А. Барбараш
| Вид материала | Документы |
| 4.4.2. Минусы фотонной ракеты 4.4.3. Электрореактивный двигатель |
- А. Барбараш, 962.67kb.
- А. Барбараш, 603.56kb.
- А. Барбараш, 330.49kb.
- А. Барбараш, 648.45kb.
- А. Барбараш, 847.29kb.
- А. Барбараш, 488kb.
- А. Барбараш, 618.74kb.
- А. Барбараш, 1803.36kb.
- А. Барбараш, 457.34kb.
4.4.2. Минусы фотонной ракеты
Многие учёные связывают возможность межзвёздных перелётов с использованием фотонных ракет [Зенгер, 1958; Соколовский, Шилов, 1960], в которых источником энергии служит процесс аннигиляции вещества и антивещества.
Продуктом аннигиляции становятся кванты излучения, которые могут отбрасываться параболическим зеркалом и создавать реактивную силу. Достоинством фотонных ракет является предельно высокая скорость истечения, что, теоретически, позволяет разгонять корабль до околосветовых скоростей.
На рис. 4.3 приведен эскиз фотонной ракеты, иллюстрирующий представление о таких аппаратах, сформировавшееся к концу 50-х годов 20-го столетия.
Рис. 4.3. Эскиз фотонной ракеты
[Соколовский, Шилов, 1960]
Этот эскиз соотносится с современными представлениями о фотонной ракете почти так же, как рисунок корабля Н.И. Кибальчича – с проектом шатла. Более поздние работы (например, [Бурдаков, Данилов, 1980]) показали, что, с учётом неизвестных ранее факторов, облик фотонной ракеты должен существенно усложниться. В частности, выяснилось, что аннигиляция протекает отнюдь не мгновенно, а это резко увеличивает размеры параболического зеркала
Стало ясно, что создание фотонной ракеты связано с очень большими трудностями.
Во-первых, трудно подготовить большое количество антивещества, необходимое для полёта. Даже при высоком коэффициенте полезного действия (КПД) процесса, на что трудно рассчитывать из-за физических ограничений, на его выработку требуется баснословное количество энергии. Исключительно трудно сохранять полученное антивещество и доставлять его к звездолёту, так как оно аннигилирует при соприкосновении с любыми молекулами обычного вещества.
Предположим, что твёрдое или жидкое антивещество удастся хранить, подвесив в вакууме с помощью волновых полей. Но даже то ничтожное количество газа, какое остаётся при наилучшем доступном современной технике вакууме, вызывает паразитную аннигиляцию хранимого антивещества, при которой уже не удаётся справиться с нагревом.
(Антивещество нельзя охлаждать никаким охлаждающим агентом, так как контакт с ним вызывает аннигиляцию. Возможно охлаждение за счёт теплового излучения, но это противоречит желанию использовать в качестве антивещества наиболее простые молекулы антиводорода или антигелия и хранить их при криогенных температурах, при которых тепловое излучение как раз предельно мало. Антивещество может охлаждаться и собственным испарением, но образовавшийся газ тут же будет аннигилировать от соприкосновения со стенками хранилища и вызывать сильнейший нагрев.)
Во-вторых, мешает многоступенчатость процесса аннигиляции и его заметная длительность. Протоны и антипротоны превращаются сначала в -мезоны, потом в -мезоны, в электронно-позитронные пары и, наконец, в кванты излучения. За время этих стадий процесса частицы успевают разлететься на несколько километров. При этом -мезоны и -мезоны временно образуют мезаатомы, которые, как и кванты излучения, не фокусируются магнитным полем. Их может фокусировать только зеркало многокилометрового размера.
В-третьих, проблематично создание для фотонной ракеты параболического зеркала с высоким коэффициентом отражения. Лучший из известных отражателей – полированный алюминий – при длине волны 0,2 мкм (характерной для излучения аннигиляции) поглощает 60% падающих лучей. Ожидают более высокого отражения от сверхплотного потока электронов [Бурдаков, Данилов, 1980], но проблематично формирование из него параболического зеркала соответствующего многокилометрового размера.
Чтобы сформировать подобное гигантское зеркало, нужны сверхмощные источники электронов. А, представьте, как сложно создать магнитные поля, способные придать многокилометровому зеркалу параболическую форму! Да ещё, сколько дополнительного вещества нужно взять с собой, чтобы компенсировать электрический заряд корпуса корабля, возникающий из-за сверхмощной электронной эмиссии?! Ведь эта компенсация должна осуществляться путём выброса столь же мощной в электрическом смысле (а по массе – в 1836 раз большей) струи протонов.
Учитывая трудности создания фотонной ракеты, ниже рассмотрен более простой и реалистичный вариант межзвёздного корабля, основанный на принципах, которые либо уже воплощены в действующие устройства, либо успешно осваиваются институтами разных стран.
4.4.3. Электрореактивный двигатель
Если отойти от принципа фотонной ракеты с её предельной скоростью реактивной струи, равной скорости света, то ближайшим по этому параметру устройством окажется электрический реактивный двигатель, способный развивать околосветовую скорость вещества на выходе сопла [Гришин и др., 1975; Морозов, 1978]. В этом случае реальную скорость истечения лимитируют не параметры реактивного двигателя, а ресурсы используемого энергоносителя.
Идею создания электрического реактивного двигателя (ЭРД) впервые высказал в 1911 г. К.Э. Циолковский. Сущность её в том, что заряженные частицы (например, ионы) можно разгонять до очень высоких скоростей с помощью электрического поля. Это позволяет намного повысить скорость истечения вещества из сопла реактивного двигателя по сравнению с обычными ракетами, напрямую использующими энергию химических реакций. Эффективность двигателя зависит от скорости истечения реактивной струи, поэтому использование ЭРД является одним из важнейших направлений развития ракетной техники.
