Образовательный портал о загадках Планеты Земля.

 Образовательный портал об НЛО , Уфологии и других загадках Земли
| Главная страница |

К вопросу о внешних ресурсах.

К «внешним», то есть не запасаемым на борту летательного аппарата, ресурсам можно отнести электростатическое и магнитное поля Земли, различные виды энергии атмосферы (механическую, тепловую, химическую), энергию солнечного излучения, а также термоядерную энергию, сосредоточенную в космическом водороде.

Всю эту энергию вполне возможно извлечь, преобразовать и использовать для перемещения космических аппаратов.

Ближайшим к нам «внешним ресурсом», который может быть использован как источник дешевой (практически дармовой) энергии, является атмосфера.

И по сегодняшний день конструкторы космической техники воспринимают атмосферу как личного врага, накладывающего своим аэродинамическим сопротивлением известные ограничения. И в то же время путь, который позволит сделать из врага союзника, хорошо известен. Это — замена первой стартовой ступени на аэростатическую или авиационную систему.

Собственно, обсуждению преимуществ таких систем перед традиционными и посвящена настоящая книга, и в предыдущих главах я уже показывал, сколько выгод дает их применение, однако развитие космических технологий идет пока в другом направлении, и способы использования внешнего ресурса атмосферы должны опираться на существующий задел.

Например, предлагается устанавливать на первых ступенях ракет-носителей воздушно-реактивные двигатели — турбореактивные и прямоточные. Наиболее пригодны для подобного использования прямоточные двигатели с так называемым сверхзвуковым сгоранием (в этих двигателях топливо сгорает в воздушном потоке, движущемся со сверхзвуковой скоростью, что позволяет резко уменьшить размеры и вес двигателя по сравнению с обычными прямоточными двигателями, внутри которых воздушный поток до сгорания затормаживается до дозвуковой скорости) и различные гиперзвуковые прямоточные двигатели. Помимо выигрыша в величине удельного импульса, применение совершенных прямоточных двигателей может привести также к значительному уменьшению веса ракеты. Особенно выгодно применение прямоточных двигателей на возвращаемых с целью повторного использования ступенях ракетыносителя.

По одному из подобных проектов в США предполагалось создать ступень тяжелой космической ракеты «Арктур», снабженную турбопрямоточными двигателями и весящую около 550 тонн. Эта ступень должна разгонять ракету общим весом около 1650 тонн до скорости 1200 м/с. По расчетам, ракета сможет обеспечить плавную посадку на Луну груза весом до 27 тонн.

Разрабатываются проекты установки на подобных ступенях и ракетно-прямоточных двигателей, в которых обогащенные горючим продукты сгорания ракетного двигателя будут вытекать в прямоточный двигатель, где произойдет дожигание газов с использованием атмосферного кислорода.

Для облегчения засасывания атмосферного воздуха в этот двигатель предполагается установить на ракете специальное устройство — эжектор, в котором используется подсасывающее действие высокоскоростной реактивной струи, вытекающей из ракетного двигателя. Подсасывание воздуха в реактивную струю может привести к увеличению удельного импульса даже при отсутствии сгорания за ракетным двигателем и только за счет увеличения тяги из-за роста массы газов в реактивной струе.

Использование атмосферного кислорода представляется некоторым авторам и иначе. По их мнению, с помощью специального летательного аппарата с воздушно-реактивными двигателями, совершающего длительные полеты у границ плотной атмосферы (то есть на высотах порядка 80-110 километров), можно осуществить конденсацию и накопление кислорода из атмосферы. Эта возможность связана с тем, что, как показывает расчет, мощность двигателей на таких высотах оказывается достаточной и для преодоления лобового сопротивления аппарата, и для осуществления процесса сжижения кислорода. Считается, что после накопления кислорода в количестве, равном весу летательного аппарата, может быть осуществлена дальнейшая фаза космического полета с помощью жидкостного ракетного двигателя, работающего на жидком водороде. Может быть организована и передача жидкого кислорода другим космическим ракетам путем заправки в полете.

