Освоение космоса – одна из основных целей и проблем

Освоение космоса – одна из основных целей и проблем современного
человечества. Цель – так как хранит огромное количество ресурсов,
проблема – так как создание и запуск ракет очень дорогостоящий процесс, а
преодоление космических пространств требует много ресурсов и ещё больше
времени. Космические программы хотя бы на следующие 20 лет включают в
себя полёты гораздо дальше Луны, из чего следует вывод, что нам нужно
что-то побыстрее «тихоходных» химических двигателей. Но более того,
Марс, Луна и
несколько крупных спутников Юпитера и Сатурна –
единственные места в нашей системе, куда стоило бы посылать астронавтов.
Так что нам нужно нечто ещё более быстрое. Проведем небольшой расчет.
Пусть нам требуется придать космическому кораблю с массой в 1 т скорость
0,99 С (С — скорость света). Скорость истечения продуктов сгорания-150 км
в секунду.
Результат расчета оказывается весьма и весьма неутешительным:
стартовый вес нашей ракеты должен составлять ни много ни мало... 101400 т!
Это во много раз больше массы не только Земли или Солнца, но и всей
нашей Галактики!
Придадим скорости истечения рабочего вещества значение, в 10 и даже в
100 раз большее, — стартовый вес ракеты вновь окажется чрезмерным. Так
мы
придем
к
естественному
выводу:
чтобы
приблизить
скорость
космического корабля к скорости света, надо, прежде всего, увеличить
скорость истечения рабочего вещества из сопла звездолета. Можно даже
подобрать такое рабочее вещество, которое «течет» со скоростью, в точности
равной С. Это кванты света — фотоны.
Снова проведем расчет, сохраняя прежние исходные данные: масса
космического корабля — 1 т, его крейсерская скорость — 0,99 С. На этот раз
масса нашей космической ракеты составит не так уж много — всего 14 т.
Как же получить достаточное количество фотонов? Есть три способа:
Способ №1 Аннигиляционный фотонный двигатель. (АФД)
Получить необходимое количество излучения можно за счёт аннигиляции
вещества с антивеществом, то есть электронов и протонов с позитронами и
антипротонами. Но при подобных реакциях лишь около трети вещества
превращается в γ-кванты (фотоны). Вторая треть - заряженные частицы, а
треть обратится в нейтрино, то есть будет безвозвратно утеряна. То есть в
результате полезную работу совершит лишь около 23% топлива. Но заправка
кораблей антиматерией – очень дорогостоящее занятие. Антивещество
известно как самая дорогая субстанция на Земле — по оценкам НАСА 2006
года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов
долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы
62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство
миллиардной доли грамма антивещества стоило несколько сотен миллионов
швейцарских франков. Если снабдить корабль устройством для сбора
рассеянных в космическом пространстве
частиц, то топливные ёмкости двигателя
можно будет уменьшить в несколько раз.
К
сожалению,
в
космическом
пространстве слишком мало антивещества
(1 атом антиводорода или антигелия на
5*108 обычного водорода или гелия).
Способ
№2.
Лазерный
фотонный
двигатель. (ЛФД)
Итак, для разгона фотонной ракеты мы
должны превратить в поток фотонов 13 т
вещества. Сколько это будет в пересчете
на
энергию?
Вспомним
формулу
Эйнштейна Е=mс2, проведем несложные
вычисления и получим, что потребляемая нашей ракетой энергия в 15 раз
превышает сегодняшние энергетические потребности человечества! А ведь
ее источник должен уместиться в 14-тонной ракете! Надо ли говорить, что
столь емких аккумуляторов еще не создано ни в одном конструкторском
бюро мира.
Но опять-таки допустим, что нам удалось сконструировать и желанный
аккумулятор и чудесную топку, где вещество превращается в свет. Новая
проблема встает перед нами: как собрать в узкий пучок сноп лучей,
вырывающийся в разные стороны из топки? Воспользоваться зеркалами? Но
разве можно создать зеркала, полностью отражающие падающий на них
свет? Ведь даже сравнительно небольшая доля энергии фотонов уничтожит
их.
Несколько лет назад Л. Шелепиным была предложена схема фотонной
ракеты, в которой в качестве двигателя используется плазменный лазер. Вот
его принципиальная схема. Первый блок — оптический генератор
сравнительно небольшой мощности. Луч, выйдя из оптического генератора,
попадает во второй блок — в усилитель.
Его рабочая среда — сильно ионизированная плазма. Она, как известно,
требует надежного хранилища. Для этой цели могла бы подойти магнитная
«бутылка». Луч из первого блока входит в усилитель, и каждый
новоприбывший фотон прихватывает с собой еще один, уже из плазмы.
Каждый атом плазмы отдает по одному фотону. По расчетам, активная среда
усилителя может иметь длину всего 2,3 м. Но луч лазера, попавший в нее,
она в состоянии усилить в миллиарды раз: каждый грамм плазмы может
подать на магнитную «бутылку» усилие в 10 000 кг!
Идея лазерного двигателя позволяет решить важные проблемы фотонной
ракеты. Но пройдут еще годы и годы, прежде чем лазерный двигатель займет
свое место в корпусе ракеты.
Способ № 3
Во всех предложенных случаях мы
использовали
источник
фотонов
непосредственно на корабле. А что
если толкать наш корабль будет
какой-либо
вроде
внешний
лазера
Солнца?
излучатель,
на Земле,
Тогда
или
движущая
же
часть
корабля будет представлять собой
большое полотно, парус.
Идея
корабль
проста
—
космический
разворачивает
большое
полотно (сотни квадратных метров
или даже несколько километров) —
парус - отражающий, либо поглощающий фотоны света.
На орбите Земли парус массой 0,8 г/м2 испытывает воздействие
солнечного
света
порядка
одного
грамма.
Давление
обратно
пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Даже при большей массе,
парус еще возможно использовать. Проблемы могут возникнуть только при
его развертывании - придется использовать дополнительные механические
устройства.
Главным неудобством солнечного паруса является то, что он может
двигать корабль лишь в сторону от Солнца, а не к нему. Иногда
высказывается мнение, что полет в направлении Солнца возможен, если идти
галсами (здесь очевидна аналогия с зигзагообразным движением морского
парусника против ветра). Изменяя угол наклона солнечного паруса
относительно падающего на него света, можно легко управлять космическим
кораблем, сколь угодно часто меняя его траекторию (удовольствие,
недоступное для ракетных двигателей).
Основное и самое главное достоинство “парусного” способа перемещения
в космическом пространстве — полное отсутствие топливных затрат.
Когда речь заходит о межпланетных путешествиях, преимущества такого
движетеля очевидны. Реактивные двигатели не способны обеспечить
кораблю постоянное ускорение из-за ограниченности их объема. По самым
скромным расчетам, для путешествия на Марс понадобится 900 тонн топлива
— и это при том, что масса полезной нагрузки будет примерно в 10 раз
меньше. Про ракеты еще говорят — “топливо везет само себя”.
На
первый
взгляд,
космический
парус
очень
медлителен.
Да,
действительно, начальные этапы его разгона будут напоминать гонки
черепах. Однако не следует забывать, что ускорение действует постоянно
(для паруса массой 0,8 г/м2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с2). В
условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных
скоростей за весьма короткие сроки.
Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости
в 100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд,
то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для
этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1”
(запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и
является самым удаленным от Земли космическим кораблем.
В настоящее время ученые надеются на развитие нанотехнологий — с их
помощью можно будет создать легчайший и сверхэффективный солнечный
парус из углеродных нанотрубок.
Форма (конструкция) парусов имеет едва ли не большее значение, чем
материал, из которого они сделаны.
Самый простой и надежный (но более тяжелый, а, следовательно — не
слишком быстрый) солнечный парус имеет каркасную конструкцию. Больше
всего он напоминает воздушного змея — легкая крестообразная рама
является несущей основой для четырех треугольных парусов, надежно
закрепленных на ней. Форма каркаса может быть разной — даже круглой.
Очевидное преимущество такой конструкции заключается в надежной
фиксации парусов — они не смогут свернуться и ими легко управлять
(поворачивать под разным углом к свету).
Существуют проекты парусов, не имеющих каркаса — так называемая
“вращающаяся конструкция”. Эти модели выполнены в виде лент,
закрепленных на космическом аппарате. Как следует из названия, раскрытие
парусов этого типа обеспечивается вращением корабля вокруг своей оси.
Центробежные силы (на концах лент закреплен небольшой груз) вытягивают
их в разные стороны, позволяя обойтись без тяжелого каркаса. Теоретически,
такая конструкция обеспечивает более высокую скорость передвижения в
космосе, чем каркасная, за счет своего малого веса.
В России — 4 февраля 1993 года был проведен эксперимент “Знамя-2” с
развертыванием
20-метровой
тонкопленочной
конструкции
за
счет
использования центробежных сил на борту корабля “Прогресс М-15”,
пристыкованного к орбитальной станции “Мир”. Основной задачей
эксперимента было не испытание тяговых качеств этого полотна, а
освещение участка земной поверхности отраженным светом — еще одна
вполне реальная функция солнечных парусов.
Диаметр светового пятна на Земле должен был достигнуть 8 км, а
освещенность — 5 лунетт (полных лун).
Итак, подведём итоги:
АФД
ЛФД
Солнечный
парус
Управляемость
Низкая
Низкая
Высокая
Скорость
Высокая
Высокая
Низкая
Стоимость
Высокая
Средняя
Низкая
Большая
Большая
Осуществимость Малая
Безопасность
Малая
Малая
Большая
Многоразовый
Нет
Нет
Да
Вес
Большой
Большой
Малый
Прочность
Малая
Большая
Малая
Вывод: Рассмотрев три наиболее подходящих для межзвездных полётов
двигателя можно сделать вывод, что наиболее эффективный из них –
солнечный парус.