Александр Дмитриев - Космические двигатели будущего
Согласно основному постулату теории относительности максимально возможная скорость в природе есть скорость света — 300 000 км/с. Естественно, эта скорость будет предельной и для скорости истечения в ракетных двигателях. Скорости, близкие к скорости света, можно получить в электрических двигателях, например в электронных или ионных ускорителях. Однако, как это следует из общефизических соображений, в этом случае энергию, затрачиваемую на ускорение частиц, более целесообразно с точки зрения получения максимальной характеристической скорости использовать для создания тяги с помощью электромагнитного излучения.
Известно, что электромагнитное излучение, к которому относится и видимый свет, оказывает давление на материальные тела. Соответственно этому излучающее тело испытывает импульс отдачи фотонов электромагнитного поля. Поэтому каждое направленно излучающее тело может являться фотонным двигателем. Реактивная тяга направленного излучения равна мощности излучения, деленной на скорость света, т. е. каждый 1 кВт излучаемой мощности создает тягу 3,3· 10–7 кгс.
Простейшим фотонным двигателем может быть заэкранированный с одной стороны холодильник-излучатель. Поскольку в энергию струи электрореактивного двигателя переходит около 10 % энергии, вырабатываемой бортовой энергоустановкой, то при скорости истечения, равной 0,1 скорости света, тяга, создаваемая холодильником-излучателем, становится сравнимой с тягой двигателя.
Несмотря на относительную простоту фотонных двигателей, их нецелесообразно применять с любыми, используемыми в настоящее время источниками энергии, включая термоядерные. Обычно в энергию переходит лишь часть массы источника: для ядерных реакций деления — 0,5 %, для термоядерных — 0,15 %. Если в качестве рабочего тела использовать лишь фотоны, то одновременно с полезным грузом придется разгонять до конечной скорости и продукты реакции. Поэтому фотонные двигатели имеет смысл использовать лишь в сочетании с источниками энергии, в которых вся масса или по крайней мере ее большая часть преобразуется в энергию. Таким источником по современным представлениям может быть лишь реакция аннигиляции, т. е. взаимодействие частиц и античастиц.
Для синтеза античастиц (например, антипротонов) необходимы мощные ускорители, причем выход античастиц в реакции очень мал. Считается, что для получения энергии в 1 Дж, заключенной в антипротонах, потребуется затратить электроэнергии не менее 100 кДж. Таким образом, накопление сколь-нибудь значительного количества антивещества находится за пределами возможностей современной техники.
Другой проблемой, возникающей при реализации фотонных двигателей, является хранение антивещества. Поскольку материал конструкции ракеты является обычным веществом, то должен быть исключен всякий контакт антивещества со стенками баков. Поэтому антивещество может быть «подвешено» в электрических или магнитных полях.
Требования к системе теплосъема в фотонных двигателях будут чрезвычайно жесткими. Реализуемые в настоящее время системы теплоотвода, включая холодильник-излучатель, имеют массу не менее 0,01 кг на 1 кВт сбрасываемой мощности. В этом случае, даже если пренебречь другими составляющими ракеты, она будет иметь ускорение не более 2 · 10–4 м/с2, и разгон такой ракеты до скорости всего 10 км/с будет продолжаться более года.
Из всего сказанного следует, что создание фотонного двигателя дело чрезвычайно отдаленного будущего. Ряд исследователей подвергают сомнению рациональность и даже принципиальную возможность его создания, другие прямо относят фотонный двигатель к области научной фантастики.
ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ВНЕШНИМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
Выше были рассмотрены требования, предъявляемые к перспективным космическим двигательным системам автономного типа, и показано, как эти требования определяют направления развития автономных двигательных систем. В автономных системах энергия и масса, необходимые для создания тяги и разгона космического аппарата, находятся на самом аппарате. Поэтому прогресс в развитии таких двигателей связан с улучшением удельных энергетических характеристик, т. е. с увеличением количества энергии, запасенной на единицу массы рабочего тела.
