КВАНТЫ В УПРЯЖКЕ


ГЛАВА 9

КВАНТЫ В УПРЯЖКЕ

Мы познакомились с основными типами электроракет-ных двигателей и некоторыми проектами космических летательных аппаратов с этими двигателями. Bql всех электроракетных двигателях в кинетическую энергию вытекающей струи, состоящей из частиц рабочего вещества, переходит расходуемая в двигателе электрическая энергия. В свою очередь эта энергия может получаться за счет химической, ядерной или солнечной энергии.

На рис. 154 была приведена схема основных преобразований энергии в различных электроракетных двигателям

Но нет ли других возможных методов использования электромагнитной энергии для создания тяги, необходимой для ускорения корабля в космическом полете?

Оказывается, возможно даже несколько таких методов.

Так, например, известно, что в самых верхних слоях земной атмосферы частицы воздуха ионизованы, они уже не нейтральны, как у Земли, а обладают электрическим зарядом. Это наводит на мысль о том, что при полете в верхних слоях ионосферы можно использовать ионизованные частицы в качестве рабочего вещества электроракетных двигателей. Точнее говоря, это будут уже не электро-ракетные, а своеобразные электропрямоточные или ионно-прямоточные двигатели. В них спереди будут засасываться из ионосферы заряженные частицы, точно так же как в тяговую камеру ионного ракетного двигателя поступают ионы цезия из ионного источника. Затем эти частицы будут обычным для ионных двигателей способом ускоряться и вытекать сзади, создавая реактивную тягу, как это и было на советской станции «Янтарь-1».

Конечно, для такого разгона снова понадобится электроэнергия. Экономия будет лишь за счет энергии, расходуемой на ионизацию рабочего вещества в обычных ионных двигателях. Доля этой энергии в общей затрате электроэнергии в ионном двигателе обычно очень невелика, так что и экономия в энергии будет сравнительно небольшой, но дело и не в ней. Главное ведь в том, что рабочее вещество в этом случае уже не находится на борту летательного аппарата. Однако такие аппараты смогут летать лишь на относительно небольших высотах, в разреженной атмосфере, но не в космосе. Кроме того, к ним относятся и трудности, о которых шла речь выше в связи с проектами подобных же аппаратов, использующих химическую энергию атомарных газов верхних слоев атмосферы.

Правда, в космосе также встречаются заряженные частицы вещества, например в космическом излучении. Испускает подобные корпускулярные потоки, время от времени особенно интенсивно, и Солнце. Но их использование еще более затруднительно, хотя принципиально и возможно.

Однако электромагнитная энергия космоса вовсе не ограничивается корпускулярным излучением Солнца и звезд. Гораздо больше по величине другие виды этой энергии. В частности, известно, что в космосе существуют весьма мощные локальные магнитные поля. Ученые связывают с воздействием этих полей природу основной части космического излучения. Предполагают, что заряженные частицы — главным образом протоны, а также ядра атомов гелия и в небольшом числе других, более тяжелых атомов, — выброшенные в космос звездами или в результате иных процессов, затем разгоняются в космических магнитных полях. Так, в гигантских природных электромагнитных ускорителях рождаются космические лучи с их колоссальной энергией, в миллиарды раз большей, чем в самых мощных циклотронах современных лабораторий.

Нельзя ли воспользоваться энергией космических магнитных полей для того, чтобы вот так же разогнать до нужных огромных^ скоростей межпланетный корабль? Такая идея высказывалась рядом ученых, в частности у нас в стране профессором Г. И. Покровским. Однако практически для реализации такой идеи нужно прежде всего найти мощные магнитные поля в космосе, узнать их

13 К. А. Гильзин

расположение, конфигурацию, интенсивность, чтобы умело управлять разгоном корабля. Иначе он станет игрушкой слепой стихии. Очевидно, что и на этот метод использования электромагнитной энергии космоса вряд ли можно всерьез рассчитывать, по крайней мере на первых шагах освоения океана мирового пространства.

