II

В поисках двигателя

Силовые установки космических кораблей

Г

рандиозны бездны Галактики, отделяющие нас от других обитаемых миров. Но человек, становящийся господином Вселенной, думает не о неприступности звездных миров, а о тех трудностях, которые нужно преодолеть, чтобы совершить межзвездный прыжок.

Задача полета к звездам так сложна, что вполне естественным будет остановить наш выбор на планетах кратной звезды Альфа из созвездия Центавра; эта система, состоящая из трех самосветящихся звезд, ближайшая к нашей. Древние арабские астрономы называли эту систему звездой Толимак. Луч света идет от наименьшей из них, красноватой звездочки Проксима Центавра (Ближайшей Центавры) до Земли 4,27 года, а расстояние до нее в 270 тыс. раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, и составляет около 40 биллионов км. Насколько же оно велико? Человек обычно способен представить себе число до ста тысяч. После этого мы говорим — «много», не чувствуя самой величины. Поэтому в таких случаях следует прибегать к сравнениям.

Если уменьшить Солнечную систему так, чтобы она целиком уместилась на почтовой открытке, т. е. до диаметра 12 см, то при соответственном сокращении расстояний наша Галактика уменьшится в поперечнике до 9000 км, т. е. сможет разместиться примерно на территории Советского Союза. Поперечник нашей планеты Земли составит тогда менее ¹/₁₀ микрона, а Проксима Центавра отодвинется на расстояние 500 м от «открытки», лежащей перед нами. Если же «увеличить» Землю до размеров шарика диаметром 1 мм, то Проксима Центавра будет иметь размеры яблока, а расстояние между Солнцем и Проксимой составит около 2700 км.

Как велики межзвездные расстояния! Чтобы вырваться за пределы Солнечной системы, кораблю нужна «скорость освобождения» — около 16,7 км/сек относительно Земли, кстати, вполне достаточная для полетов за приемлемые сроки в Солнечной системе. Но, даже двигаясь со скоростью 20 км/сек по кратчайшему пути к Проксима Центавра, ракета достигнет этой цели примерно через 66 тыс. лет!

В действительности, поскольку Солнце вместе со своими планетами, и в частности с Землей, перемещается вокруг центра Галактики со скоростью около 200 км/сек, а скорость удаления ракеты от Солнечной системы (по ветви гиперболы) относительно невелика, ракета будет двигаться вокруг центра Галактики по орбите, которая мало отличается от орбиты Солнечной системы. Отклонение в сторону избранной звезды будет очень малым, и путь к звезде чрезвычайно удлинится. Таким образом, встреча ракеты со звездой будет почти столь же маловероятна, как встреча с этой звездой Солнца. В то же время известно, что за миллиарды лет своего существования, совершив множество оборотов вокруг центра Галактики, Солнце не встретилось ни с одной из звезд.

Многие поколения космонавтов сменились бы в ракете за 66 веков путешествия, а ведь нужно еще лететь обратно. Слишком уж продолжительным оказывается путешествие. Думается, что такие, особенно первые, пробные путешествия целесообразно осуществлять за срок творческой жизни человека. К тому же, если полет будет совершаться слишком долго, бурно развивающиеся на Земле наука и техника позволят за это время настолько усовершенствовать звездолеты, что новые корабли достигнут цели раньше, чем вернется первый разведчик. Добытые им сведения могут в значительной мере потерять свою ценность.

Очевидно, для сокращения сроков путешествия необходимо увеличить скорость полета. И поскольку мы имеем дело с расстояниями, которые луч света проходит за годы (от Солнца до Земли он доходит за 8 минут), потребуется создать аппараты, движущиеся со скоростями порядка скорости света, и обеспечить их энергетические потребности.

В ряде статей и брошюр, опубликованных в последнее время, приводятся многочисленные и часто различные результаты оценок характеристик звездолетов. Известно, однако, что окончательные результаты вычислений, без приведения хотя бы в общих чертах хода самих расчетов, обычно кажутся не очень убедительными. Кроме того, некоторым читателям, может быть, захочется самим выполнить расчет оценки возможностей звездолета для маршрута, который им представляется интересным.

Итак, оценивая перспективы использования реактивного двигателя любого типа, предлагаемого для галактического корабля, следует выяснить два принципиальных вопроса. Во-первых, может ли этот двигатель обеспечить скорость полета, сравнимую со скоростью света. Для этого, как явствует из формулы К. Э. Циолковского, скорость истечения рабочего тела из камеры сгорания может уступать скорости света не более чем на один порядок, т. е. составлять хотя бы десятки тысяч километров за секунду. Во-вторых, возможно ли, используя предлагаемый двигатель, обеспечить энергетические потребности звездного корабля.

С этих позиций и следует оценивать возможности каждого из типов двигателей.

Обратимся прежде всего к рассмотрению принципов работы и некоторых особенностей разнообразных известных схем двигателей для космических кораблей, чтобы выбрать те из них, которые можно использовать для будущих межзвездных путешествий. Эти двигатели могут быть разделены, например по способу передачи тепла отбрасываемому из ракеты рабочему телу, на три группы (рис. 3).

1. Двигатели, у которых смесь, образующаяся в камере, служит одновременно источником тепла и рабочим телом (р. т.). При истечении рабочего тела (вещества) из сопла создается тяга ракеты.

2. Несколько сложнее двигатели, у которых источник тепла и рабочее тело разделены. В такой схеме рабочее тело нагревается, проходя, например, через атомный реактор.

Рис.3. Классификация двигателей космических аппаратов по способам передачи тепла рабочему телу

3. Наконец, еще сложнее двигатели, у которых между источником тепла и рабочим телом размещаются устройства, с помощью которых энергия передается рабочему телу.

Однако лишь некоторые из многообразных схем ракетных двигателей могут считаться принципиально пригодными для звездных кораблей.

Весовое совершенство силовой установки космического корабля можно охарактеризовать ее удельным весом γ_дв, т. е. отношением полного веса силовой установки (веса аппарата за вычетом веса полезного груза и топлива) к получаемой полной тяге двигателя. Принимаем, что это отношение сохраняется неизменным по мере уменьшения начального веса силовой установки (например, в связи со сбрасыванием опорожненных баков соответственно уменьшается тяга):

(2.1)

Удельный вес характеризует, в частности, и достижимое ускорение — темп разгона летательного аппарата, а следовательно, если его энергетические потребности обеспечены, определяет и время путешествия на определенное расстояние. При оценке двигателей нам придется обращаться и к другому важному параметру — так называемой удельной тяге Р_уд, т. е. тяге, которая может быть получена, если израсходовать в двигателе 1 кг топлива за 1 сек. Для вычисления удельной тяги нужно полную тягу двигателя (в кг) разделить на общий расход топлива в секунду:

(2.2)

Удельной тягой определяется удельный расход топлива G_т.уд Для создания 1 кг тяги, например, за 1 сек:

(2.3)

При определении удельной тяги двигателя надо учитывать также расход топлива, необходимый для привода устройств, обеспечивающих его работу. Например, у всех двигателей — для устройств, подающих рабочие тело, а у ионного двигателя, кроме того, на работу испарителей, ускорителей ионов и т. п.

Чем больше удельная тяга, тем меньше удельный расход топлива, т. е. выше экономичность двигателя. Иными словами, если на двух летательных аппаратах установлены два двигателя равной тяги, но различной удельной тяги, то при одинаковых запасах топлива аппарат с двигателем большей удельной тяги будет действовать дольше. Следовательно, он преодолеет большее расстояние. Увеличение удельной тяги позволяет уменьшить отношение начального, стартового веса аппарата к его конечному весу, а значит облегчает создание космического корабля.

Отметим также, что величина удельной тяги ракетного двигателя зависит от термического коэффициента полезного действия η_т, т. е. отношения кинетической (скоростной) энергии, сообщенной в двигателе рабочему телу, ко всей теплотворной способности топлива:

(2.4)
где v_р.т — скорость истечения рабочего тела, м/сек;

g — ускорение силы тяжести, м/сек²,

Н_u— теплотворная способность топлива, ккал/кг;

— механический эквивалент тепла, ккал/кгм.

Преобразование теплотворной способности топлива в кинетическую энергию истекающей струи происходит с потерями: часть тепла уносится с истекающим телом, а часть по тем или иным причинам не выделяется (неполнота сгорания).

Удельная тяга может быть подсчитана по уравнению:

(2.5)

Таким образом,

(2.6)

Следовательно, удельная тяга тем выше, чем выше теплотворная способность используемого горючего и термический к.п.д. Увеличение теплотворной способности топлива — один из наиболее эффективных способов увеличения удельной тяги. Например, при использовании ядерного горючего U-235, теплотворная способность которого 1,6-10¹⁰ ккал/кг, т. е. примерно в 2 млн. раз выше, чем любого химического топлива, количество полезно реализуемого тепла, по сравнению со случаем использования химического топлива, выросло бы примерно в 1400 раз. Однако ясно, что увеличение теплотворной способности горючего при его непосредственном использовании в камере сгорания аппарата возможно лишь до тех пор, пока удается справиться с задачей защиты от перегрева стенок камеры, в которой осуществляется процесс. В варианте двигателя, когда жидкий водород нагревается в ядерном реакторе, теплотворная способность ядерного горючего используется лишь в малой степени и удельная тяга увеличивается лишь примерно в 3 раза по сравнению с удельной тягой двигателя, работающего на самом эффективном химическом топливе.

