Желательно смотреть с разрешением 1280 Х 800


"Техника-молодежи", 1973, №11, с. 7-9.
Сканировал Игорь Степикин

ПРОБЛЕМЫ И ПОИСКИ

Тяговые системы открытого космоса
А. ВЛАДИМОВ

  • У ракетных двигателей — химических и проектируемых ядерных — есть одна общая особенность: они подобны путнику, несущему на плечах весь необходимый ему запас пищи, питья н воздуха. Космический корабль с тяговой системой такого рода ограничен в своих возможностях. Он в состоянии менять траекторию полета лишь до тех пор, пока не израсходует все бортовые ресурсы массы и энергии. С этого рокового момента он становится неуправляемым телом, летящим под действием полей тяготения. Дальность активного полета даже с ядерным двигателем слишком мала по сравнению с размерами открытого космоса.
  • А между тем устройство вселенной, действующие в ней физические законы не запрещают строить принципиально иные тяговые системы, способные черпать из внешних источников энергии и вещества.


    Рис. 1. Схема гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя и гипотетический внешний вид летательного аппарата с таким двигателем.



    Рис. 2. Корабль для полета в межзвездной среде. В его конструкции использован принцип действия прямоточной тяговой системы.



    Рис. 3. Еще одна межзвездная каравелла. Разгон частиц происходит не внутри, а вне летательного аппарата. Тяга передается на него через электронное облако и магнитное поле, которые связаны с кораблем.



    Рис. 4. Схема аппарата с ионизирующим лучом. Тяга создается ускорением частиц в магнитном поле. Попутно решается проблема защиты от встречных микрометеоритов.



    Рис. 5. Космический корабль с фотонной тягой. Диаметр отражающего металлического зеркала может достигать 250 м.



    Рис. 6. Согласно идее Р. Бассарда фотонную тягу можно получить и по прямоточной схеме; отражающее зеркало формируется из электронов.



    Рис. 7. Режимы полета от солнечной системы к окрестностям другой звезды и обратно: А - четырехэтапный полет, В - шестиэтапный полет. Рис. Р. Мусихиной

    Насколько пуста космическая пустота?

  • Абсолютной пустоты нет нигде. И по величине средней плотности рассеянного вещества различают околосолнечное, межзвездное и галактическое пространства.
  • В пределах нашей планетной системы основной источник частиц и электромагнитных излучений — Солнце. Из его недр непрерывно извергается плазменный поток, именуемый солнечным ветром. Его средняя плотность — до 10 протонов и электронов в 1 куб. см. Но периодически во время вспышек наше светило выбрасывает мощные потоки заряженных частиц. И тогда плотность отдельных участков межпланетного пространства возрастает во много раз.
  • Межзвездная среда нашей Галактики заполнена водородом в разреженном состоянии и мелкими пылевыми частицами. Есть еще нейтральные (водородные) и ионизированные (протонно-электронные) облака. Они разбросаны хаотически и занимают не более 10% межзвездного пространства. Плотность вещества в нейтральных облаках та же, что и в пределах солнечной системы, а внутри ионизированных подчас возрастает на 2—3 порядка.
  • Сведения о межгалактической среде весьма скудны. Считается, что она заполнена очень разреженным газом (примерно 10-7атома водорода в 1 куб. см). В земных условиях надо затратить немало усилий, чтобы получить такую пустоту. Однако и этот глубокий вакуум далеко не бесполезен для создания тяги. К тому же громадные скорости полета кораблей в открытом космосе скомпенсируют высокую разреженность пространства.
  • Как видим, вещество есть везде. Надо лишь научиться применять его в качестве рабочего, тела тяговых систем. Что касается энергии, то ее источников много. Звезды типа Солнца, пульсары, квазары, ионизированные облака — все это генераторы космических частиц, теплового излучения, электростатических и электромагнитных полей.
  • Шведский физик, лауреат Нобелевской премии X. Альвен считает: в принципе можно извлечь энергию из перепадов напряжений в магнитосфере Земли, а также из солнечного ветра. В последнем случае корабль может «плыть под напором солнечного ветра», приобретя скорость примерно того же порядка.

    Авиация подсказывает

  • Тяговые системы, засасывающие вещество извне, давным-давно существуют. Это воздушно-реактивные двигатели (ВРД), применяемые в авиации. Кислород воздуха идет на сжигание запаса топлива. Выбрасываемые с большой скоростью продукты сгорания и создают тягу.
  • Турбокомпрессорный ВРД пригоден для полета в атмосфере со скоростями до 1,5—2 км/сек. Для более быстрого полета нужен двигатель другого типа, например гиперзвуковой прямоточный (рис. 1). Его размеры и геометрия таковы, что летательный аппарат становится, по сути, крылатым двигателем.
  • У гиперзвукового прямоточного ВРД есть один недостаток: его самого предварительно надо разгонять до некоторой скорости. Зато дальше, вплоть до первой космической скорости у него нет конкурентов среди воздушно-реактивных двигателей. Его тяга равна разности импульсов выбрасываемого и входящего вещества.