Ситуация меняется, если источник энергии, с помощью которой создается тяга, находится вне аппарата. В этом случае указанная характеристика теряет смысл. Однако по-прежнему важно, какое количество энергии поступает в двигательную установку и насколько — поступающая энергия пригодна для разгона рабочего тела.
Если на время отвлечься от вопросов преобразования поступающей извне энергии в кинетическую энергию истекающего с высокой скоростью рабочего тела, основным фактором становится количество энергии, подводимой к двигательной установке в единицу времени. Отсюда следует, что характеристики двигательной установки космического аппарата не зависят от массы и удельных характеристик источника энергии, а определяются мощностью внешнего источника и эффективностью передачи энергии от источника в двигательную установку космического аппарата.
Как и в случае автономных двигателей с разделенными источниками энергии и массы, в двигателях с внешним источником энергии с увеличением мощности, вводимой в двигательную установку, уменьшается и расход массы рабочего тела на создание единицы тяги, поскольку растет скорость истечения рабочего тела. Если скорость истечения становится выше 4,5–5 км/с, ракета или космический аппарат, оснащенный двигательной системой с внешним источником, начинает превосходить аппараты с ЖРД по такой важной характеристике, как отношение массы полезной нагрузки к: стартовой массе.
Еще одна существенная особенность использования внешних источников заключается в расширении спектра рабочих тел, применяемых в двигателях. В частности, их использование может значительно облегчить применение атмосферного воздуха в качестве рабочего тела при выведении аппарата, стартующего с поверхности Земли, на низкую орбиту. Есть основания предполагать, что на основе двигателей с внешними источниками энергии можно создать транспортные системы выведения полезных грузов на орбиту Земли с характеристиками, значительно превосходящими характеристики систем с химическими двигателями. Таковы предварительные соображения, касающиеся перспектив двигательных систем с внешними источниками энергии и импульса. Какими же возможностями, в том числе потенциальными (ведь речь идет о будущем), обладают современные наука и техника для реализации идеи использования энергии внешних источников для двигательных установок?
Рассмотрим основные элементы, из которых состоит двигательная система, использующая внешний источник. Это, во-первых, сама двигательная установка (ее конструкция и характеристики в значительной степени зависят от типа рабочего тела и вида используемой энергии). Во-вторых, внешний источник энергии как естественного происхождения, так и искусственного. Естественным источником может служить Солнце, межпланетная и межзвездная среда. Искусственным внешним источником энергии является, например, мощный источник направленного электромагнитного излучения.
Третий необходимый элемент двигательной системы с внешним источником энергии — это устройство приема и, если необходимо, преобразования энергии в форму, приемлемую для превращения в кинетическую энергию рабочего тела. И наконец, последним, четвертым, ключевым элементом двигательной системы является тракт передачи энергии от источника к устройству приема. Космические масштабы и огромные скорости приводят к громадным расстояниям между источником энергии и космическим аппаратом. Причем даже в том случае, когда в начальный момент это расстояние относительно невелико, оно значительно увеличивается за время работы двигательной установки. Поэтому для реализации идеи использования энергии внешнего источника необходимо разработать средства эффективной передачи энергии на большие расстояния (при использовании искусственных источников).
Рассмотрим особенности использования Солнца в качестве внешнего источника энергии. Плотность электромагнитного излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца, и в этом смысле параметры тракта передачи энергии от источника к двигательной установке фиксированы (меняется лишь расстояние от Солнца до космического аппарата). Однако от значения этого единственного переменного параметра тракта в значительной степени зависят характеристики двигательной установки в целом.
В самом деле, при изменении расстояния от источника энергии до космического аппарата в 2 раза плотность потока мощности меняется в 4 раза. Это означает, что для питания двигательной установки фиксированной мощности необходимо увеличить площадь устройства, принимающего солнечную электромагнитную энергию, также в 4 раза. При полете к дальним планетам, расстояние которых от Солнца во много раз превышает расстояние Земли от Солнца, плотность солнечного излучения становится настолько малой, что использование солнечной энергии вряд ли целесообразно. Но даже те расстояния, на которых применение солнечной энергии оправдано, огромны — сотни миллионов километров (таковы характерные размеры тракта передачи энергии).