Когда осуществление тепловой защиты стенок становится невозможным или конструктивно неосуществимым, приходится обращаться к другим схемам двигателей, не

Рис. 4. Удельные тяги, которые могут быть получены при использовании двигателей различных типов

требующим столь высокого нагрева. В противном случае, поскольку , а для достижения минимально необходимой скорости галактического корабля скорость истечения рабочего тела может уступать не более чем в 10 раз скорости света, удельная тяга, получаемая при отбрасывании рабочего тела, может уступать не более чем в 100 раз удельной тяге, получаемой при электромагнитном излучении. Уже в этом случае, как показывают расчеты, неизбежны чрезвычайные трудности по обеспечению энергетических потребностей звездного корабля. Задача принципиально упрощается, если тяга создается за счет непосредственного отбрасывания такого идеального рабочего тела для галактических кораблей, как электромагнитное излучение. Удельные тяги, которые могут быть получены при использовании двигателей разных типов¹, представлены на рис. 4.

¹Sutton G. P. «Journal of the Aero Space science», № 10, p. 609-625.

С учетом сказанного выше попытаемся представить себе перспективы использования некоторых двигателей для галактических кораблей.

Годятся ли современные ракеты?

Ракета в процессе работы ее двигателя представляет собой перемещающееся тело с убывающей массой. При этом в идеальном случае ракета не подвергается действию каких-либо внешних сил.

Более чем полвека назад К. Э. Циолковский установил, что конечная скорость ракеты возрастает с увеличением скорости истечения рабочего тела, например газов, из камеры ракеты и в меньшей степени — с увеличением отношения начального веса ракеты к конечному (т. е. к весу той части ракеты с полезным грузом, которая завершает полет):

(2.7)
где v_р.т — скорость истечения газов (рабочего тела) из камеры сгорания;

М₀ — начальная масса ракеты (на старте);

М_к — конечная масса ракеты;

«Когда масса ракеты,— писал К. Э. Циолковский, — плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся в реактивном приборе, возрастает в геометрической прогрессии, то скорость ракеты увеличивается в прогрессии арифметической»¹.

¹ Уравнение Циолковского определяет скорость ракеты при отсутствии воздействия на нее каких-либо внешних сил, так называемую характеристическую скорость ракеты.

Из формулы Циолковского следует, что если заполнить ракету топливом на 63%, т. е. когда ее начальная масса в 2,7 раза больше конечной, скорость полета ракеты достигнет лишь скорости истечения газов из ее сопла (так как ln 2,7=1).

Для дальнейшего увеличения скорости полета ракеты необходимо облегчать вес ее конструкции, увеличивая в то же время количество топлива на борту; тогда ракета разовьет скорость большую, чем скорость истечения газов.

Однако возможности увеличения отношения масс ограничены. В самом деле, обычное ведро, в котором носят воду, весит примерно 1 кг и вмещает около 14 кг жидкости, и, таким образом, для него соотношение масс всего лишь 15; железнодорожные цистерны вмещают по весу примерно в 13 раз больше топлива, чем весят сами. Для одноступенчатой ракеты такого соотношения масс добиться нельзя. Ведь ракета — это не просто летающий бак. Кроме горючего и емкостей для его размещения, большая доля веса ракеты должна приходиться на ее оболочку, подкрепленную специальными элементами. Ракета «плотно набита» многочисленными устройствами для хранения и подачи топлива в камеры сгорания мощных двигателей, для быстрого его сжигания, автоматами для управления и т. п.

Мощность силовых установок крупных современных ракетных аппаратов, создающих тягу более 100 т, достигает на наибольшей скорости полета первых ступеней, хотя и на короткий срок, нескольких миллионов лошадиных сил. Гидростанция такой мощности по своим масштабам приближалась бы к Куйбышевской. Основные и вспомогательные сооружения Куйбышевской ГЭС занимают территорию, на которой самая мощная современная ракета, имеющая длину несколько десятков метров, показалась бы лишь маленьким столбиком. А ведь мощность двигателей, втиснутых в сравнительно небольшой объем этой ракеты, может быть даже больше, чем мощность такой электростанции. Поэтому трудно ожидать, чтобы соотношение масс для одноступенчатой ракеты превысило 6-8.

Чтобы повысить количество запасаемого топлива по сравнению с конечным весом конструкции ракеты и груза, ее приходится делать в виде составного «тающего» поезда, т. е. создавать ракету из нескольких ступеней¹. В этом случае после использования топлива из первой ступени она сбрасывается, начинает работать двигатель следующей ступени и т. д.

¹ Идея применения составных ракет, позволяющих увеличить дальность полета, была впервые высказана К. Э. Циолковским в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» в 1924 г. Позже в работе «Космические ракетные поезда» (1929 г.) Циолковский создал теорию полета таких ракет.

Характеристическая скорость многоступенчатой ракеты равна сумме произведений скоростей истечения, умноженной на натуральные логарифмы от отношений начальной и конечной масс для каждой ступени. Можно показать, что если скорость истечения и отношение масс для каждой из ступеней одинаковы, то для достижения наибольшей характеристической скорости последней ступени (груза) ракеты начальные массы ступеней должны распределяться по закону геометрической прогрессии:

(2.8)
или (2.9)

где М₀₁, М₀₂ ....M_0n — начальные веса ступеней.

Характеристическая скорость такой ракеты из n ступеней будет выражаться зависимостью:

(2.10)
где Мп — масса полезного груза;

— постоянное для каждой ступени отношение масс;

n — число ступеней;

v_{р. т} — скорость истечения рабочего тела.

Можно показать,что в зависимости от отношения имеется оптимальное отношение числа ступеней, обеспечивающее минимальное отношение

Именно в таком многоступенчатом варианте удалось при современном уровне ракетной техники создать советскую межконтинентальную баллистическую ракету

Рис. 5. Зависимость максимально достижимой скорости полета ракеты, определенной по формуле Циолковского, от отношения масс и удельной тяги двигательной установки

со скоростью полета 25 тыс. км/час, затем разогнать спутники до скорости около 30 тыс. км/час и, наконец, запустить космическую ракету со скоростью около 40 тыс. км/час. Однако с увеличением числа ступеней ракета конструктивно все более усложняется, а выигрыш в скорости все уменьшается. Становится очевидным, что только увеличение скорости истечения рабочего тела и, в конечном счете, отыскание новых рабочих тел, позволяющих решить эту задачу, может обеспечить дальнейшее повышение скорости ракеты.

Пятьдесят лет назад, изыскивая пути очень большого увеличения скоростей ракет, К. Э. Циолковский писал, что «... если бы можно было достаточно ускорить разложение радия или других радиоактивных тел, каковы, вероятно, все тела, то употребление его могло бы давать при одинаковых прочих условиях такую скорость реактивного прибора, при которой достижение ближайшего солнца (звезды) сократится на 10-20 лет. Тогда, чтобы ракета весом в тонну разорвала все связи с солнечной системой, довольно было бы щепотки радия». В 1926 г. Циолковский замечает: «Разложение атомов есть источник огромной энергии...»¹.

¹ К. Э.Циолковский. Исследование мировых пространств реактивными приборами. Собр. соч., т.II.М., Изд-во АН СССР, 1954.

Достигнутые скорости истечения газов из камер химических ракет составляют для пороховых топлив приблизительно 2 км/сек, для современных жидких топлив — более 3 км/сек.

Наибольшая возможная скорость истечения при использовании химических топлив, как показывают расчеты, составляет около 5,5 км/сек. Таким образом, ввиду относительно небольших максимально возможных скоростей полета, ракеты на химическом топливе для полета за пределы Солнечной системы оказываются непригодными. Об этом свидетельствуют характеристики, приведенные на рис. 5, охватывающие весь возможный для химических ракет диапазон скоростей истечения газов и отношений масс вплоть до = 100 (для одного разгона, что для двух разгонов и двух торможений, т. е. для полета к цели и обратно, составит = 10⁸), а также на рис. 6, где представлены отношения начальной массы ракеты к массе ее полезной нагрузки при оптимальном числе ступеней, вычисленные по уравнению для случая, когда конструкция ракеты весьма совершенна: = 10 (соответствующее значение K≈0,67).

Рис. 6 Отношение начального веса ракеты к весу ее полезной нагрузки в зависимости от характеристической скорости при = 10 для каждой из ступеней (К = 0,67)

Не смогут обеспечить необходимых скоростей истечения и ракетные двигатели так называемых термических ракет, у которых рабочее тело прокачивается через атомный реактор, где оно разогревается и затем выбрасывается из сопла.

Даже если бы при такой схеме удалось использовать в камере двигателя термоядерную реакцию и обеспечить за счет разогрева газообразного рабочего тела скорость его истечения порядка 15 км/сек, то и тогда скорость полета ракеты с оптимальным числом ступеней, отношением масс в каждой ступени = 10 и отношением начальной массы к массе полезного груза = 10⁴ не превысила бы 150 км/сек. Однако и этого, конечно, совершенно недостаточно для полета к звездам.

Заманчивый, но неосуществимый проект

Рассмотрим возможности использования ядерной ракеты, тяга которой должна создаваться за счет осколков ядер, образующихся в ходе цепной реакции деления и выбрасываемых затем упорядоченной струей из сопла. Скорость таких частиц в момент деления составляет десятки тысяч километров в секунду, а количество делящегося материала может исчисляться килограммами. Казалось бы, это и есть путь к окончательному решению проблемы межзвездного полета!

Однако этот заманчивый проект сразу же наталкивается на препятствия. Дело в том, что при распаде ядер всего лишь 1 г урана-235 выделяется количество тепла, соответствующее мощности в 100 млн. л. с. Поэтому тепловая мощность двигателя ядерной ракеты достигнет многих миллиардов лошадиных сил, что сравнимо с атомным взрывом в камере сгорания. Конечно, это привело бы к мгновенному испарению камеры под действием ударов осколков, образующихся при цепном процессе деления. Вот почему появились публикации¹ о необходимости балластирования атомного взрыва в камере. При этом для мощных ракет предлагался импульсный ядерный двигатель, в камере которого каждую секунду происходит по атомному взрыву, эквивалентному по мощности примерно десятитонной тротиловой бомбе, заключенной в капсулю, заполненную водой.

