для полёта на Луну и высадку в миссии Аполлон потребовалось меньше 10 км/с.

Как космические корабли могу выглядеть?
От облика «Россинанты» (первое изображение) приходим к следующему:
- нужна длинная труба термоядерного реактора/ускорителя;
- нужны достаточно большие панели радиаторов расположенные вдоль корабля (вытягивать их далеко в стороны не выгодно, так как корабль движется с большими ускорениями), при этом рядом с панелями ничего не должно быть, чтобы не нагреваться их излучением;
- нужны большие баки с дейтерием/литием.

Получаем облик, похожий на «Discovery» Кларка или на «Venture Star” Кемерова.

С точки зрения управления и возможности совершать манёвры, «Discovery” (нижнее изображение) лучше подходит - все расположено максимально близко к оси корабля, а это уменьшает моменты инерции (зависят от квадрата расстояния от оси, что существенно облегчает маневрирование и развороты.
Только палубы жилого отсека должны быть вертикальными (как многоэтажный дом), так как корабль все время летит с ускорением вдоль продольной оси и ориентация «низа» все время спереди-назад по направлению полёта.


Можно ли на таких технологиях, близким к фантастике, улететь к другим звёздам?

Чтобы полететь к другим звёздам, надо пролететь минимум 4.36 световых года до Альфа-Центавра.
Если заправить топливом, как химически ракеты (максимум 15 к 1) и допустить, что в реакторе можно сжигать топливо без ограничения, то получим располагаемый запас по скорости - 45000 км/с, а это уже 15% от скорости света. Разгон до такой скорости с ускорением в 10 м/с2 (больше 1 g длительно лететь людям противопоказано) займёт 50 дней.
Весь полёт займёт порядка 30 лет в один конец.

Если допустить полёт по схеме 2-х поколений (ребёнок в 10 лет вылетает с родителями, завершает полёт в 70), то можно вернуться обратно, но путь займёт уже 60 лет.

В один конец можно долететь до Бернарда и Лумана-16.

Выводы:
1. Для сверхбыстрых (по времени сравнимых с пересечением океана в эпоху великих открытий) перемещений по солнечной системе уже важен не расход рабочего тела двигателя, а расход топлива в реакторе.
2. Единственный вариант двигателя, который обеспечит недельные полёты между соседними планетами - термоядерный реактивный двигатель, в котором нет преобразования энергии - вся энергия в реакции идёт на тепловой разгон продуктов синтеза, которые и являются расходуем телом для создания реактивной силы.
3. Получение удельного импульса выше 16000 км/с не реально при текущих законах физики (может придумают кварковый реактор, тут была новость, что-то сделали с кварками и получили 138 МэВ (но сами ученые не верят в это) на барион, это теоретически даёт удельный импульс до 80000 км/с). Реально применимый импульс для обеспечения требуемых ускорений будет ниже, за счет увеличения расхода.
4. Без разрыва пространства/времени человеку (отдельному индивиду, человечеству возможно) на термоядерной энергии долететь до соседней звезды и вернуться обратно нельзя. В один конец до одной из 3-х ближайших систем можно.