    Протонные прямоточные

  • Принцип действия ГПВРД можно распространить и на межзвездную среду. Только роль ускоряемых частиц будут играть не атомы воздуха, а ядра водорода — протоны. Для этого газ придется предварительно ионизировать, затрачивая некоторую энергию, запасенную на борту летательного аппарата. Проект корабля с такой тяговой системой показан на рисунке 2.
  • Перед нами чечевицеобразный диск, обвитый по наружной кромке сверхпроводящим кольцом. Охлаждать кольцо можно за счет испарения с его поверхности жидкого гелия. В передней части нашей «летающей тарелки» — коротковолновые излучатели — ионизаторы межзвездного газа. Ток сверхпроводящего кольца создает магнитное поле, фокусирующее заряженные частицы. Они засасываются в двигатель, состоящий из сжимающего диффузора и ускорителя протонов. Разогнанные до большой скорости частицы выбрасываются из задней части диска и создают тягу.
  • Стало быть, энергетика корабля опирается и на внешние, и на бортовые источники вещества. Однако количество гелия на охлаждение токового кольца и на работу ионизатора во много раз меньше массы ионизируемого газа, а он-то и выполняет роль рабочего тела тяговой системы.
  • Ускорять частицы можно и без диффузора — непосредственно электростатическим и магнитным полями, взаимодействующими между собой. В этом случае токовое кольцо следует установить в плоскости, перпендикулярной линии полета (рис. 3). В той же плоскости линейный ускоритель создает электронное облако, а кольцо и весь корабль приобретают противоположный, положительный заряд. Под действием магнитного и электростатического полей набегающий межзвездный газ частично ионизируется, протоны фокусируются магнитным полем и ускоряются при проходе отрицательно заряженного электронного облака.
  • Система довольно необычная: разгон частиц рабочего тела происходит не внутри, а снаружи космического аппарата. Интересно проследить, каким путем тяга передается на корабль. Ускоренные частицы реактивно воздействуют на электронное облако, а от него через удерживающее его магнитное поле тяга передается токовому кольцу, жестко связанному с кораблем. Надо полагать, токовое кольцо будет достаточно солидной конструкцией, а не просто проводником.
  • Для разгона корабля может пригодиться не только газовая, но и пылевая среда. При этом попутно решается проблема защиты от встречных микрометеоритов. Идею впервые высказал Ф. Цандер. Возможная схема корабля показана на рисунке 4. Проводящие твердые частицы ускоряются бегущим магнитным полем, а непроводящие предварительно заряжаются статическим электричеством — например, за счет облучения электронами. Бортовые запасы энергии необходимы и тут. Но, меняя конструкцию тяговой системы, ее можно полностью перевести на «подножный корм».
  • Электростатический ее вариант требует, чтобы всему корпусу корабля был сообщен определенный заряд. Только он должен быть очень большим, поскольку все известные природные космические тела — Земля, Луна и другие — заряжены слабо. Возможные средства для решения задачи — электрические генераторы, бортовые протонные и электронные ускорители.
  • А для создания собственных магнитных полей тяговые системы следует оснащать сверхпроводниковыми контурами или мощными генераторами электротока. Идея взаимодействия магнитного поля корабля с межпланетной плазмой ныне оценивается как наиболее реальная.

    Фотонная тяга

  • По-видимому, дальние космические полеты вряд ли осуществимы без фотонного двигателя: межзвездные расстояния огромны, для их преодоления надо лететь со скоростью, максимально приближающейся к скорости света. А чтобы достичь субсветовых скоростей, необходимо реализовать стопроцентное превращение бортовой массы в энергию в соответствии с формулой E=mc2.
  • Создание фотонного двигателя обычно связывают с процессом аннигиляции материи и антиматерии, например взаимодействием электрон-позитронной пары, дающим кванты электромагнитного излучения (фотоны). Проблема производства и хранения антивещества сегодня еще не решена. Однако уже сейчас некоторые авторы описывают принципы решения столь трудной задачи.
  • Другая трудность состоит в получении направленного и сфокусированного излучения. Для этого надо располагать зеркалом, способным, не испаряясь, отражать мощные потоки фотонов. Трудно сказать, удастся ли добиться успеха с помощью жесткого металлического отражателя (рис. 5).
  • А не попытаться ли сделать зеркало газообразным? Именно к такой идее пришел американский ученый Р. Бассард. Выбирая схему двигателя, он к тому те воспользовался преимуществами прямоточного принципа (рис. 6).
  • Роль зеркала играет дискообразное электронное облако, удерживаемое магнитным и электростатическим полями. Плотность электронов в облаке должна быть порядка 109 в 1 куб. см, то есть гораздо выше, чем в металлическом проводнике. Площадь зеркала 10 тыс. кв. км — по космическим масштабам не так уж много. В реакцию аннигиляции вовлекаются частицы межзвездной среды, уплотненные фокусирующим магнитным полем. Антивещество хранится в бортовых аккумуляторах. Аннигиляция проходит через несколько стадий и в конечном счете ведет к рождению гамма-квантов. Отражаясь от электронного зеркала, они создают тягу.
  • Постройка фотонного двигателя позволит отправить экспедиции в бездонные глубины космоса на поиски братьев по разуму. Полет с возвращением к Земле можно провести в 4 или 6 этапов (рис. 7). Четырехэтапный полет займет меньше времени, но приведет к большему расходу антивещества. Зато в этом случае не будет периодов невесомости, что создаст более комфортабельные условия для экипажа.
  • Быть может, со временем люди постигнут сущность гравитации и научатся ею управлять. Или откроют новые закономерности вселенной, которые в каких-то случаях снимут ограничения, налагаемые теорией относительности. Тогда космические корабли прорвутся сквозь световой барьер в безбрежный океан пространства — времени, как некогда отправлялись Колумбовы каравеллы на поиски неведомых земель.