¹ Т. P.Cotter. «Aero Space Engineering», 1959, vol. 18, № 2, p. 50--53; J. Grey. «Astronautics», 1959, vol. 4, № 10, p. 23-25, 110, 112.

Выделяющееся при взрыве тепло испаряет и разлагает воду, истекающий пар обеспечивает создание тяги. Таким образом, скорость истечения рабочего тела обусловливается не скоростью осколков ядер, образовавшихся в ходе цепной реакции, а температурой и характером жидкости, окружающей бомбу. Естественно, что истечение будет осуществляться с относительно небольшими скоростями. Не говоря уже об огромных технических трудностях, стоящих на пути создания такого двигателя, ясно, что «звездные» скорости движения с его помощью не могут быть обеспечены.

Но нельзя ли все же сделать так, чтобы почти вся энергия взрыва шла на выброс ядерных частиц из сопла ракеты и лишь ничтожная доля энергии осколков превращалась в тепло? Иначе говоря, добиться того, чтобы двигатель работал в точности противоположно реактору атомной электростанции, где как раз необходимо максимально использовать выделяющееся тепло. Для этого прежде всего горючее должно находиться в газообразном состоянии, при котором осколки ядер медленнее рассеивают свою энергию в тепло. Далее необходимо изолировать осколки от стенок камеры ракеты, например, обеспечив так называемую магнитную защиту, подобную той, которая теперь используется в установках для изучения плазменных шнуров, создаваемых с помощью электрического разряда. Наконец, нужно обеспечить направленный выброс из ракеты ядерных осколков. Эта задача облегчается тем, что осколки при своем образовании очень сильно ионизированы и, значит, ими можно управлять с помощью электрического поля. Но, поскольку ядерные осколки образуются с очень большими скоростями, управление их движением потребует полей огромной силы. Ракету с таким «простейшим» ядерным двигателем пока практически создать невозможно, и поэтому ее называют псевдоракетой.

Однако, как мы уже отмечали, и при очень малой постоянной тяге звездолет с течением времени мог бы набрать значительную скорость. Для создания тяги в несколько килограммов достаточно ежесекундного деления ничтожного количества ядерного горючего; выделяющееся при этом тепло будет таким, что при специальном охлаждении стенки камеры смогут устоять.

Использование множества таких двигателей малой тяги в виде пчелиных сот и позволило бы создать тягу в несколько килограммов. Но реакция деления начнется лишь в тот момент, когда масса делящегося вещества достигнет определенной (критической) величины в объеме с небольшой площадью поверхности, что при сотовой конструкции, по-видимому, невозможно.

Итак, использование частиц, образующихся в результате деления ядерного горючего, без каких-либо дополнительных мероприятий, пока еще не может обеспечить даже очень медленного разгона галактического корабля.

Оценивая возможности других известных схем ракетных двигателей, приходится признать, что, пожалуй, только две из них могли бы обеспечить в будущем скорости, необходимые для полета к звездам в приемлемые сроки, если другие особенности каждой из этих схем не помешают решению такой задачи. Это — электротермические двигатели, создающие тягу за счет отбрасывания разогнанной в ускорителях плазмы, и квантовые ракеты, в которых рабочее тело — поток электромагнитных волн.

Электротермические двигатели

Газообразное состояние вещества, при котором от его молекул или атомов оторваны один электрон или более и, таким образом, вещество представляет собой в целом нейтральную смесь из положительно заряженных частиц — осколков молекул или атомов — и свободных электронов, называется плазмой. Таким названием она обязана американскому ученому Ленгмюру, проводившему опыты по исследованию этого своеобразного вещества в газоразрядных трубках.

В камере сгорания ракетного двигателя, работающего на химическом топливе, газы сильно разогреваются и затем при расширении в сопле их тепловая энергия переходит в кинетическую. Материальные частицы можно ускорять и другим способом. Например, когда они обладают электрическим зарядом, разгон частиц может быть обеспечен наложением электрического поля. Плазма и служит в качестве рабочего тела для так называемых электротермических двигателей, т. е. таких, в которых, кроме температуры, обеспечивающей получение и последующий разгон плазмы, для ее ускорения используются также электрические силы.

Уже теперь типы электротермических двигателей весьма разнообразны¹, однако они еще четко не классифицированы. Поэтому зачастую, встречая то или иное название двигателя, нельзя сразу представить себе, о какой схеме идет речь.

¹ М. Gamас. «Astronautics», 1959, vol. 4, № 10, p. 31-33, 113-115.

По характеру используемого рабочего тела электротермические двигатели удобно разделить (рис. 7) на плазменные, в которых происходит ускорение неразделенной плазмы, и ионные, в которых ионы и электроны плазмы предварительно разделяются и лишь затем осуществляется разгон ионов с их последующей нейтрализацией электронами при выходе из сопла двигателя.

Плазменные двигатели, в свою очередь, по способу ускорения рабочего тела можно разделить на термические, магнито-электричсские и двигатели с магнитным давлением. В термических двигателях ускорение плазмы обеспечивается главным образом за счет ее теплового расширения. Высокотемпературный нагрев при этом осуществляется, например, за счет использования электрической дуги, и поэтому двигатель может быть назван термическим электродуговым, либо путем применения токов высокой частоты, что позволяет назвать двигатель термическим высокочастотным.

Рис. 7. Классификация электротермических двигателей

Термические двигатели могут служить источником горячей плазмы для других типов двигателей, в которых дальнейший разгон плазмы обеспечивается за счет пересекающихся магнитных и электрических полей или за счет магнитного давления.

Можно отметить, что плазменные двигатели в зависимости от температуры (которая принципиально может составлять от нескольких тысяч до 150 и более тысяч градусов) могут обеспечивать тягу за счет использования различных физических процессов, возникающих в рабочем теле.

При сравнительно низких температурах тяга будет получаться за счет непосредственного выбрасывания разогнанных и сфокусированных частиц, составляющих струю плазмы. При очень высоких температурах тяга все в большей степени будет создаваться за счет светового (квантового) излучения. Предполагается, что при температуре 150 000°К может быть достигнуто излучение абсолютно черного тела. При этом энергия, введенная в плазму, будет превращаться в излучение¹ и световое давление может оказаться существенным.

¹ Напомним, что если бы удалось получить термоядерную реакцию в самой плазме, энергия выделялась бы за счет убывания лишь примерно ¹/₁₀₀ массы вещества, участвующего в реакции. Можно предположить также, что энергия подводится к плазме от внешнего источника.

Таким образом, «горячий» плазменный двигатель при повышении температуры становится «лучевым»-фотонным или квантовым двигателем. При этом нужно иметь в виду, что, как и ранее, приведенное название двигателя — фотонный — характеризует лишь то рабочее тело, за счет выбрасывания «радиации» которого создается тяга.

Плазменные двигатели

Рис. 8. Электродуговой генератор плазмы 1 - анод; 2 - катод; 3 - корпус генератора; 4 - подвод газа; 5 - источник питания; 6 и 7 - подвод и отвод жидкости для охлаждения сопла и корпуса генератора

Итак, плазменные электротермические двигатели будущего — это своеобразные летающие ускорители. Поскольку скорости истечения, которые удается сообщить плазме с помощью ускорителей, велики, удельная тяга и предполагаемые конечные скорости полета «плазмолетов» могут быть очень большими.

Это означает, что такие двигатели весьма многообещающи при использовании их в космосе. Вот почему в мировой печати появляется все больше сообщений о плазменных двигателях². Авторы этих сообщений считают, что применение плазменных двигателей позволит уменьшить до приемлемых значений стартовые массы кораблей, которые при использовании химических двигателей чрезмерны даже для путешествий в пределах Солнечной системы. Предполагается, что плазменные двигатели перспективны для управления спутниками, для перевода спутников с орбиты на орбиту, для автоматических лабораторий, выполняющих самые сложные исследовательские задачи при облете планет, входящих в Солнечную систему.

² См., например, «Missiles and Rokets», 1960, vol. 6, №9, p. 21; «Aviation Week», 1959, vol. 70, № 26, p. 47-48.

Прототипы плазменных ускорителей, так называемые плазмотроны (рис. 8 и 9) уже несколько лет используются в качестве высокотемпературных горелок для сварки и резки металлов, их применяют также для обдувки на стендах головок ракет¹. Такая модель позволяет изучать явления, происходящие при возвращении головок ракет из космоса в атмосферу.

¹ См. В. А. Парфенов. Плазменная горелка. «Наука и жизнь», 1960, № 5.

Если в качестве рабочего тела для плазмотрона применить водород, то температура для его ионизации должна быть поднята до 10 000°; при 14 000° удается интенсивно ионизировать азот.

При использовании такого ускорителя в качестве двигателя нагрев газа и превращение его в плазму могут осуществляться также и с помощью токов высокой частоты в трубке — сердечнике индукционной катушки. Дальнейший разгон плазмы происходит как за счет ее расширения, так и за счет разности потенциалов, приложенной на катоде и аноде.

Рис. 9. Высокочастотный генератор плазмы 1 - подвод газа; 2 - подвод и отвод жидкости для охлаждения форсунки; 3 - корпус генератора; 4 - высокочастотная катушка; 5 - источник питания, 6 и 7 - подвод и отвод жидкости для охлаждения сопла и корпуса генератора

Принцип работы другого ускорителя плазмы — с пересекающимися полями — нетрудно представить, познакомившись с рис. 10. В этом случае проводник тока — плазма (ток протекает от одной шины — анода к другой — катоду) движется поперек воздействующего на нее магнитного поля.

Своеобразный электромагнитный «плазменный насос» выбрасывает «фонтан плазмы», струя которого и обеспечивает создание реактивной тяги.

Наконец, разгон плазмы может происходить за счет магнитного давления.

Так, при создании плазмоидов — проводящих колец плазмы с током — более высокое напряжение (давление), возникающее внутри колец, приводит к их расширению и выбрасыванию. Для интенсивного разгона плазмы требуются большие токи, которые получаются, например, за счет разрядки системы с батареями конденсаторов.

