Александр Дмитриев - Космические двигатели будущего
Общий КПД таких систем может достигать 8 — 12 %, что вполне сопоставимо с общим КПД СВЧ-систем. Однако в отличие от СВЧ-систем лазерные системы не являются всепогодными, так как лазерное излучение испытывает сильное поглощение при распространении в облаках и зонах выпадания осадков. Этот вопрос, видимо, может быть решен с помощью создания резервных наземных приемных станций, а также при размещении приемных станций в районах с низкой вероятностью выпадания осадков. При использовании лазерных космических энергостанций в качестве внешнего источника энергии для разгона космических аппаратов и ракет погодные условия могут оказывать влияние только на атмосферном участке траектории.
ДВИГАТЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВНЕШНИХ ИСТОЧНИКОВ МАССЫ
Почти во всех рассмотренных ранее двигательных системах масса, от которой отталкивается ракета (отбрасываемая масса), сосредоточена на борту ракеты. Для хранения массы требуются баки и поддерживающая их конструкция, что сильно увеличивает массу ракеты, ограничивает ее стартовую массу и сокращает при данном запасе массы характеристическую- скорость полезного груза. Отсюда, естественно, стремление к использованию в ракетных двигателях внешних масс, подобно тому как это осуществляется в наземном и воздушном транспорте, когда в качестве отбрасываемой массы используется либо сама Земля, либо ее атмосфера.
Проведено много исследований по использованию земной атмосферы для старта ракет с поверхности Земли. При этом ожидался двоякий выигрыш. Во-первых, кислород в воздухе может играть роль окислителя горючего, запасаемого на борту ракеты, что эквивалентно увеличению общего запаса энергии на борту ракеты. Во-вторых, увеличение количества отбрасываемой массы позволит снизить скорость истечения, а, следовательно, на начальном участке траектории полета увеличится тяговый КПД. Кроме того, при заданной мощности двигателя за счет дополнительной отбрасываемой массы можно увеличить тягу и запускать ракеты больших стартовых масс.
Как источник кислорода и дополнительной массы, воздух широко применяется в современных газотурбинных и прямоточных воздушно-реактивных двигателях (ВРД).
Принцип работы ВРД состоит в том, что поступающий в двигатель со скоростью летательного аппарата воздух увеличивает свою скорость за счет выделяемой в двигателе энергии. Разность скоростей воздуха на входе в двигатель и на выходе из него, помноженная на массовый расход воздуха, как раз и равна тяге двигателя. Поскольку при заданном энерговыделении и при прочих равных условиях относительный прирост скорости воздуха будет падать, то с увеличением скорости летательного аппарата будет соответственно уменьшаться тяга ВРД.[5]
Ограничения по скорости полета для двигателей, использующих внешнюю массу, можно существенно снизить, если применять энергию ядерных реакций, подводя ее к воздуху либо непосредственно (как в газофазных реакторах), либо от источника электроэнергии. В первом случае будет происходить вынос радиоактивных продуктов в атмосферу, во втором из-за больших масс бортовой энергоустановки старт с поверхности Земли становится невозможным. Поэтому использование внешней массы в таких двигателях рассматривается лишь в космическом пространстве.
Благодаря низкой плотности вещества в космосе традиционные схемы воздухосборников в виде трубы с раструбом имеют смысл лишь на очень низких орбитах (100–120 км). Для больших высот эффективность воздухозаборника можно значительно увеличить, если снабдить двигатель источником магнитного поля (соленоидом). Межпланетная среда представляет собой ионизированный газ (плазму), причем степень ионизации с удалением от Земли растет, и, начиная с высот 10 000 км, наступает практически полная ионизация.
Как уже указывалось, движение частиц плазмы поперек силовых линий магнитного поля затруднено, и магнитное поле может играть роль воронки, направляющей потоки заряженных частиц в двигатель. В результате эффективная площадь массозаборника при практически достижимых магнитных полях может возрасти в несколько тысяч раз.
Например, для источника магнитного поля в виде витка с током диаметром 15 м и индукцией магнитного поля в центре 10 Тс площадь, с которой будет собираться поток плазмы, составит около 2 км2. Двигатель с подобным заборником массы на низких орбитах при скорости истечения 100 км/с может создавать тягу 2 кгс и потреблять мощность на создание тяги 200 кВт.
