А. Барбараш

Вид материала

Документы

Содержание 4.4.4. Энергетика корабля

Подобный материал:

• 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.

4.4.4. Энергетика корабля

Но что даст двигателям корабля нужную энергию, если не ориентироваться на использование антивещества?

Известно, что при термоядерной реакции синтеза гелия из водорода [Кравцов, 1974; Ситенко, 1983] на 1 кг гелия выделяется 6,45•10¹¹ кДж энергии [Бурдаков, Данилов, 1980]. Этот источник энергии настойчиво и достаточно успешно осваивается международными научными коллективами, поскольку в недалёкой перспективе именно он должен спасти Землю от энергетического голода.


Одной из положительных сторон процессов термоядерного синтеза, по сравнению с расщеплением урана, является меньшее порождение радиоактивных веществ. При расщеплении урана значительная часть выделяющейся энергии приходится на радиоактивные осколки атомных ядер. В противоположность этому, обычный термоядерный синтез гелия из водорода рождает только быстрые нейтроны и -частицы (ядра гелия), которые не радиоактивны. В смысле возникновения новой радиоактивности, при термоядерном синтезе на первый план выходит второстепенная причина – наведенная радиоактивность конструкционных материалов реактора, возникающая из-за трансмутаций ядер под воздействием быстрых нейтронов. Однако исследования показали, что правильный подбор веществ позволяет свести эту радиоактивность к очень низкому уровню.


Для протекания реакции термоядерного синтеза нужна температура вещества порядка 50–100 миллионов кельвинов и высокая плотность. Совместно, эти параметры должны обеспечить сближение и столкновение ядер атомов вопреки их электростатическому отталкиванию. Разрабатываются два главных пути реализации термоядерного синтеза:

– нагрев плазмы электрическим током с одновременным сжатием её магнитным полем и

– сжатие (с одновременным нагревом) таблетки вещества сфокусированными лучами лазера.

Первый способ более удобен для генерирования электроэнергии, отчего ему уделяется больше внимания (хотя для космического корабля ничуть не хуже и второй путь).

На рис. 4.5 показана схема реактора-токамака (токамак – тороидальная камера с магнитным полем), реализующего один из вариантов первого способа. Идею подобного реактора предложили в 1950 г. А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм. Позднее значительные усовершенствования внесли Л.А. Арцимович и его коллеги из Института атомной энергии им. И.В. Курчатова. После опубликования этих (ранее секретных) работ к ним присоединились исследователи других стран.





Рис. 4.5. Схема реактора-токамака

для управляемого термоядерного синтеза.


Кольцеобразный плазменный шнур, в котором протекает реакция, находится внутри тороидальной камеры токамака и разогревается током, индуцируемым с помощью трансформатора, расположенного в центре тора. Магниты тороидального поля удерживают плазму в сжатом состоянии, а магниты вертикального поля обеспечивают устойчивое положение шнура относительно тороидальной камеры.

За прошлые десятилетия конструкция токамаков интенсивно совершенствовалась. В разных странах создавались исследовательские реакторы со всё более высокими параметрами.

Главной трудностью, которую пришлось преодолевать, явилось нестабильное поведение сжатой плазмы при высоких температурах (возникает турбулентный перенос частиц поперёк силовых линий магнитного поля). Поэтому можно понять чувства исследователей, работавших на мощном экспериментальном реакторе JET (Joint European Torus), когда, наконец, оказалось, что „полученный результат полностью соответствует ожидаемым расчётным характеристикам” [Конн и др., 1992].

Это, конечно, не означало, что исследователями была получена устойчивая самоподдерживающаяся термоядерная реакция с высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Однако можно, как минимум, сказать, что был пройден этап неуверенных поисков правильного пути, и исследование стало всё больше переходить в область инженерных разработок.

По сообщениям прессы, в 2005 г. должен вступить в строй международный исследовательский реактор-токамак ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), разрез которого показан на рис. 4.6. Он должен стать „предпоследним шагом к освоению термоядерного синтеза”. Предполагается, что исследования на нём займут 13–15 лет, после чего, если не встретятся новые трудности, можно будет приступить к созданию первого промышленного реактора.




Рис. 4.6. Международный проект реактора-токамака ITER.


Существенным дополнением к работам по управляемому термоядерному синтезу стали успехи по реализации высокотемпературной сверхпроводимости, обещающие существенно повысить КПД энергетических установок. Это важно потому, что для космического корабля утилизация или отвод в пространство значительных количеств отходов низкотемпературного тепла может представить собой довольно неприятную задачу.


* * *

Чтобы узнать крейсерскую скорость межзвёздного корабля, нужно сначала прояснить ряд других вопросов. Какую схему имеет корабль как ракета? Если он является многоступенчатой ракетой, то сколько у него ступеней? На сколько разгонов и торможений должен быть рассчитан запас горючего? Какой процент стартовой массы корабля отведен на горючее и каков итоговый КПД его использования? Какой процент стартовой массы корабля должен вернуться на родину (и должен ли вернуться)?

Может быть и так, что экспедиция предусматривает возвращение корабля на родину, и тем ни менее, корабль не берёт с собой горючее для обратного пути. Посылая межзвёздную экспедицию, высокоразвитая цивилизация заранее изучит планетную систему, куда полетит корабль. Если подготавливалась экспедиция в Солнечную систему, то организаторы должны были знать о планетах-гигантах с их сверхмощными атмосферами. Ведь достаточно кораблю описать несколько витков на низкой орбите спутника Юпитера, Урана или Нептуна, чтобы вдоволь запастись водородом для термоядерного реактора. Атмосферы этих планет содержат молекулярный водород, а также метан, из которого можно выделять водород химическим путём.

Наконец, можно запастись водородом даже в атмосферах Венеры или Земли. В земной атмосфере с высотой увеличивается процентное содержание молекулярного водорода. В атмосфере Венеры содержится приблизительно по 0,1% аммиака и паров воды, из которых легко может быть выделен водород. Это, конечно, не столь сказочные, как на Юпитере, но вполне достаточные для космических полётов запасы термоядерного горючего. Причём, такую ситуацию нельзя считать уникальной. Планеты других звёзд, вероятно, обеспечены водородом примерно в такой же степени.

Исходя из подобных соображений, не станем и мы учитывать горючее для обратного пути. Примем, что корабль является одноступенчатой ракетой, что он несёт горючее на один разгон и одно торможение, и что в сумме оно составляет 50% от стартовой массы корабля. Тогда на разгон должно быть потрачено горючего 29,3% от стартовой массы, а на торможение – оставшиеся 20,7% (или 29,3% от массы корабля к началу торможения).


Применение многоступенчатой схемы и увеличение доли горючего повысило бы скорость полёта. Поэтому нужно пояснить, почему автор ориентируется на одноступенчатую ракету и отводит под горючее всего половину стартовой массы корабля, тогда как в существующих ракетах горючее в несколько раз превышает вес „сухой” ракеты.

При двухступенчатом разгоне необходимо также и двухступенчатое торможение. Иначе говоря, только для полёта в одну сторону нужны четыре ступени, а с учётом обратного пути – восемь ступеней. Это сильно затруднило бы организацию обратного полёта, что и определяет целесообразность одноступенчатой ракеты. Тем более, что, с учётом трудоёмких работ по подготовке мёртвой планеты к „посеву” Жизни, повышение скорости полёта при двухступенчатой ракете ещё не избавляет от смены поколений экипажа и лишь несколько уменьшает их число.

Малая доля горючего в стартовой массе корабля объясняется наличием у него мощной броневой защиты от метеоритов.