Схему работы двигателя можно представить себе следующим образом (рис. 11). Порция молекул поступает в пространство между двумя электродами и конденсируется, оседая в промежутке между ними и заплавляя его. В этот момент подается рабочее напряжение, рабочее тело в межэлектродном зазоре ионизируется, и самоиндуцированное в кольцевом сгустке плазмы магнитное поле отбрасывает его под прямым углом к зазору. Порции плазмы можно получать и за счет «взрыва» проволочки, подаваемой до ее пересечения с электродами¹.

¹ См. S. Кash, W. Starr. «Manual Meeting of the American Rocket Soc.», 1959, November 16-20, p. 1008-1059.

При изучении плазменных двигателей на Земле их модели помещаются в вакуумные камеры, так называемые бочки, в которых создается очень низкое давление, имитирующее вакуум космического пространства.

Сообщения, появившиеся за последнее время в иностранной печати, свидетельствуют о том, что в лабораторных условиях с помощью плазменных двигателей получены тяги в несколько десятков граммов и достигнуты импульсы в 5-6 раз превышающие те, которые удается обеспечить с использованием современных жидкостных реактивных двигателей¹.

Рис. 10. Ускоритель с пересекающимися магнитными и электрическими полями вверху-принципиальная схема действия ускорителя: 1 - магнитное поле; 2 - электрическая дуга в плазме; 3 - рельсовые электроды; 4 - источник питания; 5 - направление движения струи внизу - схема двигателя: 1 - корпус плазмотрона; 2 - анод; 3 - катод; 4 - источник питания плазмотрона; 5 - анод тяговой камеры; 6 -катод тяговой камеры; 7 - направление электрического тока; 8 - катушка для создания магнитного поля

Так, В. X. Бостик сообщил о постройке небольшого пульсирующего двигателя со средней тягой около 20 г, выбрасывающего 100 сгустков плазмы в секунду со средней скоростью до 10 км/сек. Опубликованы результаты исследования² модельного электродугового двигателя мощностью 30 квт, проработавшего непрерывно 50 час., выбрасывающего гелий и водород со скоростью до 15 км/сек; тяга модели двигателя достигала 300 г.

¹Klass Philip. «Aviation Week», 1959, vol. 71, № 23, p. 83, 87, 89-90.

²J. Richard, J.Connors, A. Mironer. В кн.: «XI Internal. Astronaut. Congr.». Stockholm, 1960, p. 232-245.

Ионные двигатели

Ионные двигатели были впервые предложены еще К. Э. Циолковским. Годдард в 1906 г. писал о том, что электрически заряженные частицы могут применяться для создания тяги. Подробнее о возможностях применения «электрического ветра» для обеспечения космических полетов рассказал через двадцать три года в книге «Вопросы космических полетов» Оберт, указавший, в частности, что русский исследователь Улинский предложил конструкцию ионного двигателя еще в 1923 г. Затем последовал целый ряд теоретических разработок. Естественно поэтому, что ионные двигатели наиболее изучены по сравнению с другими двигателями будущего, предназначенными для получения очень больших скоростей. В 1954 г. Штулингер описал особенности ионных двигателей и предложил ввести характеристики, позволяющие оценивать степень совершенства их конструкции. Наиболее важный из этих показателей — удельная мощность, т. е. мощность (в квт), полученная на каждый килограмм массы установки.

Рис. 11. Ускоритель с разгоном рабочего тела магнитным давлением 1 - конденсатор; 2 - источник разрядного тока; 3 - изолятор; 4 - токопроводящие проводники; 5 - струя пара рабочего тела; 6 - плазмоиды

На рис. 12 и 13 показаны предполагаемый внешний вид двух ионолетов¹ и схема одной из ионных силовых установок². В силовой установке предусматривается устройство, вырабатывающее электрическую энергию, необходимую для работы двигателя.

¹ D. Ross. «SAE Journal», 1959, vol. 67, № 7, p. 40-42.

² R. H. Воden. «Aero Space Engineering», 1959, vol. 18, № 4.

Известны разнообразные источники электропитания, которые принципиально могут обеспечить работу ионного двигателя. Мы не сможем сколько-нибудь подробно рассказать о них в этой небольшой книге. Назовем лишь некоторые. Это, например, солнечные батареи на полупроводниках, непосредственное превращение ядерной энергии в электрический ток с помощью батарей излучения, непосредственное превращение термоядерной энергии в электрический ток на установках с пульсирующей плазмой, где, пересекая магнитные силовые линии, пульсирующая плазма возбуждает электрический ток. Разрабатываются также термоэлектрические источники электрического тока¹. Простейшее устройство такою типа — общеизвестная термопара — спай пары различных металлов, при нагревании которого (в реакторе или, например, в фокусе рефлектора, конденсирующего солнечные лучи) во внешнем проводнике термопары возникает электрический ток. Для получения электроэнергии в количестве, необходимом для работы тяговой камеры, сообщающей ионному потоку требуемую скорость и интенсивность, пожалуй, могут быть использованы силовые установки замкнутого типа — «атомные электростанции», в которых турбина вращает электрогенератор. Можно принять, что для создания тяги всего в 1 г понадобится источник с выходной мощностью 600-800 вт.

Рис. 12. Внешний вид ионолетов слева — ионолет с дисковым зонтичным радиатором, справа — ионолет с прямоугольными радиаторами 1 — реактор; 2 — радиатор; 3 — потоки частиц; 4 — космическая лаборатория; 5 — защитный экран (от излучения реактора); 6 — антенны

Таким образом, силовая установка ионолета состоит из двух самостоятельных установок. Одна из них обеспечивает получение электроэнергии, другая служит для подготовки и последующего разгона рабочего вещества, выбрасываемого из тяговой камеры для создания тяги.

Штулингер в развитие идеи Циолковского предложил в качестве рабочих веществ для ионных двигателей цезий и рубидий. Эти два металла выбраны потому, что их атомы обладают сравнительно большим весом и, вместе с тем, хорошо ионизируются. Цезий по сравнению с другими щелочными металлами имеет наиболее низкую температуру плавления (35°) и теплоту парообразования, наибольшие плотность (1,873 г/см³) и выход ионов.

¹ W. W. Т. Crane. International astronautical federation meeting. London, august 30 -September 5, 1959.

Цезий или рубидий нагреваются до испарения и поступают в ионизационную камеру, где установлена раскаленная решетка (катализатор), выполненная, например, из пористого вольфрама. При прохождении через нее атомов паров цезия от них отрываются электроны, т. е. атомы ионизируются, приобретают положительный электрический заряд. При этом число ионизированных атомов достигает почти 100%. Затем ионы разгоняются с помощью ускорителей в тяговых камерах, где господствует естественный вакуум космического пространства, до скоростей порядка 80—200 км/сек. Поток ионов должен быть хорошо сфокусирован, чтобы они не попадали на ускоряющие электроды, так как это вызывает интенсивную эрозию — размывание электродов. Следует отметить, что, поскольку одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются, достигаемая плотность их потока существенно ограничивается.

Рис. 13. Схема силовой установки ионолета по одному из проектов 1 — бак с рабочим веществом; 2 — насос для подачи рабочего вещества (возможна также вытеснительная подача с помощью сжатого инертного газа); 3 — нагреватель; 4 — испаритель; 5 — подача пара рабочего вещества; 6 — нагреватель; 7 — пористая вольфрамовая решетка; 8, 9, 10 — фокусирующий ускоряющий и выходной нейтрализующий электроды; 11 — реактор; 12 — теплообменник; 13 — радиатор; 14 — насосы; 15 — натриево-ртутный конденсатор; 16 — парортутная турбина; 17 — электрогенератор

Скорость ионов зависит от напряженности поля, от природы и величины давления газа. Струя разогнанных ионов проходит вдоль разогретого электрода — имиттера, с которого в нее стекают электроны. В результате образуется поток стремительно отбрасываемых нейтральных атомов. Возникает вопрос, почему необходимо нейтрализовать ионы, покидающие ракету? К этому приходится прибегать ввиду следующего обстоятельства. При выбрасывании только одних положительно заряженных ионов накапливался бы пространственный заряд. Корпус аппарата очень быстро зарядился бы до такого высокого отрицательного потенциала, что дальнейшее выбрасывание ионов стало затруднительным и электрический заряд корпуса ракеты начал «всасывать» ионы обратно, внутрь ракеты. Чтобы избежать этого, ионы необходимо нейтрализовать. В конечном счете образуется поток атомов цезия, который беспрепятственно покинет ракету. Нейтрализация ионов обеспечивает также возможность получения большей плотности струи рабочего тела, вытекающей из сопла. Следует также отметить, что при нейтрализации иона, захватывающего электрон, высвобождается примерно в 100 раз большая энергия, чем та, которая может быть получена в ходе химических реакций — наиболее эффективных в энергетическом отношении. И хотя энергия рекомбинации ионов незначительна по сравнению с энергией, приобретаемой ими при разгоне в электрических полях, она все же может быть использована для некоторого дополнительного разогрева вытекающего рабочего тела.

Теоретически ионный двигатель может обеспечить очень большую удельную тягу. Однако на пути практического решения этой задачи возникают серьезные затруднения. Как уже отмечалось, удельная тяга прямо пропорциональна скорости ионов. В то же время мощность, необходимая для разгона струи ионов, и вместе с нею вес энергосиловой установки возрастают примерно пропорционально квадрату скорости ионов. Очевидно, что за увеличение удельной тяги потребуется расплачиваться существенным увеличением веса энергосиловой установки и ее усложнением.

Другой возможный путь увеличения удельной тяги — скорости частиц — заключается в использовании мощности ускорителей для разгона все меньшего количества частиц-ионов, т. е. за счет все большего уменьшения абсолютной тяги. Эта тенденция ясно видна в развитии мощных земных ускорителей, в которых общая сила тока, образованного пучком разогнанных частиц (каждой из них удается сообщить все большую энергию), как это ни парадоксально, уменьшилась в установках 1958 г., по сравнению с установками 1940 г., в миллион раз.