Такие двигатели могут быть пригодны для транспортных операций между орбитами с высотами от 300 до 10 000 км. Выше плотность среды сильно падает, и в межпланетном пространстве концентрация частиц составляет всего 10 см–3, что соответствует плотности 10–20 кг/м3. Для того чтобы представить себе такую степень разрежения вещества, воспользуемся образным сравнением известного английского астронома Дж. Джинса: «Одним своим выдохом муха могла бы заполнить воздухом такой плотности целый собор».
Массовый расход через двигатель будет, конечно, увеличиваться с ростом скорости ракеты, но при этом из-за увеличения энергии потока при постоянной напряженности магнитного поля будет и уменьшаться эффективный размер магнитного заборника. В итоге расход массы будет расти всего лишь пропорционально корню кубическому из скорости.
Если двигатель, снабженный магнитным массозаборником, будет чисто ионным (без компенсации заряда отбрасываемых частиц), то возможно некоторое увеличение потока внешней массы за счет появления электрического заряда на ракете. Например, если двигатель ускоряет положительно заряженные ионы, то он приобретает отрицательный заряд и начинает притягивать ионы космического пространства. Эти ионы магнитным полем могут направляться в ускорительное устройство и использоваться как рабочее тело.
Однако для получения таким способом достаточных расходов массы при плотности межпланетной среды нужны очень высокие потенциалы ракеты относительно окружающего пространства. Для корабля диаметром 15 м при потенциале 106 В массовый поток составит 4 · 10–8 кг/с. При доускорении этого потока, скажем, потенциалом в 10 раз большим, тяга двигателя составит 0,03 кгс. Но ускорение разностью потенциалов 107 В соответствует энергии частиц, образующихся при термоядерных реакциях. В этом случае если использовать их в качестве отбрасываемой массы, добавление ионов космической плазмы не даст заметного выигрыша в тяге.
Подводя итоги всему сказанному, можно сделать вывод о том, что использование межпланетной, а тем более межзвездной среды в качестве рабочего тела ракетных двигателей станет возможным, если характеристики существующих источников магнитного поля будут увеличены в сотни тысяч раз. Пути такого повышения в настоящее время даже неизвестны.
Однако в межпланетном пространстве имеется достаточное количество макротел — планет, их спутников, астероидов, метеоритов. Мы не будем касаться непосредственного употребления пород, слагающих космические тела, и их атмосфер. В принципе вещества, из которых состоят космические тела, могут быть применены в любых из описанных здесь двигателях. Рассмотрим лишь способы бесконтактного использования макротел.
Наиболее сильно в космическом пространстве проявляется гравитационное взаимодействие. К сожалению, возможности его использования для ускорения космических аппаратов сильно ограниченны. Действительно, пролетая мимо космического тела, ракета будет разгоняться за счет его притяжения до тех пор, пока не пройдет точку минимального сближения. Далее начнется ее торможение, и суммарное изменение кинетической энергии ракеты будет равно нулю. Если бы после минимального сближения можно было бы заэкранировать силу тяготения или изменить ее знак на противоположный, то многие задачи космических полетов были бы легко решены. Но, увы, современная наука даже не знает, возможны ли вообще такие манипуляции с гравитационным полем.
Тем не менее в некоторых случаях гравитационным взаимодействием можно воспользоваться для сокращения бортового запаса массы. Это касается в первую очередь поворота плоскостей орбиты космических аппаратов. Например, при запуске геостационарного спутника с облетом Луны можно сократить расход рабочего тела на 10 % по сравнению с прямым запуском. Более" того, возможны двигательные системы, работающие за счет неоднородностей гравитационного поля, которые для перемещения полезного груза в поле тяжести вообще не нуждаются в бортовых запасах массы.
Принцип их работы основан на использовании так называемых приливных сил (рис. 14). Если две массы, связанные тросом, вращаются на орбите искусственного спутника Земли, то в целом такая система движется со скоростью, соответствующей орбите ее центра масс. В результате масса, наиболее удаленная от Земли, будет иметь большую скорость, чем нужно для ее равновесного движения, и поэтому на нее должна действовать избыточная центробежная сила. Для ближней к Земле массе, наоборот, скорость меньше равновесной и имеется избыточная гравитационная сила, равная и противоположно направленная сила, приложенной к верхней массе.