Правда, одно космическое магнитное поле нам хорошо известно, и его использование кажется вполне возможным и даже в ряде случаев выгодным, как об этом свидетельствуют некоторые исследования последнего времени. Разумеется, речь идет о геомагнитном поле. На рис. 169

Рис. 169. Геомагнитный космический движитель.

1 — плазменное облако, 2 — источник электроэнергии, 3 — геомагнитное поле, 4 — проводник (проволока), 5 — контактор (Space/Aeronautics, II,

1967, стр. 96).

показана предложенная в США схема геомагнитного движителя, который позволяет использовать геомагнитное поле и разреженную плазму, заполняющую околоземное пространство в ионосфере, для создания полезной движущей силы). Движитель представляет собой, по существу, тонкую металлическую (из алюминия, магния, бериллия или лития) проволоку очень большой длины (1 — 50 км) с расположенными на ее концах контакторами; такое устройство движителя позволяет использовать его одновременно и для так называемой гравитационной ориентации в пространстве, уже эффективно используемой для ряда спутников. Если электрический проводник движется с некоторой скоростью поперек силовых линий магнитного поля в заряженной среде — плазме, то в нем, очевидно, начинает течь (индуцируется) ток; проводник вме- *)

*) Space/Aeronautics, И, 1967, стр. 96. Дополнительный эффект может дать использование «солнечного ветра» — потоков плазмы, движущихся от Солнца со скоростью 400—700 км/сек (Product Engineering, 4. VII. 1966).

сте с плазмой образует своеобразный замкнутый контур. Но взаимодействие тока с магнитным полем, как нам уже хорошо известно, связано с возникновением пондеромо-торной силы, которая стремится уменьшить скорость проводника, тормозит его (если проводник перпендикулярен скорости). По существу, конечно, эта тормозящая сила представляет собой также силу реакции отбрасываемой плазмы, почти такую же, в принципе, как в случае авторотирующего воздушного винта самолета. И если торможение винтом оказывается весьма полезным в авиации, например, при посадке самолета, то «магнитное торможение» в космосе также может оказаться полезным для различных маневров по изменению орбиты и положения спутника. Расчеты показывают, и в это легко поверить, что такое торможение является самым эффективным, ведь оно не требует затрат рабочего вещества. Но если вместо торможения нужно получить ускоряющую силу, то ток в проводнике должен возбуждаться искусственно, для чего нужен специальный электрический генератор, как это и показано на рис. 165. Кстати сказать, на режиме торможения этот генератор сможет уже не расходовать электрическую энергию, а вырабатывать ее, например, для питания бортовых систем спутника. Применение геомагнитного движителя оказывается тем выгоднее, чем больше длительность полета и меньше его высота, на высотах более 10000 км из-за ослабления геомагнитного поля он уже практически невыгоден.

Но если геомагнитное поле быстро ослабевает при удалении от Земли, то мы знаем другой вид электромагнитной энергии, которой очень богата Солнечная система, в особенности в областях, ближе расположенных к ее центру, — это энергия излучения нашего дневного светила. Как известно, солнечное излучение представляет собой электдршГгнитные волны различной длины. Естественно возникает идея использования этой лучистой энергии.

Впрочем, мы возвращаемся, кажется, к уже пройденному, ибо о ракетных гелиоэлектростанциях шла речь выше, в гл. 7. Однако единственный ли это возможный способ использования солнечной энергии — преобразование ее тем или иным путем в электрическую энергию для питания электроракетных двигателей? Нельзя ли обойтись без такого преобразования, связанного и с неизбежными

13* 387

потерями энергии и со столь же неизбежным усложнением космического корабля?

Этот вопрос не праздный. Уже давно известно свойство солнечного излучения, которое может быть положено в основу нового метода его использования для разгона космического корабля. Это свойство стало известно благодаря двум замечательным ученым: английский физик Д. К. Максвелл в 1873 г. предсказал его теоретически, русский физик П. Н. Лебедев доказал его существование путем изумительного по тонкости эксперимента (сообщение об этом было сделано 17 мая 1899 г.). Речь идет о давлении, которое оказывают падающие солнечные лучи. Это давление играет большую роль в природе, в частности, в «жизни» звезд, да и в движении некоторых искусственных небесных тел, в особенности надувных — легких и больших, подобных американским спутникам «Эхо».