Рис. 14. Зависимость скорости истечения рабочего тела от величины ускоряющего напряжения и массы частиц (пунктиром очерчена область целесообразного применении ионных двигателей) 1 — водород (μ=1); 2 — натрий (μ = 23); 3 — свинец (μ = 207); 4 — цезий (μ = 133); 5 — ртуть (μ = 200); 6 — уран (μ = 238)

С приближением скорости ионов к скорости света все интенсивнее будет возрастать их масса, а значит и мощность ускорителей, необходимых для разгона. Это практически и ограничивает удельную тягу ионных двигателей.

Высказываются соображения, согласно которым удельные тяги, достижимые при приемлемых весах установок и привычных нам преобразователях тепла в электрическую энергию, могут составить до 20 тыс. кг/кг·сек.

Однако скорости истечения не всегда должны быть самыми большими. Для выполнения каждой задачи, в зависимости от схемы и назначения космического корабля, может быть найдена наиболее выгодная скорость истечения. На рис. 14 показана зависимость скоростей истечения от ускоряющих напряжений для ряда рабочих тел с постоянной массой (атомным весом). Специально выделена область оптимальных скоростей истечения и ускоряющих напряжений для двигателей орбитальных, лунных и межпланетных аппаратов¹.

¹ «Вопросы ракетной техники», 1960, № 10; «Aviation Week», 1959, № 17, p. 68.

Как видно из рисунка, цезий действительно очень выгодно применять для ионного двигателя. Применение рабочих тел с большой массой позволило бы уменьшить площадь тяговой камеры. Однако возможность их использования зависит от того, удастся ли разработать метод для ионизации частиц «тяжелых» рабочих тел.

Остановимся подробнее на одном из проектов, в котором предлагается небольшой автоматический космический аппарат — ионолет для облета планет Солнечной системы. Вес этого аппарата, стартующего с орбиты искусственного спутника, на которую он выводится стартовой ракетой, 1,5 т, из них 100 кг приходится на рабочее тело и почти 700 кг на полезный груз (включая приборы для управления на расстоянии). Вес неэкранированной атомной энергетической установки и электрической системы 520 кг, вес корпуса ионолета 70 кг.

Отсек с исследовательским оборудованием должен выдвигаться от энергетического источника на телескопических стержнях. Приборы, хотя бы с одной стороны, защищаются от излучений реактора. В качестве источника энергии двигателя предусматривается ядерный реактор мощностью около 1000 квт. Тепло от реактора отводится жидким натрием и передается в теплообменнике ртути. Образующиеся пары ртути вращают турбины электрогенератора и затем поступают в конденсатор, где отдают свое тепло натрию, предварительно прошедшему через огромные радиаторы, необходимые для отвода из системы излишнего тепла. Эти радиаторы-излучатели до выведения аппарата на орбиту спутника должны находиться в сложенном виде, подобно антеннам первого советского искусственного спутника Земли, и только при начале работы ионного двигателя под воздействием внутреннего давления должны развернуться. Одновременно с этим отсек с исследовательским оборудованием выдвигается вперед. Электрическая энергия используется для подогрева цезия до температуры 800° и накала вольфрамовых решеток, на которых он ионизируется. Затем в ускорителе поток ионов под действием электрического поля приобретает скорость до 200 км/сек и вытекает с присоединившимся к нему потоком электронов через сопло. Общая сила тяги двух двигателей составит лишь 0,15 кг (их удельный вес 4,7·10³), и аппарату удастся сообщить ускорение всего 0,01 % от ускорения силы тяжести на Земле.

Столь ничтожные величины тяги и ускорения могут показаться совершенно недостаточными для дальних космических кораблей, ведь даже современные ракеты обладают тягами во много десятков тонн. Но не нужно забывать, что на разгон земной ракеты отводятся десятки секунд, да и движется она в сильном поле тяготения Земли. Космический корабль будет испытывать значительно меньшее притяжение к небесным телам. Поэтому, даже при столь малой тяге, он постепенно наберет значительную скорость. Это обстоятельство принципиально важно для галактических кораблей, которые, не испытывая на подавляющей части траектории полета притяжения к небесным телам, смогут достигать, даже при малых постоянно действующих ускорениях, скоростей, в десятки тысяч раз превышающих скорости современных ракет.

Как показывают предварительные расчеты, космический корабль-ионолет для доставки на Марс груза в 150 т должен весить при старте около 730 т и иметь на борту около 370 т рабочего тела. Двигательная установка включает несколько тысяч ионизационных камер и размещается в центре тяжести корабля между реакторами и кабинами экипажа. При мощности электрогенератора атомной силовой установки 23 тыс. квт двигатель, в котором ионы разгоняются под действием электрического поля напряжением до 4900 в, смог бы развить тягу до 49,5 кг и сообщить аппарату ускорение порядка 0,0007 м/сек².

Отвод тепла, необходимый для конденсации пара за турбиной, вращающей электрогенератор, предлагается осуществить с помощью огромного диска-излучателя диаметром 115 м, толщиной 6 см в центре и 1 см по краю. Чтобы солнечные лучи не нагревали этот радиатор, он должен всегда поворачиваться ребром к Солнцу.

После достижения наибольшей скорости аппарат должен замедлить свой полет на второй части пути при подлете к Марсу. Продолжительность путешествия в один конец (расстояние от Земли до Марса 78 млн. км) должна составить примерно 400 суток.

Недавно был опубликован оригинальный проект ионолета¹. Электроэнергию, необходимую для питания его двигателя и оборудования, предполагается получить от двухсот так называемых термоионных преобразователей -специальных устройств, размещенных на поверхности реактора и создающих при нагреве до 2500° электрический ток напряжением 100 в. Реактор мощностью 1000 квт должен содержать 200 кг карбида урана. Поскольку предполагается его буксировать в отдалении от двигателя и аппаратуры на тросе длиной 1800 м, это позволит уменьшить его общий вес (вместе с защитой от излучения) до 3,5 т. Предполагаемое ускорение всей системы, заброшенной в космос, около 0,001 g.

¹ A. L. Husneг. Rocketdyne Report, 1959.

Расчеты нескольких вариантов программ полета, позволяющие выяснить возможность использования ионных кораблей для полетов к звездам, приведены ниже в специальном разделе.

За последнее время опубликованы сообщения об испытаниях моделей ионных двигателей очень малых тяг², предназначенных для полетов в пределах Солнечной системы или для управления космическими кораблями. Одна из полноразмерных моделей такого двигателя демонстрировалась в конце 1958 г. Двигатель имел цилиндрическое сопло длиной примерно 60 см и диаметром около 23 см. В качестве рабочего тела могли использоваться четыреххлористый натрий, ртуть, торий, цезий или рубидий. Рабочее тело предварительно превращается в газ и затем поступает в камеру, где с помощью вольтовой дуги создается ионизирующая его высокая температура. После этого ионы разгоняются электростатическим полем до 130-180 км/сек. Тяга двигателя составляет до 0,114 г. Предполагается, что электроэнергию двигатель должен получать от установки с небольшим реактором. Сообщалось о постройке для лабораторных исследований двигателя с тягой 230 г и скоростью ионов 135 км/сек. Важно, что у таких ионных двигателей скорости истечения рабочего тела уже удалось довести примерно до 200 км/сек, т. е. до скорости, почти в 40 раз большей, чем та, которая может быть теоретически достигнута при использовании самого лучшего химического топлива.

¹ См, например, «Aeroplane», 1958, № 2461, р. 906; «Interavia», 1959, № 4220, р. 4.

Следует отметить, что полезная, эффективная площадь струи, отбрасываемой из ионного двигателя, т. е. сечение, которым создается тяга, меньше ее действительной общей площади, поскольку некоторые частицы уходят в сторону от струи.

Специалистами высказывались также соображения о том, что для получения тяги в 1 г/см² необходимо разгоняющее напряжение в 40 тыс. в. В этом случае с каждого квадратного метра сечения струи можно будет обеспечить тягу порядка 10 кг, что на начальной стадии разработки таких двигателей представляет интерес, так как это позволит, например, при площади струи 1 м² получить для аппарата весом 100 т ускорение около 0,0001 м/сек².

В табл. 2 представлены примерные технические данные, которым, как показывают расчеты, должны отвечать ионные силовые установки, используемые для решения различных задач¹. Эта таблица помогает нам полнее представить себе ионные двигатели будущего.

¹ «American Astronautical Society Meeting Flight», 1960, № 2656, p. 168.

Насколько же близки к осуществлению проекты ионолетов? Современные ускорители разгоняют ионы до многих десятков тысяч километров в секунду, но интенсивность потока разгоняемых в них ионов пока что совершенно ничтожна — миллионные доли грамма в секунду. В то же время сами ускорители весят десятки и сотни тонн. Даже при тех небольших тягах, которые необходимы для ионолетов, требуется повысить мощность ускорителей в огромное число раз, резко снизив при этом их собственный вес, что пока является нерешенной инженерной задачей. Кроме того, все еще слишком много весят источники электрической энергии, необходимой для обеспечения работы тяговой камеры ионолета.