Еще более радикальным является другое предложение об использовании ресурса верхних слоев земной атмосферы как практически неисчерпаемой кладовой активных химических веществ, которые могут служить превосходным ракетным топливом. Эти вещества образуются в результате взаимодействия атмосферы с коротковолновым излучением Солнца, являясь продуктами фотохимических реакций, идущих под действием этого излучения. Как было подтверждено с помощью ракетных исследований ионосферы, на высотах более 80-100 километров молекулы кислорода, а затем и азота, распадаются на составляющие их атомы. Такой распад, требующий затраты значительных количеств тепла, идет под действием жесткого коротковолнового излучения Солнца.

Образующиеся таким образом за счет аккумулирования солнечной энергии атомарные газы, кислород и азот, весьма активны химически и стремятся снова к слиянию в молекулы с выделением затраченной на диссоциацию энергии. Произведенные расчеты показывают, что количество запасенной таким образом в атмосфере химической энергии превосходит энергию всех известных запасов химического топлива на Земле.

В 1956 году в США были предприняты первые попытки экспериментального доказательства возможности ускорения процесса рекомбинации атомарных газов атмосферы. Для этого с геофизической ракеты «Аэроби», запущенной в ионосферу, на высоте около 90 километров было выброшено примерно 9 килограммов вещества, являющегося катализатором, ускоряющим реакцию рекомбинации атомарного кислорода. Немедленно вслед за этим в ночном небе образовалось быстрорастущее и яркое зеленовато-белое облако — начался бурный процесс рекомбинации.

Неудивительно возникновение мысли о возможности осуществления подобного каталитического процесса рекомбинации внутри двигателя ракеты, с тем чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию для создания движущей реактивной струи. Подобные предложения неоднократно высказывались как у нас в стране, так и за рубежом. Такие гипотетические двигатели называются «хемосферными» (поскольку зону ионосферы с максимальной интенсивностью процесса диссоциации газов называют хемосферой), или «ионосферными».

Принципиальное устройство ионосферного двигателя весьма просто. Он напоминает собой обычный сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель — спереди через воздухозаборное отверстие в двигатель поступает атмосферный воздух с высокой концентрацией атомарных газов, сзади через сопло вытекает раскаленная струя рекомбинировавших молекул кислорода и азота. Место камеры сгорания этого двигателя, работающего без какого бы то ни было топлива, занимает рабочая камера рекомбинации, в которой помещен катализатор. В печати указывается, что одним из наилучших возможных катализаторов является золото — тонким слоем оно может покрывать стенки камеры и перегораживающую ее решетку. Впрочем, катализатор может оказаться и вовсе не нужным, так как в результате сжатия набегающего потока во входном воздухозаборнике двигателя температура и давление в нем повысятся настолько, что рекомбинация пойдет сама по себе.

Однако, несмотря на внешнюю заманчивость этой идеи «бесплатного» энергопитания силовой установки летательного аппарата, практическая ее реализация весьма сомнительна.

Действительно, при полете с очень большими, например орбитальными, скоростями такой двигатель будет обладать чрезмерно большим лобовым сопротивлением, в несколько раз превосходящим развиваемую им полезную тягу. Чтобы тяга превосходила сопротивление, скорость полета должна быть относительно небольшой, примерно в 2–4 раза больше скорости звука, но тогда возникают трудности, связанные с созданием необходимой подъемной силы, то есть удержанием летательного аппарата на данной высоте.

Другой внешний ресурс атмосферы — это электрический заряд. Известно, что в самых верхних слоях частицы воздуха ионизованы, они уже не нейтральны, как у Земли. Это наводит на мысль о том, что при полете в ионосфере можно использовать ионизованные частицы в качестве рабочего вещества электроракетных двигателей. Точнее говоря, это будут уже не электроракетные, а своеобразные электропрямоточные или ионно-прямоточные двигатели. В них 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 позади, создавая реактивную тягу.

Конечно же, 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 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.

Правда, в космосе также встречаются заряженные частицы вещества — например, в космическом излучении. Испускает подобные корпускулярные потоки 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, 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 расположение, конфигурацию, интенсивность, чтобы умело управлять разгоном корабля.

Очевидно, что и на этот метод использования электромагнитной энергии космоса вряд ли можно всерьез рассчитывать в ближайшее время.

Правда, одно космическое магнитное поле нам хорошо известно, и его использование кажется вполне возможным и даже в ряде случаев выгодным. Речь идет о геомагнитном поле.