Большой шаг в практической разработке ЭРД сделал Валентин Петрович Глушко, памятник которому поставлен на родине, в г. Одессе. В 1929 г. он развил идею электрического реактивного двигателя в работе “Металл как взрывчатое вещество”. Параллельно В.П. Глушко создал и испытал (1929-1932 г.г.) первые наземные прототипы таких двигателей. Двигатели оказались удачными, но работы пришлось прекратить, т.к. известные в то время физические принципы не позволяли создать на борту ракеты источники электроэнергии необходимой мощности.
После запуска первых спутников Земли интерес к электрическим реактивным двигателям возродился. Возникли принципиально новые источники энергии – солнечные батареи и длительно работающие электрогенераторы на основе расщепляющихся ядерных материалов. Это позволило применить электрические реактивные двигатели в длительно функционирующих космических аппаратах.
Рис. 4.4. Общий вид одной из моделей импульсного ЭРД.
Впервые ЭРД были практически использованы в СССР в системе ориентации аппарата „Зонд-2”. Появился ряд разнообразных типов таких двигателей. Они были использованы, например, в аппаратах „Янтарь”, „Метеор”, „ВЗА”, в ряде зарубежных моделей.
На рис. 4.4 показан общий вид импульсного, так называемого „пинчевого” ЭРД1, разработанного в США. Каждый импульс реактивной струи получает энергию от разряда одного из двенадцати конденсаторов, окружающих на рисунке расположенное в центре сопло. У этой модели скорость реактивной струи на выходе сопла достигла 70 км/с (скорость газов на выходе сопел обычных ракет, сжигающих химическое топливо, обычно не превышает 5 км/с).
Конечно, для межзвёздного корабля нужны иные модели двигателей – намного более мощные, надёжные и эффективные, с более высокими скоростями истечения вещества. В конструкциях сегодняшних двигателей улучшение параметров лимитировано длиной траектории разгона ионов и мощностью энергетической установки, т.е. ограничениями, вполне преодолимыми у звездолёта.
Создание звездолётных ЭРД – сегодня уже задача не столько научная, сколько инженерная [Гришин и др., 1975; Морозов, 1978]. В нескольких разработках опыты подтвердили возможность разгона вещества реактивной струи до скоростей, близких к скорости света.
Вещество, истекающее из сопла ЭРД, обычно представляет собой положительно заряженные ионы, а в пределе – положительно заряженные ядра атомов, лишённые электронных оболочек. Как и при эмиссии электронов, создающих параболическое зеркало фотонного звездолёта, должна предусматриваться компенсация электрического заряда корпуса корабля. Выбрасывание космическим кораблём только лишь положительных ионов создало бы на его корпусе отрицательный потенциал, тормозящий реактивную струю. Поэтому одновременно с формированием струи положительных ионов конструкторами ЭРД всегда предусматривается и другая операция – создание струи отрицательно заряженных электронов.
Серьёзной реактивной силы струя электронов не создаёт, поскольку они обладают, по сравнению с ионами, в тысячи раз меньшей массой. С другой стороны, формирование электронного пучка не вызывает трудностей. Схема электронного ЭРД в общих чертах напоминает электронный прожектор хорошо известного кинескопа, с той лишь разницей, что высокие градиенты электрического поля и высокая плотность тока создают условия для автоэмиссии электронов, так что подогрев катода становится ненужным.
В разработках ЭРД получили распространение так называемые мегаамперные ускорители. Подобные устройства потенциально являются мощным оружием, из-за чего журнальные публикации не отражают истинного уровня современных разработок. Однако известно, что давно и намного превзойдены токи в пучке порядка 3·105 А при мощности 1012–1013 Вт в импульсе.
Среди наиболее перспективных разработок ЭРД привлекают внимание двигатели на основе так называемых коллективных методов ускорения. Например, внутри кольцевого пучка электронов, разогнанных до высоких скоростей, формируется более медленный поток положительных ионов. Такая структура реактивной струи устраняет мешающее воздействие заряда ионов на фокусировку ионного пучка, что позволяет сохранять его компактность и увеличивает реальную скорость истечения. В опытном образце двигателя поток ионов азота разгонялся до энергии в 60 МэВ внутри кольцевого удерживающего пучка электронов, разогнанных до субсветовой скорости [Бурдаков, Данилов, 1980].
Интересно, что в названных экспериментах скорость ионов уже превысила реальные потребности реактивных двигателей межзвёздных кораблей, поскольку удельное энергосодержание наилучших энергоносителей (кроме антивещества) не позволяет разгонять 100% продуктов их сгорания до столь высоких скоростей.
Естественно, что параметры двигателя должны оптимизироваться в соответствии с общей концепцией полёта. Желательно использовать в качестве вещества реактивной струи сами продукты „сгорания” энергоносителя, а это определяет величину отбрасываемой массы. Скорость струи должна быть такой, чтобы на выходе реактивного сопла кинетическая энергия продуктов „сгорания” энергоносителя равнялась (с учётом потерь) выделившейся энергии.
Таким образом, на многих космических аппаратах уже сейчас широко используются маломощные электрореактивные двигатели разных моделей, а в лабораториях и на испытательных стендах, хотя и для других (военных) целей, отрабатываются прототипы особо мощных двигателей будущих межзвёздных кораблей.