Таблица 2

Технические данные ионных силовых установок, используемых для различных целей *

Показатели	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж
Стартовый вес, т Полезная нагрузка, т Масса рабочего тела т, Т Вес силовой установки G, Т Время работы силовой установки, год Мощность, квт Тяга Р, кг Конечная скорость vk, км/сек Скорость истечения vр. т, км/ сек Первоначальное ускорение а·10-4, м/сек2 Напряжение, в Сила тока, а	5 4,9 0,006 0,04 0,03 5 0,027 0,46 38 0,054 1000 5	72,2 50 6,7 15,5 0,08 4650 16,9 6 60 2,29 2325 2000	136 100 17 19 0,17 5700 19,7 10,5 60 1,45 2420 2360	435 150 192 93 1,6 27900 46,8 72 120 1,06 9950 2800	5,5 1 2,8 1,5 1,5 450 0,75 90 120 1,38 10100 44,5	10,9 1 5,9 4 2,5 1200 1,36 140 180 1,22 22200 54	16 1 8,8 6,2 3 1900 1,9 160 200 1,16 28000 68
* А - выравнивание орбиты искусственного спутника Земли, Б - перевод искусственного спутника с орбиты на орбиту. Б - полет на Луну, Г - полет на Марс, Д - полет на Юпитер, Е - полет на Сатурн, Ж - летательный аппарат для достижения других планет Солнечной системы.

Таким образом, о реализации проектов ионолетов можно будет говорить лишь после того, как удастся создать легкие малогабаритные и вместе с тем весьма мощные ускорители ионов и компактные источники электроэнергии для таких летающих ускорителей.

Эти устройства должны легко управляться, не бояться повреждений метеоритами, быть приспособленными к работе в космическом пространстве. Наконец, возможное время — ресурс их работы — должно составлять несколько лет.

Полет на луче

Рассматривая проекты двигателей с очень высокими скоростями истечения рабочего тела, мы подошли к наиболее популярной схеме корабля, связанной с надеждами «оседлать» электромагнитную волну и унестись с ее помощью в просторы Галактики: ведь быстрота вылета электромагнитной волны не оставляет желать лучшего. Ее кванты уже при своем возникновении обладают скоростью 300 тыс. км/сек, и заботиться об их разгоне, как это делается в электротермических двигателях, не приходится.

Еще в 1865 г. английский физик Д. К. Максвелл (1831 — 1879) предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну. Все электромагнитные волны состоят из взаимно связанных электрических и магнитных полей и распространяются в пустоте с одинаковой скоростью, равной с = 2,99776·10⁵ км/сек. Однако во всех расчетах, за исключением самых точных, скорость света в пустоте можно принять равной 300 000 км/сек.

В 1901 г. профессор Московского университета П. Н. Лебедев (1866-1912) впервые опытным путем доказал справедливость одного из наиболее смелых предположений электромагнитной теории света о том, что свет способен оказывать давление на тела. Но раз свет оказывает механическое воздействие, нельзя ли использовать это его свойство для движения звездолета? Правда, известно, что сила давления солнечного света крайне мала. На идеально отражающее зеркало площадью 1 км², расположенное от Солнца на том же расстоянии, что и Земля, солнечные лучи давили бы с силой 1 кг (или 1 мг/м²); на абсолютно черное тело, поглощающее все лучи,— с половинной силой — 0,5 кг. В результате оказывается, что даже на самолет-гигант размером с ТУ-114, летящий в безоблачном небе, солнечные лучи давят с силой лишь в сотые доли грамма, а на всю нашу планету Землю — с силой около 80 тыс. т¹.

¹ Поверхность Земли, на которую давят солнечные лучи, в ее проекции на плоскость, перпендикулярную лучам, равна площади ее диаметрального сечения . Примерный диаметр нашей планеты D₃ = 12·10³ км. Альбедо Земли — параметр, характеризующий, какую часть солнечных лучей отражает Земля, R = 0,4. Давление лучей Солнца на 1 км² поверхности абсолютно черного тела, расположенного на расстоянии Земли, р = 0,5 кг/км². Тогда сила давления солнечных лучей на Землю, согласно уравнению (11), будет равна:

Интересно отметить, что такое давление создает солнечное излучение, энергия которого за день примерно равна энергетическим запасам всех горючих ископаемых Земли.

Мысль об использовании давления света — «солнечного ветра», надувающего «паруса» космических кораблей, получила впервые научное подтверждение в расчетах, проведенных в 1925 г. советским ученым Ф. А. Цандером (1887-1933).

Технические расчеты показали, что «парус», представляющий собой зеркальную поверхность из тонких пластинок толщиной в тысячные доли миллиметра, набранных на каркасе из тончайшей проволоки (в космическом пространстве вне интенсивных полей тяготения этого было бы достаточно для сохранения заданной формы зеркала), площадью 1 км², весом около 3 тыс. кг сможет обеспечить получение тяги порядка 0,75 кг, если коэффициент отражения поверхности имеет среднюю величину по сравнению с абсолютно черным и идеально отражающим телом. Но тогда удельный вес двигательной установки составит более 3 т на 1 кг тяги, т. е. ускорение зеркала не сможет превысить ¹/₃₀₀₀ земного ускорения. В этом случае парусу-спутнику Земли, имеющему орбитальную скорость 8 км/сек, чтобы приобрести вторую космическую скорость 11,2 км/сек, необходимую для путешествия по Солнечной системе, понадобилось бы около месяца.

Интересно, что один из американских специалистов, опираясь на достижения современной технологии получения искусственных пленок, которые могут использоваться в космосе, недавно вновь проанализировал возможности создания звездного парусника. Вес паруса из тончайшей пленки, покрытого отражающей алюминиевой краской, на создание которого можно сейчас технически рассчитывать, оказался вдвое большим, чем тот, который принимал для своего зеркала Ф. А. Цандер. Таким образом, зеркалу из пленки для достижения скорости, позволяющей путешествовать в пределах Солнечной системы, понадобилось бы около двух месяцев, а для приобретения скорости, обеспечивающей уход из Солнечной системы, — примерно 130 суток.

Давление света в космическом пространстве предполагают использовать французские ученые для увеличения долговечности спутников. После выброса на высоте 500 км или более полиэтиленовой оболочки надувного спутника содержащийся в нем газ расширится и заставит спутник принять обтекаемую форму, близкую к каплевидной,— сочетание зачерненной полусферы и конического обтекателя, выкрашенного в белый цвет,— с четырьмя стабилизаторами площадью 8 м² у вершины конуса. Диаметр полусферы 10 м, общая длина спутника 15 м, поверхность полусферы 353,4 м², поверхность конуса 196,4 м². Когда орбита спутника будет лежать в плоскости, перпендикулярной направлению солнечных лучей, отражающая поверхность конуса составит 50 м², что при давлении света 0,89 мг/м² обусловит создание результирующей силы в направлении движения, равной 22 мг. На высоте 500 км, где плотность воздуха ρ = 54·10^-15 кг·сек²/м², при расчетной скорости полета 7,7 км/сек лобовое сопротивление составит всего 9,5 мг, т. е. полезная тяга достигнет 12,5 мг.

Когда плоскость орбиты станет параллельной направлению солнечных лучей, спутник часть пути будет находиться в тени Земли, но на остальной его части (224°) — под воздействием солнечного света.

При движении спутника по орбите, лежащей в плоскости, перпендикулярной направлению солнечных лучей, составляющая тяги в направлении движения создается подобно тяге яхты, идущей под парусами перпендикулярно направлению ветра. Роль килей солнечного парусника выполняют стабилизаторы, поскольку на высоте, где должен двигаться спутник, еще есть следы атмосферы, способные оказывать на них аэродинамическое давление.

При полете в направлении лучей их давление достигнет максимального — 71 мг, при встречном движении спутника силы, тормозящие полет, составят лишь 35 мг. В результате спутник, имея среднюю тягу 20 мг, может практически очень долго, вечно, существовать на заданной ему орбите.

Вероятно, что по мере совершенствования технологии получения легких и хорошо отражающих пленок возможность использования солнечных парусов для передвижения небольших автоматических лабораторий в Солнечной системе будет возрастать. Уже публиковался проект одной из таких солнечных яхт — лаборатории с парусом диаметром 70 м, имеющей земной вес 10 кг и полезный груз 10 кг, предназначенной для путешествия на орбиту Венеры и обратно к Земле¹.

¹ «Missiles and Rockets», 1959, vol. 5, № 32, p. 42.

Лаборатория должна набирать вторую космическую скорость, проходя множество витков раскручивающейся спирали, охватывающей Землю. При этом в моменты движения против «солнечного ветра» — давления солнечных лучей ее парус должен сворачиваться (или поворачиваться ребром к Солнцу). Затем, став спутником Солнца, лаборатория с помощью паруса постепенно тормозится, уменьшает скорость. В результате она «падает на Солнце», подобно тому, как снижаются на Землю спутники при их торможении, и по пути выходит на орбиту Венеры. Дальнейшее торможение позволяет лаборатории стать спутником Венеры. После выполнения научных исследований лаборатория, двигаясь по спирали вокруг Венеры, вновь набирает вторую космическую скорость и уплывает, развернув парус, к орбите Земли.

Однако для разгона до скорости, равной ⅓ от скорости света, что, как мы знаем, необходимо для «минимального» межзвездного путешествия, только одному сверхлегкому зеркалу Цандера (без учета веса груза, аппаратуры управления и т. д.) понадобилось бы при постоянной наибольшей допустимой тяге более 3 тысяч лет!

Поэтому сразу становится очевидным, что, хотя световое давление способно поддерживать движение спутников специальной формы, использовать свет раскаленных небесных тел для звездолета-парусника, который к тому же должен лететь на больших расстояниях от них, — задача нереальная.

Тогда возникает вопрос, а нельзя ли установить источник электромагнитных волн в самой ракете? Собрав все излучение в пучок с помощью отражающего экрана и «выбросив» его через сопло, мы получим реактивную силу, которая будет зависеть лишь от мощности источника излучения. Но это лишь идея. А что показывают конкретные расчеты?

Можно отметить, что любой ракетный двигатель является в некоторой степени и квантовым, электромагнитным, ибо нагретое тело всегда излучает электромагнитные волны. Физики используют идеализированное представление об абсолютно черном теле, которое способно излучать и поглощать волны всех частот. К идеальному излучателю близка печь с небольшим отверстием для выхода излучения, а следовательно, в некоторой мере и камера сгорания квантового двигателя с соплом. Характер и интенсивность излучения из такой печи зависят от температуры. Поскольку с ростом температуры в излучении становятся преобладающими кванты все больших энергий (длина волны излучения уменьшается, а частота растет), такой двигатель во все большей степени становится квантовым. По мере роста интенсивности электромагнитного излучения оно может давать более ощутимую тягу. При интенсивности излучения, достигающей 1 млн. ккал на 1 см² поверхности, температура черного излучения составит около 150 000°К и давление электромагнитных волн достигнет 1 ат. В таком случае источник волн становится практически пригодным для его использования при создании тяги квантолета.

Давление электромагнитного потока, падающего перпендикулярно на поверхность тела, равно плотности электромагнитной энергии (энергии, заключенной в единице объема) вблизи поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отраженных волн. Если мощность электромагнитной волны, падающей на единицу поверхности тела, равна N, а коэффициент отражения электромагнитной энергии R, то плотность энергии электромагнитных волн вблизи поверхности равна давлению света на единицу поверхности:

(2.11)

Таким образом, давление света возрастает с ростом коэффициента отражения R, который изменяется от 0 до 1. Совершенно ясно, что экран звездолета должен отражать как можно большую часть энергии падающей на него электромагнитной волны.

При идеально отражающем рефлекторе для получения тяги в 1 т необходим источник излучения мощностью около 1,66 млрд. квт¹; это примерно мощность 2500 Днепрогэсов. А поскольку для полета в приемлемые сроки потребуются тяги в десятки и даже сотни тонн, понадобятся гигантские мощности излучателей и управление огромными потоками излучения.

Чтобы справиться с таким потоком излучения, сопло квантового звездолета должно иметь огромную поверхность излучателей. Даже если принять, что концентрация потока излучения на экране звездолета в 10 раз больше, чем у поверхности Солнца, то и тогда отражатели излучения должны обладать площадью в несколько квадратных километров.

¹ Соответственно в случае, когда тяга создается за счет «активного» излучения электромагнитных волн с самой поверхности экрана, в котором излучение почти не поглощается, для получения тяги в 1 т необходим источник излучения мощностью около 3 Млрд. квт.

Как отмечал проф. Г. И. Бабат (1911-1960), экран таких колоссальных размеров расплющился бы на Земле под собственной тяжестью подобно киту, выброшенному на сушу. Квантовый двигатель такого звездолета оказался бы способным вскипятить океаны, сдуть электромагнитным ураганом часть земной атмосферы. Поэтому сооружение гигантского звездолета, его старт и возвращение должны происходить на внеземной базе.

Рис. 15. Спектр электромагнитных волн

Какими же могут быть электромагнитные излучения, отбрасываемые экраном звездолета? У человека нет органов чувств, позволяющих непосредственно исследовать какие-либо электромагнитные волны, кроме волн видимого света. Но известные и изученные с помощью специальных приборов электромагнитные волны занимают огромный интервал длин волн и их частот (рис. 15).

Характерное свойство электромагнитной волны — ее частота, или число колебаний за секунду. Ряд свойств электромагнитных волн можно объяснить только тем, что им присущи свойства ограниченных частиц, или квантов излучения, обладающих определенной энергией и количеством движения. Как энергия кванта, так и его количество движения определяются частотой волны. Чем больше длина волны, тем меньше ее частота, меньше кванты.

Современная физика показала, что поток света имеет прерывистое строение и состоит из отдельных порций (квантов) света, своеобразных атомов излучения — фотонов, обладающих определенными значениями энергии. Это положение было впервые математически сформулировано в 1900 г. немецким физиком Максом Планком (1858-1947). Лишь благодаря малости фотонов и их огромному числу излучение представляется непрерывным процессом. Фотоны отличаются от атомов и электронов — они бывают различны по своим энергетическим характеристикам, что зависит от частоты колебаний. Например, энергия фотона, отвечающего фиолетовому цвету, больше, чем энергия фотона, отвечающего красному. В 1933 г. академик С. И. Вавилов (1897-1951) поставил опыт со световым пучком малой интенсивности, позволившей ему наблюдать если не самые кванты света — фотоны, то их группы по пять — семь фотонов.

Итак, свет не только волновой колебательный процесс, но вместе с тем и поток материальных частиц.

Энергия каждого фотона

E = hv, (2.12) где h = 6,623·10^-27 эрг/сек — постоянная Планка;

v — частота колебаний.

Известное соотношение, связывающее массу с энергией, полученное впервые А. Эйнштейном (1879-1955):

E = mс². (2.13) Отсюда

mс2 = hv;

Таким образом, фотон характеризуется частотой

(2.14) и, так как для фотонов v_p.т = с, характеризуется импульсом (2.15)

На основании учения о колебаниях

c = vλ, или где λ — длина волны света. Число фотонов, пáдающих на единицу площади в единицу времени,

Подставляя значение n₀ в уравнение (2.15), получим импульс света, который передается на единицу площади экрана в единицу времени:

(2.16)

Если поверхность полностью поглощает все кванты, то этот импульс и будет представлять собой давление электромагнитного потока; если поверхность отражает часть квантов, уносящих импульс обратного направления, она получит дополнительный импульс , а полный импульс, полученный на основании квантовой теории света, будет определяться той же зависимостью, что и зависимость (2.11), полученная согласно электромагнитной теории.

Для обеспечения энергетических потребностей звездолета необходимо найти, как будет показано ниже, способы интенсивно и нацело превращать ядра атомов в электромагнитное излучение. Такие процессы могут быть получены в результате достижений физики в ряде принципиально возможных направлений.

Одно из них, представляющееся наиболее перспективным, заключается в использовании явления, которое возникает при слиянии частиц с античастицами¹. Античастицей принято называть такую частицу вещества, которая по заряду противоположна обычной, привычной нам частице, имеющей ту же массу. Например, электрон имеет отрицательный заряд, а его античастица позитрон — положительный. Протон заряжен положительно, а антипротон отрицательно. Нейтрон совсем не имеет заряда, но и для него нашлась частица «навыворот»-антинейтрон, имеющий противоположное направление вращения. Вещество, состоящее из античастиц, и называется антивеществом. Естественно, что господствующее в нашей части Вселенной вещество и антивещество абсолютно равноправны, т. е. каждое из них может считаться антивеществом по отношению к другому. Античастицы в нашем мире недолговечны: столкнувшись с обычными частицами и пройдя цепочку реакций, они аннигилируют — нацело «исчезают» с выделением всей массы и энергии в форме гамма-частиц, фотонов, мезонов и других излучений. При этом на единицу массы, участвующей в физической реакции аннигиляции, выделяется энергия, соответствующая излучению массы покоя вещества или ее части. Направив образующееся излучение в одну сторону пучком, подобным струе из сопла реактивного двигателя, сформировав «реактивный луч», получим так называемый квантовый двигатель.

¹ Принципиальная возможность использования взаимодействия потоков вещества и антивещества для обеспечения энергетических потребностей звездолетов была указана независимо автором и проф. К.П.Станюковичем в 1956 г.

Однако в сколько-нибудь значительных масштабах подобные процессы пока осуществить не удалось. Для квантолета понадобились бы мощные источники — устройства для получения античастиц или большой их запас. Но сегодня еще лишь весьма приближенно можно представить себе, какими должны быть «баки» для хранения антивещества, которое не будет дожидаться, пока его подадут в камеру сгорания, и мгновенно аннигилирует с веществом самого бака.

Можно предполагать, что если бы, например, удалось создать антижелезо, то его можно было сохранять, удерживая «на весу» в вакууме космического пространства вдали от стенок бака с помощью постоянного магнитного поля. Существует принципиальная возможность удерживать и немагнитные заряженные тела в переменном магнитном поле и с помощью этого же поля обеспечить их сосредоточение в узкий пучок при выбрасывании.

Советский физик А. Дмитриев предполагает, что для хранения антиматерии — позитронов возможно использование «магнитных бутылок», каждая из которых представляет собой систему магнитных полей, создаваемых за счет циркуляции сильных токов по замкнутым катушкам из сверхпроводящих сплавов, что обеспечит прочность «стенок» без дополнительной подпитки катушек энергией. Сверхпроводимость в свою очередь может быть достигнута глубоким охлаждением катушек, что в космическом пространстве, по-видимому, осуществимо. Сквозь невидимые стенки «бутылок» частицы ни изнутри, ни снаружи проникнуть не смогут.

Множество «бутылок», в каждой из которых помещается относительно небольшое количество электронов и позитронов, могут быть расположены попеременно в шахматном порядке, чтобы по возможности уравновесить взаимодействие зарядов. Укрепить равновесие предполагается с помощью электростатических полей, источником которых послужат батареи конденсаторов.

Быть может, такими «бутылками» и будет заполнено хранилище топлива звездного корабля.

Энергия магнитных и электрических полей и «бутылок» по мере их опорожнения, как и материал катушек, также может использоваться для обеспечения энергетических потребностей корабля. Следует, кроме того, иметь в виду, что при попытке осуществления реакции аннигиляции между сколько-нибудь плотными струйками антивеществ реакция, начавшись на соприкасающихся поверхностях, привела бы к мгновенному разбрасыванию остальной части топлива, и в результате его использование было бы ничтожным. Это значит, что материя и антиматерия должны подаваться и взаимодействовать в чрезвычайно разреженном состоянии. Как показывают предварительные расчеты, их плотность не должна составлять более 10^-10 г/см³.

Не менее важно обратить внимание на следующее: при слиянии частиц и античастиц образуются, в частности, настолько жесткие электромагнитные волны (γ-лучи), что для них даже идеально полированные экраны подобны решету. Вместе с тем значительная часть энергии излучений будет поглощаться веществом экрана. Несколько меньше поглощается веществом экрана и лучше отражается видимый свет — фотоны. Однако и в этом случае даже самое лучшее полированное серебряное зеркало поглощает до 5% энергии падающего на него света.