В свое время в США активно обсуждалась 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 (от 1 до 50 километров) с расположенными на ее концах контакторами; такое устройство движителя позволяет использовать его одновременно и для так называемой гравитационной ориентации в пространстве. 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 вместе с плазмой образует своеобразный замкнутый контур. Но взаимодействие тока с магнитным полем связано с возникновением пондеромоторной 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 — в принципе, почти такую же, 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, 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.

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 10 000 километров из-за ослабления геомагнитного поля он уже практически невыгоден.

Рассмотренные выше способы использования внешних ресурсов пригодны только для полетов в пределах Солнечной системы. Для межзвездных полетов они оказываются непригодными.

Однако даже в межзвездном пространстве имеется готовый к употреблению ресурс. Это — межзвездный водород, который теоретически можно использовать в прямоточном термоядерном двигателе.

Для предварительных расчетов можно принять, что межпланетная среда состоит из водорода, находящегося в молекулярном, атомарном и ионизованном состояниях. Таким образом, основой энергетического процесса двигателя можно считать получение на борту летательного аппарата термоядерной энергии, выделяемой в результате синтеза космического водорода.

Итак, внешний вид космической ракеты с термоядерным прямоточным двигателем необычен: навстречу полету, на большое расстояние от корабля вытянулся ярко-фиолетовый ионизирующий луч, выходящий из передней точки заостренного центрального тела геометрического конусообразного массозаборника. Этот луч может быть пучком ускоренных электронов, гамма-излучением, рентгеновским или ультрафиолетовым излучением. Предназначен он для ионизации встречного (набегающего) потока водорода или, если применяется пучок электронов, для предварительной фокусировки (стягивания ближе к оси пучка) этого водорода за счет сил электростатического взаимодействия.

По периметру геометрического массозаборника, имеющего довольно внушительные размеры (диаметр около 20 метров и длина около 25 метров), проложены в один-два слоя витки сверхпроводниковой катушки с током. Эта катушка представляет собой сложное инженерное сооружение.

При ее работе на витки действуют огромные разрывающие усилия и силы, прижимающие витки друг к другу. Материал витков должен быть весьма прочен при сверхнизких (гелиевых) температурах, иметь малую плотность и допускать высокие значения плотности электрического тока.

Конструкция витков должна предусматривать их интенсивное охлаждение жидким гелием (температура около 4°К), причем без выброса гелия в окружающее пространство.

Как известно, гелий весьма текуч, он просачивается не только сквозь мельчайшие зазоры в арматуре, но и проникает буквально «сквозь стенки», даже металлические. В крайнем случае эта неизбежная потеря должна восполняться посредством отбора части гелия, получаемого от термоядерного синтеза.

Только что описанная катушка нужна для формирования магнитного поля, фокусирующего набегающий поток.

Ионизированные частицы внешнего набегающего потока (в основном протоны и электроны) встречаются с магнитным полем и начинают двигаться вдоль магнитных силовых линий, вращаясь вокруг них по спиралям. Поскольку магнитные силовые линии сходятся у входа в геометрический массозаборник, частицы фокусируются этой своеобразной магнитной воронкой. Оказывается, что подобный способ фокусирования набегающих частиц позволяет значительно увеличить эффективную площадь входа массозаборника Такое входное устройство даже при весьма незначительной плотности межпланетной среды (10 в минус семьнадцатой степени кг/м?) будет весьма эффективным. Например, при полете со скоростью 100 км/с за одну секунду в массозаборник поступит около одного килограмма водорода. Если предположить, что 75 % поступившего водорода прореагирует в термоядерном устройстве, то выделение энергии будет равно 5*10?? кДж/с.

Поскольку доля энергии, требуемая для обеспечения внутренних потребностей корабля (в частности, для создания магнитного фокусирующего поля и работы бортовых систем), весьма незначительна, будем считать, что вся выделяющаяся энергия идет на создание тяги.

Тяга прямоточного межпланетного двигателя создается за счет передачи выделившейся энергии, захваченной массозаборником, внешней массе. Численно тяга определяется приростом скорости захватываемого вещества, умноженным на массовый секундный расход этого вещества. Поскольку в нашем частном случае массовый секундный расход равен единице, тяга просто равна приращению скорости захватываемого потока, которое оказывается стократным. Соответственно, тяга такого идеального двигателя будет огромной — около 10?? килограммов!

Рассмотренный в предыдущем разделе фотонный двигатель требует, как мы установили, размещения на борту космического корабля довольно большого запаса вещества и антивещества.

Нельзя ли каким-то образом использовать с той же целью внешний ресурс космического пространства?

Ученые подсчитали, что среди обычного водорода может находиться примерно 0,5?10 в минус седьмой степени часть антиводорода или антигелия.

Соединяясь с обычным веществом, эти частицы дадут возможность захватывать массозаборником аннигиляционное горючее, каждый килограмм которого выделяет предельно возможную энергию примерно в 1000 раз больше энергии, выделяемой при синтезе водорода. Существуют гипотезы, что в различных районах нашей Галактики, а тем более в межгалактическом пространстве имеются целые области, состоящие в основном из антивещества (предполагают даже, что имеются антизвезды и антигалактики!). Тем не менее эти гипотезы пока подтверждения не нашли, и нам остается констатировать «печальный» факт — доля антивещества во внешней среде слишком мала, чтобы дать сколько-нибудь ощутимый вклад в энергетический выход от термоядерной реакции.

Итак, на борту ракеты необходимо запасать антивещество, которое при достижении ею скорости полета 200 300 км/с с помощью термоядерного прямоточного двигателя следует использовать для получения «фотонной» тяги и дальнейшего разгона.

Рассмотрим сначала проблемы получения и хранения антивещества. Об этих проблемах мало сказать, что они далеки от разрешения. Современное состояние физики таково, что они не могут даже быть поставлены на повестку дня. И тем не менее успехи современного физического эксперимента с каждым днем приближают нас к такой возможности.

Начнем с того, что создание крупнейших ускорителей в Дубне и Серпухове позволило получить и исследовать свойства антипротона — ядра антиводорода, а затем ядер антидейтерия и антигелия. Еще пока нет установок для получения пучков этих «антиядер», но, когда они будут созданы, проблема получения упомянутых антиэлементов окажется, по-видимому, разрешимой. Дело в том, что оснастить полученные «антиядра» антиэлектронами (то есть позитронами — частицами, равными по массе электронам, но имеющими положительный заряд) значительно проще.

Позитроны научились уже не только получать, но и накапливать в значительных количествах в так называемых «накопительных кольцах» — кольцевых магнитных системах, напоминающих ускорители. Смешивая «антиядра» и позитроны, можно получить нейтральную плазму антивещества.

Как известно, плазма при магнитной изоляции может продолжительное (по физическим понятиям) время не вступать в контакты со стенками камер. К сожалению, такое антивещество еще не может считаться пригодным для хранения на борту ракеты. Необходимо разработать процесс охлаждения вплоть до отвердевания, скажем, антидейтерия.

Твердый антидейтерий обладает достаточной плотностью для того, чтобы его можно было разместить в межзвездной ракете. Кроме того, контейнеры для его хранения не нужны. Сферические или цилиндрические глыбы антидейтерия будут удерживаться вблизи корабля с помощью электростатических полей определенной формы при постоянном (динамическом) регулировании.

В настоящее время пока нет представления о том, каким способом подавать антивещество в зону реакции. Может быть, будет пригоден «простой» метод эрозии антивещества вследствие взаимодействия с ним потока вещества, захваченного массозаборником. Обсуждается и другой способ эрозии и разгона антивещества с помощью лазерной установки.

Еще одна возможность использования космического пространства в качестве внешнего ресурса связана с высказываемой за рубежом идеей использования в качестве химического ракетного топлива космической пыли, заполняющей мировое пространство. Предполагается, что эта пыль может сгорать в пульсирующем детонационном ракетном двигателе.

Хотя плотность пыли исключительно мала, при большой скорости движения космической ракеты может быть получена определенная реактивная тяга. Интересно, что в последнее время проведены успешные эксперименты, подтверждающие принципиальную осуществимость двигателя с детонационным сгоранием.



Приходько Валентин Иванович , Copyright © 2010-2016 г. E-mail: adm-site-val@rambler.ru , Украина .
Перепечатка материалов автора с обязательной ссылкой на авторство и сайт - ПРИВЕТСТВУЕТСЯ !.