Коллектив авторов - Маленькие рассказы о большом космосе
Последние три группы — в основном будущее ракетной техники. Можно по-разному оценивать сроки технического осуществления этих проектов, но успехи химии и физики делают их вполне соизмеримыми с нашим терпением.
Дорог золотник, но мал
Людям нужна энергия. Не только каждому человеку в отдельности (в конце концов это его личное дело), но и всему человечеству. И ее ищут уже много веков. Обшарили земной шар, проникли в его недра и раздобыли уголь и нефть, построили плотины и даже ветряные мельницы, чью силу испробовали на себе некоторые всемирно прославленные герои.
Но аппетит приходит во время еды. Человечество решило воспользоваться жизненным опытом известной старухи и тоже стало подумывать о том, как бы приручить золотую рыбку, чтоб она сама ему служила и была б у него на посылках, благо перспектива разбитого корыта ему не грозила. И люди стали эксплуатировать Солнце.
Говорят, что впервые это сделал 22 века назад Архимед, который сжег римские корабли с помощью солнечных зайчиков от сотен маленьких ручных зеркал. Сейчас столь однобокое использование солнечных способностей удовлетворить уже не может. На повестке дня — применение солнечной энергии для нужд человека на Земле и в Космосе.
Чем же привлечь Солнце? «Приманкой» служит один из самых распространенных элементов — кремний, который мы буквально каждый день топчем ногами. Правда, он чересчур общителен и попадается, как правило, в виде соединений. Для солнечных же батарей требуется кремний исключительной чистоты. Этот золотник дорог, зато мал, а ведь в Космосе котируется единственная валютная единица — грамм. Поэтому у солнечных батарей, которые гораздо легче других аккумуляторов, большое будущее.
Конечно, и кремниевые батареи не без греха: коэффициент полезного действия не очень-то высок, да к тому же он понижается при нагревании: солнечные батареи боятся Солнца, вернее — инфракрасной части его спектра.
Но оказалось, что можно использовать и эту самую горячую часть — нужно лишь обратиться к другим солнечным батареям — термоионным. Еще Томас Эдисон обнаружил эффект диода, то есть эффект эмиссии электронов из электрода и протекание слабого тока за счет этой эмиссии, к.п.д. у такого диода — одна стотысячная процента. Однако ученые, подобрав специальные материалы и тепловые режимы, сумели повысить к.п.д. в 2 миллиона раз, а 20 процентов — это уже совсем другой разговор.
Солнечным и несолнечным преобразователям энергии найдется место под Солнцем.
А если плазму!
Плазмой называют четвертое состояние вещества. В отличие от жидкого, твердого и газообразного, где атомы ведут себя пристойно, в состоянии плазмы они могут «оголиться» вплоть до ядер, а электроны начинают вести самостоятельную жизнь. Как в заурядной пьесе, в плазме отрицательного и положительного поровну. В электрическом смысле плазма нейтральна. Она может быть холодной и горячей. Миллионные температуры горячей плазмы привлекают физиков, осуществляющих термоядерную реакцию, а создатели космических двигателей «не брезгуют» и холодной. 3,5–10 тысяч градусов их пока удовлетворяют.
С такой плазмой вы сталкиваетесь гораздо чаще, чем думаете. Например, луч света в темном зале кино бросает угольная дуга — это между двумя электродами горит плазменный шнур.
Мощные электрические дуги дают температуры значительно большие, чем любая химическая реакция. Если разогревать газообразное рабочее тело в пламени такой дуги и выбрасывать через сопло космического двигателя, можно получить скорости истечения 15–20 километров в секунду. В пять раз больше, чем у самых совершенных химических ракет. Причем скорость выходящего из сопла газа у такого электродугового или электрического плазменного двигателя легко регулировать.
Гораздо больших скоростей истечения — до 100 километров в секунду — можно достичь в электромагнитных плазменных двигателях. Здесь конструкторы пользуются тем, что плазма — великолепный проводник тока. Как известно, проводник с током в магнитном поле получает ускорение. На этом принципе работают все электромоторы. Поэтому плазму помещают в магнитное поле, пропускают через нее электрический ток, а дальше все происходит по правилу «трех пальцев».