Природа давления света связана с тем, что свет, как и все существующее в природе, материален. Мельчайшие «частицы» света — фотоны, или кванты электромагнитного поля, обладают массой (правда, в отличие от частиц вещества, в покое их масса равна нулю и фотоны могут существовать поэтому только в движении со строго определенной скоростью, именно максимально возможной в природе скоростью света). Так, Земля получает около 2 кг солнечного света каждую секунду. Поэтому к движению фотонов приложимы основные законы механики. В частности, если фотон ударяется о поверхность, то он действует на нее с силой, равной своему количеству движения. Так происходит, если фотон поглощается поверхностью, что имеет место в случае абсолютно черного тела. Если же тело представляет собой идеальное зеркало, то фотон отражается от него и, значит, снова появляется сила воздействия на поверхность, на этот раз сила реактивной отдачи (легко видеть, что она в точности равна первой). Вот почему свет давит на поверхность, причем в случае полного отражения света эта сила давления вдвое больше, чем при полном его поглощении.

Каков1а* же эта сила солнечного давления? Очевидно, она уменьшается с увеличением расстояния от Солнца, так как уменьшается число фотонов, падающих на ту же поверхность. У земной орбиты (т. е. на расстоянии от Солнца в одну астрономическую единицу) сила солнечного давления на один квадратный метр перпендикуляр

ной к лучам идеальной зеркальной поверхности равна, оказывается, всего 1 мГ, даже несколько меньше. На поверхности Земли эта сила, конечно, еще значительно меньше,, так что легко представить себе трудность опыта Лебедева!

И все же существование солнечного давления открывает принципиальные возможности его использования для осуществления межпланетного полета. Конечно, сила давления лучей Солнца, этот солнечный «зефир»), действующий на распущенный в космосе зеркальный «парус», мала даже при значительной поверхности «паруса», но мы уже знаем, что в космосе даже малая сила в состоянии в течение большого времени разогнать массивный корабль до большой скорости. Неудобством является и то, что солнечный «зефир» дует всегда в одну сторону, от Солнца, и что его сила быстро ослабевает с расстоянием, но и это не может служить непреодолимым препятствием, по крайней мере для некоторых полетов в Солнечной системе. Не удивительно поэтому появление в последнее время ряда исследований подобного «парусного космоплавания», несмотря на многие пессимистические высказывания о неосуществимости этой идеи.

Первое такое исследование было произведено еще К. Э. Циолковским. Ряд расчетов осуществил также ф. А. Цандер, специально интересовавшийся возможностью создания легких «зеркальных парусов». Он указывал, в частности, что если использовать в качестве «солнечного паруса» тончайшие листки металла, например алюминия на каркасе из проволоки, то его вес может составлять примерно 3 Г 1м — ничтожная величина! Однако сила солнечного давления, приходящаяся на идеальное зеркало такой же площади, будет несоизмеримо меньше, всего 1 мГ (в действительности, конечно, еще меньше). По Цандеру, можно снабдить космический летательный аппарат весом 500 кГ подобным парусом огромной поверхности в 100 000 м и весом 300 кГ; таким образом будет создана ускоряющая сила менее 10 Г. Эта сила уже одного порядка с тягой некоторых типов электроракетных двигателей. Она *)

*) Мы намеренно не употребляем термина «солнечный ветер», поскольку им в современной науке называют другое явление — открытые в результате успехов космонавтики потоки разреженной солнечной плазмы, щедро посылаемые нашим дневным светилом во все стороны.

вызовет ускорение аппарата, равное примерно 2* 10~ g, т. е. две десятых миллиметра в секунду. Подобные ускорения уже могут обеспечить ряд межпланетных полетов, как об этом будет сказано в следующей, последней главе книги.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм