Битва за звезды-2. Космическое противостояние (часть II) - Антон Первушин

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 10¹¹ 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.

Солнечные паруса и парусолеты

Тип движителей, использующий внешний ресурс солнечного излучения, принято выделять в особую группу. Это солнечные паруса и так называемые солнечные энергодвигательные установки.

Принцип работы солнечного паруса основан на действии давления падающих на поверхность солнечных лучей. Это свойство стало известно благодаря двум замечательным ученым: английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1873 году предсказал его теоретически, русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1899 году доказал его существование путем эксперимента.

Конечно же, сила давления лучей Солнца, действующих 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 «ветер» 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.

Первое такое исследование вопроса использования давления солнечных лучей было произведено Константином Циолковским.

Более детальные расчеты осуществил главный радетель идеи использования внешних ресурсов Фридрих Цандер, который специально интересовался 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/м² — ничтожная величина! Однако сила солнечного давления, приходящаяся на идеальное зеркало такой же площади, будет несоизмеримо меньше — всего 1 миллиграмм (в действительности же еще меньше). По Цандеру, можно снабдить космический летательный аппарат весом 500 килограммов подобным парусом огромной поверхности в 100 000 м² и весом 300 килограммов; таким образом будет создана ускоряющая сила менее 10 граммов. Эта сила уже одного порядка с тягой некоторых типов электроракетных двигателей. Она вызовет ускорение аппарата, равное примерно 0,2 мм/с². Подобные ускорения уже могут обеспечить ряд межпланетных полетов.

Интересны, в частности, результаты теоретических расчетов, выполненных сотрудниками Вычислительного центра Академии Наук СССР и доложенные ими на Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике в 1964 году.

По этим расчетам солнечно-парусные космические корабли, двигаясь по разработанным авторами оптимальным траекториям, могли бы достичь Марса за 122 суток, Венеры — за 164 суток, Меркурия — за 200 суток. Полет к Юпитеру должен длиться 6,6 года, к Урану — 49 лет. Близкие данные получены позднее и американскими учеными; в частности, полет к Марсу космического зонда весом 91 килограмм с помощью паруса площадью 46 м² должен потребовать, по этим данным, 135 суток.

Эффективные «солнечные паруса» могут быть созданы с помощью разработанных химией пластмасс, тончайших и прочных полимерных пленок, если на эти пленки нанести распыливанием совершенно ничтожный слой металла для обеспечения достаточно высокой отражающей способности.

Пленка гораздо удобнее металла в отношении ее хранения в свернутом виде (ведь огромный парус должен быть упакованным в небольшой контейнер ракеты, выводящей «солнечный» корабль в космос при взлете с Земли) и управления парусом.

Один из проработанных проектов солнечного паруса был предложен в середине 60-х годов доктором Гарвином. По Гарвину, вес зеркала принимается равным весу остальных элементов летательного аппарата (иногда в несколько раз меньшим), так что общая масса его, приходящаяся на 1 м² поверхности паруса, равна 5 граммам. Парус Гарвина имеет вид гигантского парашюта диаметром примерно 21 метр, прикрепленного к летательному аппарату стропами длиной примерно 60 метров. Интересно, что солнечный «ветер» так слаб, что парашют наполняется только за 80 секунд!..