Ясно, что при огромной мощности источника излучения (например, при излучении мощностью 20 млрд. квт поглощалась бы энергия в 240 млрд. ккал/сек) неизбежно мгновенное испарение экранов и практически всего звездолетного аппарата. Но, может быть, есть возможность увеличить отражающую способность самих экранов, уменьшить поглощение в них энергии электромагнитных волн, либо качественно изменить сами электромагнитные волны, чтобы они лучше отражались от прежних или улучшенных экранов?

В частности, известно, что в определенных условиях аннигиляция позитрона и электрона в магнитных полях большой напряженности может происходить с испусканием не двух квантов, разлетающихся под большими углами в противоположные стороны, а одного (рис. 16). При этом импульс отдачи воспримет поле, в котором произошла

Рис. 16. Схема магнитного зеркала а — обычная аннигиляция; б — аннигиляция с испусканием одного фотона, создающего импульс

аннигиляция. Такие поля возможно и могли бы сыграть роль зеркала экрана.

Наконец, может быть, окажется возможным сосредоточить значительную часть излучения в виде направленного пучка не с помощью экранов, а используя магнитное кольцевое поле — своеобразный электромагнитный ствол, в какой-то степени подобный камерам плазмотронов и установок, с помощью которых сейчас стараются «приручить» термоядерные реакции. Во всяком случае, для камеры сгорания звездолета вероятна тепловая изоляция такого характера.

Возможны поиски в каждом из этих направлений. Остановимся, однако, несколько подробнее на возможностях экранов-отражателей.

Непосредственное уменьшение поглощающих свойств экранов по отношению к видимому свету представляется менее перспективным¹. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом носит весьма сложный характер. Упрощенно можно представить, что механизм, за счет которого создается давление света, заключается в следующем: падая на отражающую поверхность, световая электромагнитная волна возбуждает в ней микротоки. Сила взаимодействия этих токов с электромагнитным полем световой волны и есть сила давления света.

¹ Возможно некоторое уменьшение поглощения света в экране путем покрытия его специальной пленкой из диэлектрика (по аналогии, например, с просветлением оптики фотоаппарата). Однако очевидно, что это принципиально не изменит положения дела.

Что касается тепла, выделяющегося в экране, на который падает свет, то оно определяется частью энергии, затрачиваемой поверхностными токами на преодоление сопротивления материала экрана, в котором они движутся. Можно предположить, что отражатель, выполненный из материала, находящегося в состоянии сверхпроводимости, нагревался бы значительно слабее, так как меньшая часть энергии поверхностных токов, возбуждаемых при падении излучения на зеркало, затрачивалась на преодоление сопротивления. И хотя сверхнизкая температура космического пространства, по всей видимости, благоприятствует созданию экранов из материала, находящегося в состоянии сверхпроводимости, практическое осуществление такого экрана представляется нам весьма проблематичным. Поэтому предложение непосредственно «оседлать» луч видимого света нам кажется пока нереальным.

Однако остается второй путь, позволяющий рассчитывать на успех в деле создания квантолетов. Коэффициент поглощения энергии в экране

где λ — длина электромагнитной волны;

Δ — глубина проникновения этой волны в материал. По мере увеличения длины электромагнитной волны поглощение ее энергии в отражающем экране уменьшается. Так, при длине волны 10 см коэффициент поглощения в меди составляет около одной стотысячной, при длине волны 2 м он примерно в 3 раза меньше. Однако создание экрана технически приемлемых размеров потребовало бы снижения ε еще по крайней мере в 2,5 раза. Эта задача представляется особенно сложной, так как для других конструкционных материалов коэффициент поглощения волн одинаковой длины больше, чем у меди (например, ε для волны длиной 2 м в железе примерно в 2,5 раза больше, чем в меди).

С дальнейшим «измельчением» квантов возможно удастся добиться того, чтобы подводимая к экрану энергия лишь на ¹/_{100 000 000} поглощалась в материале отражателя. Это позволило бы рассчитывать на создание квантового звездолета с достаточной тягой без опасности перегрева экрана. Таким образом, в будущем может стать возможным изготовление таких экранов или такое преобразование электромагнитной радиации, которое позволит устранить недопустимое температурное воздействие интенсивных излучений на экран и расположенные за ним элементы конструкции звездолета и направить в то же время электромагнитный луч в сторону, противоположную направлению полета. Для защиты экипажа звездолета от опасных излучений, даже при его расположении на очень большом расстоянии от источника, понадобятся, вероятно, дополнительные, стоящие один за другим отражающие экраны (может быть, для этой цели можно будет использовать покрытые специальными оболочками экраны промежуточных ступеней) и, кроме того, со стороны излучателей специальные защитные многослойные экраны у самих кабин. В противном случае это расстояние должно составлять тысячи километров, что практически неосуществимо.

Примером радиоволн, которые могут успешно направляться экранами и в ничтожной степени поглощаются ими, могут служить волны радиолокации или телевидения. Любая радиолокационная установка, размещенная в космическом пространстве, обеспечила бы, правда неприемлемый, слишком медленный, но все же разгон космического корабля. Она оказалась как бы прототипом выходной части двигателя звездного корабля. Однако естественно, что удельный вес такого двигателя был бы чрезмерно большим, ибо у земных источников все еще чрезвычайно мала эффективность преобразования других видов энергии в энергию радиоволн. Все же, говоря о возможностях использования радиоволн сравнительно большой длины, которые гораздо слабее поглощаются экранами, чем видимый свет, следует отметить, что современная техника уже в состоянии создавать направленные потоки таких радиоволн, обладающие довольно существенными мощностями,

Наконец, и это немаловажное обстоятельство, экраны-отражатели радиоволн можно делать не сплошными, а в виде редкой решетки, что позволит, очевидно, значительно снизить вес двигателя звездолета, Поэтому применение радиоволн, например метрового диапазона, и кажется столь заманчивым.

Получение энергии за счет аннигиляции при взаимодействии материи и антиматерии, по всей видимости, не единственный тип ядерных превращений, при котором вся масса покоя материи излучается. Быть может, будут найдены и другие эффективные способы получения всей энергии, заключающейся в массе покоя вещества.

Рис. 17. Возможно, так будут выглядеть звездолеты слева - примерные размеры «минимального» и «максимального» звездолетов по сравнению со зданием МГУ: 1-4 - экраны первой, второй, третьей и четвертой ступеней; 5 - оранжереи; 6 - межпланетная ракета с кабиной экипажа справа - «минимальный» звездолет в большем масштабе: 1 - экран-отражатель электромагнитных волн, квантов (показаны первая, вторая и третья части экрана, которые могут сбрасываться, использоваться, в конце каждого последующего участка разгона или торможения); 2 - устройства, обеспечивающие превращение массы покоя вещества в материальное электромагнитное излучение; 3 - излучатель; 4 - запас массы покоя; 5 - элементы крепления; 6 - оранжереи; 7 - межпланетная ракета с кабиной

Высказанные выше соображения о принципиальных возможностях и путях создания звездолета еще не позволяют отчетливо представить себе его технические детали, конструктивные формы. Однако они достаточны для того, чтобы изобразить принципиальные схемы галактических кораблей, представленные на рис. 17.

Развитие науки и техники в области создания летательных аппаратов может привести к другим схемам и формам, лишь отдаленно напоминающим те, что изображены на этом рисунке. Ведь даже первые аэропланы, летающие этажерки, были так не похожи на современные стремительные самолеты.

Сравнивая рисунки и проекты летательных аппаратов будущего, какими их представляли ученые и писатели, жившие сто лет назад, с теми самолетами, которые теперь созданы, мы убеждаемся, что их сходство весьма отдаленно (хотя, как правило, оно все же есть). Поэтому несомненно, что звездолеты будут выглядеть не совсем, а может быть, и далеко не так, как мы можем представить это сегодня. Однако, поскольку создание таких аппаратов принципиально возможно и необходимо, они должны быть созданы.

В 1958 г. проф. К. П. Станюкович выдвинул идею об использовании в качестве рабочего тела для звездолета массы крупного астероида, который при этом служит и основной ступенью звездолета. На него должны быть доставлены соответствующие количества антивещества (скорее, на нем их и следует получать). Гигантский двигатель, способный перерабатывать массу покоя астероида в электромагнитное излучение и с помощью кольцевых магнитных полей выбрасывать реактивный луч, позволил бы перегнать оставшуюся часть астероида из Солнечной системы в систему другой звезды. Мысль об использовании в звездолете материи астероидов представляет несомненный интерес, так как при этом астронавты избавляются от необходимости доставлять запасы материи к космодрому. Следует иметь в виду, что увеличение массы, стартующей к другой звезде, потребует для полета в реальные сроки соответствующего пропорционального увеличения тяги, а значит, и расхода массы. Исходная масса стартующего звездолета определяется абсолютной величиной той массы, которая должна быть возвращена в Солнечную систему после завершения полета. Если возвращающуюся массу принять минимально необходимой, то, как получается в результате самой приближенной оценки, стартующий звездолет может иметь технически приемлемый вес. В этом случае он будет представлять техническую конструкцию, созданную из специальных материалов (для получения минимальной стартующей массы) с наименьшей площадью лобового сечения, чтобы вероятность столкновения с частицами в межзвездном пространстве была наименьшей.

В связи с этим интересно вспомнить, что в 1950 г. выдвигались проекты атомных самолетов, предусматривающие их минимальный вес около 1000 т. Последующее развитие работ в этой области позволило рассчитывать на значительное снижение веса самолетов. Однако первые смелые проекты, несомненно, сыграли прогрессивную роль, они двинули вперед новое дело, пробудили творческую фантазию и технические дерзания специалистов. Поэтому любые попытки наметить пути преодоления трудностей, неизбежно возникающих на пути создания звездолетов будущего, кажутся нам оправданными.

дальше!