Ракеты с такими двигателями требуют значительной электрической мощности — примерно 100 киловатт на каждый килограмм тяги. Откуда ее взять? Можно использовать небольшие ядерные реакторы. Можно попытаться использовать энергию Солнца. Например, с помощью зеркал нагревать воду в каком-то котле и потом, пуская пар через турбину, получать электроэнергию или же обратиться к фотоэлементам, термоэлектрическим генераторам.
Использовать такие ракеты в Космосе очень заманчиво. Они требуют гораздо меньше горючего, чем химические, и, следовательно, гораздо легче их. И лететь могут дальше. Правда, стартовать с Земли плазменные корабли (как и ионные) должны все же с помощью химических ракет. Их собственная тяга мала.
Первое «крещение» плазменных двигателей состоялось на борту советской автоматической станции «Зонд-2» в декабре 1964 года. Эти двигатели использовали в качестве управляющих органов в системе ориентации, абсолютно необходимой для любого современного космического аппарата. Система ориентации обязана сохранять заданное положение аппарата в пространстве или изменять его, если в этом возникает необходимость. Она должна, например, следить за тем, чтобы на панели солнечных батарей попадало максимум энергии Солнца, иными словами, чтобы они всегда были перпендикулярны его лучам, направлять на Землю бортовую антенну во время сеанса связи.
Если вдруг автоматическая станция отклонится от курса, система ориентации должна повернуть аппарат, чтобы можно было включить двигатели системы коррекции и исправить ошибку.
Плазменные двигатели можно использовать также для перевода спутников с одной орбиты на другую, для выполнения различных маневров при сборке околоземных космических станций. Наконец, они могут служить и «маршевым двигателем» для межпланетных полетов. Возможно, грузовые межпланетные лайнеры будущего будут снабжены такими двигателями.
Ион! — и он туда же!
Самолеты, паровозы, теплоходы, электропоезда, автобусы… Пожалуй, не перечислить всех видов земного транспорта. В Космосе выбор более скромный. Точнее — выбора нет. Спутники, космические аппараты — это все подвиги известных жидкостных ракетных двигателей. Но скоро им придется потесниться. В двери уже стучатся молодые соперники — ионные двигатели.
Они настолько необычны, что даже трудно подобрать сравнение. Представьте себе, что громадина дубненского синхрофазотрона выброшена в Космос. Конечно, на Земле трудно вообразить силу, способную даже просто сдвинуть с места это сооружение размером со стадион в Лужниках. А вот в Космосе достаточно отдачи самих частиц, которые разгоняет этот ускоритель. Ведь там нет никакого сопротивления движению. (Это, разумеется, не означает, что и в самом деле нужно выбрасывать в Космос такие тяжести!).
В принципе любая ракета движется за счет того, что выбрасывает из сопла продукты сгорания топлива с какой-то скоростью; произведение их массы на эту скорость называется количеством движения. С точки зрения закона сохранения количества движения безразлично, выбросить ли много вещества с небольшой скоростью или немного, но сильно разогнав его. Естественно, что инженеры стараются увеличить скорости истечения газов, ведь тогда топлива потребуется меньше и будет гораздо больше полезного груза.
Химические ракеты в этом отношении уже почти достигли своего потолка. Несколько километров в секунду — большего из них не выжмешь. В ионных ракетах скорость истечения принципиально ограничена только скоростью света: быстрее не может двигаться ни одно материальное тело. Поэтому идея превратить ускоритель частиц в космический двигатель не удивит физика.
Основными элементами ионного двигателя являются рабочее тело, ионизационная камера, источник энергии, ускоритель ионов. Задача очень простая: получить заряженные частицы и их разогнать.
В камере — пары цезия или рубидия. Такие «экстравагантные» материалы выбраны в качестве рабочего тела по двум причинам. Во-первых, они массивны, их выгодно отбрасывать; во-вторых, это очень щедрые элементы — легко ионизируются, то есть легко отдают единственный электрон с внешней оболочки своего атома и становятся положительно заряженными ионами…
Электрическое поле кольцевых, вытягивающих электродов непрерывно извлекает из ионного облака узкий пучок и швыряет его на ускоряющие электроды. Один за другим они как бы подхватывают пучок и разгоняют частицы до очень большой скорости. Остается только выбросить их через сопло в космическую пустоту.
