Вторник, 23.10.2018, 02:58

Идеи

Меню сайта
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Календарь
«  Апрель 2012  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
30

Блог

Главная » 2012 » Апрель » 2 » Тяговые системы открытого космоса
23:32
Тяговые системы открытого космоса
Техника-молодежи № 11 за 1973 г.

ПРОБЛЕМЫ И ПОИСК

Тяговые системы открытого космоса
А. Владимов

У ракетных двигателей - химических и проектируемых ядерных - есть одна общая особенность: они подобны путнику несущему на плечах весь необходимы ему запас пищи, питья и 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.

Насколько пуста космическая пустота?

Абсолютной пустоты нет нигде. И по величине средней плотности рассеянного вещества различаются околосолнечное, межзвездное и галактическое пространство.
В пределах нашей планетной системы основной источник частиц и электромагнитных изучений - 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 разряженном 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, а внутри ионизированных подчас возрастает на 2-3 порядка.
Сведения о межгалактической среде весьма скудны. Считается, что она заполнена очень разреженным газом (примерно 10-7 атомов 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, лауреата Нобелевской премии Х. Альвен считает: в принципе можно извлечь энергию из перепадов напряжений в магнитосфере Земли, а также и солнечного ветра. В последнем случае корабль может "плыть под напором солнечного ветра", приобретая скорость примерно тог 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.
Турбокомпрессорные ВРД при годен 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.

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

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

Перед нами чечевицеобразный диск, обитый 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 на внешний, 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 действие магнитного ил электростатического полей набегающий межзвездный газ частично ионизируется, протоны фокусируются магнитным полем и ускоряются при проходе отрицательно заряженного электронного облака.

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.

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 воздействую 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 моно полностью перевести на "подножный корми".
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 огромные, 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 Е=мс2.
Создание фотонного двигателя обычно связывают с процессом аннигиляции материи и антиматерии, например взаимодействием электрон-позитронной пары, дающими 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 же воспользовался преимуществами прямоточного принципа (рис. 6). (см прим. ниже)

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

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

Роль зеркала играет доскообразное электронное облако, удерживаемое магнитным и электрическим 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 и 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. Тли откроют новые закономерности вселенной, которые в каких0то 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.

Рисунки Р. Мусихиной.

----------------------------------------------------------------------------------

Комментарий от "Горизонта возможного"

По всей видимости, автор статьи случайно или явно ("секретность"?) путает авторов идеи. Описанная идея прямоточного фотонного аннигиляционнго звездолета (ПФАЗ) с электронным зеркалом - это идея не Бассарда, а русского профессора Валерия Бурдакова в 70-х активно работавшего на наш сверхсекретный космос. Несколько позже, в 1980-м выйдет его и Ю. Данилова книга "Ракеты будущего" где автор более детально опишет свою анигиляционную прямоточку. И только спустя годы в "ТМ" № 7 за 2006 г. Бурдаков расскажет, что к идее термоядерной космической прямотоки он пришел еще в 50-х (независимо от Бассарда?) и с тех пор постоянно к ней возвращался, пытаясь усовершенствовать.

Американский физик-ядерщик Роберт Бассард (Robert W. Bussard 1921-2007) в 1960-м предлагает только первоначальную идею: собирать межзвездный водород и сжигать его в термоядерном двигателе получая тягу. Благодаря неутомимому Карлу Сагану этот гипотетический двигатель становится популярной идеей, фантасты всего мира вооружают им своих героев. Самое известное произведение о полете межзвездной прямоточки - повесть Пол Андерсон "Тау-Ноль" выходит в 1970-м. С тех пор прямоточный двигатель везде в мире именуют системой Бассарда (у нас встречается перевод фамилии как "Буссард" и даже "Буссар")

Сейчас, как и много лет назад, идея такого межзвездного корабля продолжает будоражит умы. Но с самого момента своего появления (пол века назад!) она являлась целым клубком неразрешенных научно-технических проблем. Поэтому в 70-х появляется целая серия более скромных усовершенствований, позволяющих хоть и в обрезанном виде но воплотить концепцию Бассарда в жизнь.

Например, "папа" британского проекта "Дедал" Ален Бонд разрабатывал проект RAIR. Его авторы рассчитывали использовать для разгона корабля межзвездный водород как рабочую массу, а не источник энергии (о таком решении рассказывается и в данной статье). Были и другие идеи.
Но, насколько мне известно, только Валерий Бурдаков предложил использовать антиматерию в сочетании с прямоточкой, которая к тому же формирует и электронное зеркало. То есть прямоточный фотонный звездолет на антиматерии - это идея из СССР. Можно спорить о ее ценности. Но мало сомнений, что это наша и только наша идея. Приписывать ее Бассарду (который к тому времени и думать уже о подобном забыл) видимо будет не вполне справедливо.

А. Семенов.
Категория: Летательный аппарат | Просмотров: 2061 | Добавил: Tribus | Теги: Тяговые системы открытого космоса | Рейтинг: 0.0/0