Сегодня нет достаточных сведений для вычисления КПД силовой установки межзвёздного корабля. Главную энергию термоядерного синтеза (гелия из водорода) несут возникающие ядра гелия и часть (участвовавших в реакции и возвращающихся в неё) протонов. Предполагается, что их энергия используется достаточно полно. Значительной энергией обладают -кванты излучения. Энергию этих квантов тоже желательно использовать, но пока не ясно, в какой мере это удастся. Около 9% энергии безвозвратно уносится образующимся потоком нейтрино. Хорошо уже, что нейтрино практически не взаимодействуют с веществом корабля, и их энергия не переходит в тепло, которое нужно было бы отводить или утилизировать.

В перспективе, общий КПД преобразования энергии термоядерного горючего в энергию реактивной струи межзвёздного корабля можно оценить в 80%. Конечно, при существующей технике такой высокий КПД недостижим. Но ведь рассматриваются не наши, а принципиальные возможности! Недавно и высокотемпературная сверхпроводимость выглядела элементом фантастики, а сейчас уже ждём появления сверхпроводников в продаже!

При таком КПД весь гелий, образовавшийся из водорода, может быть разогнан в сопле электрореактивного двигателя до 10,7% от скорости света, т.е. до

W_c = 32000 км/с.


Разгон нейтральных атомов гелия до 32˙000 км/с для современной техники невозможен. (Правда, нейтральные атомы можно разогнать до высоких скоростей лазерным излучением, но этот метод пока мало изучен.) В электрореактивных двигателях атомы разгоняются до нужных скоростей электрическим полем, для чего они предварительно должны быть ионизированы, например, частично или полностью лишены электронных оболочек. Превращение атомов гелия в ионы тоже требует интенсивных электрических полей, так как электронные оболочки атомов гелия очень устойчивы. Но на межзвёздном корабле такая проблема не возникнет, так как термоядерный синтез создаёт не атомы, а лишь ядра атомов гелия, которые как раз и представляют собой максимально заряженные положительные ионы.

Поскольку периоды работы двигателей межзвёздного корабля составляют лишь единицы процентов от продолжительности полёта, общее энергоснабжение корабля нет смысла связывать с работой двигателей. Поэтому генератор энергии (реактор термоядерного синтеза), обслуживающий электрореактивный двигатель, может быть слит с ним в единый агрегат. Надо думать, между реактором и двигателем, в схему агрегата войдёт и некий сепаратор в виде грубого масс-спектрографа, отделяющего синтезированные ядра гелия от других частиц плазмы. На вход агрегата должно поступать термоядерное горючее – водород, а на выходе должна формироваться мощная струя ядер гелия в окружении кольцевого пучка электронов.

Таким образом, движущая установка межзвёздного корабля, вероятнее всего, будет представлять собой агрегат, объединяющий три устройства – реактор термоядерного синтеза, масс-спектрограф, отделяющий от „новорождённых” ядер гелия непрореагировавшие ядра водорода, с возвратом их в зону термоядерной реакции, а также собственно электрореактивный двигатель. Для создания возможности маневрирования, агрегат может включать в себя не один, а, скажем, пять автоматически переключаемых электрореактивных двигателей – один центральный и четыре крестообразно расположенных боковых двигателя.


Скорость корабля, достигнутая в конце разгона (без учёта пренебрежимо малых в данном случае эффектов теории относительности), определяется известной формулой:

V_k = 2,303·W_c·lg M_o/M_k ;

где V_k – скорость корабля в конце разгона;

W_c – скорость истечения вещества из сопла двигателя;

M_o/M_k – отношение стартовой массы корабля к его массе в конце разгона.

Отсюда для нашего случая:

V_k = 2,303·32'000·lg 1/0,707 = 11'000 км/с.

Следовательно, крейсерская скорость корабля составит 3,67% от скорости света. Один световой год соответствует расстоянию в 9,4605·10¹⁵ м. Будем считать, что на разгон и торможение корабля затрачивается дополнительно 5% времени. Тогда, с учётом указанной крейсерской скорости, полёт в одну сторону на расстояние в 1 световой год займёт 28,6 лет.