«Техника-молодежи» 1961 №11, с.5-7

На вкладке изображены схемы трех возможных двигателей для получения электрической тяги в космосе: электростатический ионный, электромагнитный плазменный и электродуговой плазменный двигатели: 1 — источник электроэнергии 2 — источник ионов; 3 — ускоряющий электрод; 4 — замедляющий электрод; 5 — нейтрализирую-щая спираль; 6 — баки с горючим; 7 — генератор плазмы; 8 — электроды; 9 — электромагниты; 10 — дуговая камера. В верхнем правом углу вы видите фотографию экспериментального плазменного двигателя, развивающего тягу примерно в полкилограмма. Температура струи 11000°С, то есть предельное значение, которое можно достигнуть в термических двигателях. Слева — траектории ионной и обычной ракет, совершающих рейс на Луну

Поэтому космические корабли, отправляющиеся с планеты, должны всегда использовать ускорительные двигатели, способные развивать огромные силы. Мы не рассматриваем такие ускорители. Для этих целей, очевидно, еще долгое время будут использовать ракеты на химическом топливе.

Мы будем рассматривать только движение корабля в космосе.

В этих условиях главная задача двигателя — действовать против сил инерции, а не поддерживать корабль. Здесь много общего с двигателем дирижабля, с той только разницей, что последний, кроме сил инерции, преодолевает значительное сопротивление трения.

В космосе нет трения. Здесь нет среды, которая бы противодействовала движению. В этом есть и преимущества и недостатки. Дирижабль движется, отбрасывая назад массы окружающего воздуха. Космический корабль должен нести такие массы с собой: он не сможет перемещаться в космическом пространстве, не отбрасывая части своего собственного веса.

Независимо от того, несет корабль эти массы сам или берет их из окружающей среды, он будет подчиняться закону противодействия: произведение его массы на скорость должно быть равно произведению массы отбрасываемых веществ на их скорость. Другими словами, тяга двигателя космического корабля пропорциональна расходу выбрасываемой массы (число килограммов в секунду) и скорости, с которой эта масса выбрасывается. Из-за отсутствия трения тяга двигателя космического корабля теоретически может быть как угодно малой: любая сила, приложенная в течение длительного времени, даст ускорение и сможет двигать корабль в космосе.

Сейчас в космосе используется только один род двигателя — ракета на химическом топливе.

В таких ракетах тяга образуется за счет выбрасывания горячих продуктов сгорания топлива, которое как бы «хранит» в себе и массу и энергию выбрасываемого вещества. Однако теоретически это не так уж необходимо. Можно нагревать выбрасываемые массы газа с помощью постороннего источника, например ядерного реактора или электрической дуги. Выбрасываемое вещество можно ускорять электромагнитным или электростатическим полем без нагрева. Электрические устройства резко отличаются по своим возможностям от «химических» и «атомных» ракет. Чтобы лучше показать это, посмотрим, какими величинами можно оценить качества космического корабля. Прежде всего -надо сказать, что нет универсального наилучшего двигателя для космического корабля, точно так же как нет универсального транспортного средства вообще. Все зависит от цели путешествия, расстояния, времени и рода перевозимого груза.

Для ракетного двигателя наиболее важна экономия выбрасываемого вещества. Специалисты определяют эту экономию величиной «удельного импульса», то есть отношения развиваемой тяги к расходу выбрасываемого вещества (топлива).

Так как тягу измеряют в килограммах, а расход вещества в килограммах в секунду, то размерность удельного импульса можно выразить в секундах. Тогда эту величину можно представить себе как время, в течение которого один килограмм выбрасываемого вещества будет развивать тягу, равную одному килограмму. Чем больше удельный импульс, тем меньший расход топлива требуется для получения заданной тяги. В свою очередь, величина тяги зависит как от расхода топлива, так и от скорости космического корабля. Поэтому, чтобы получить наибольший удельный импульс, надо максимально увеличивать скорость истечения.

В современных ракетах этого добиваются повышением температуры выбрасываемых газов, однако такой способ имеет недостатки. Лучшие химические топлива сжигаются при температуре около 4000°С. Это позволяет получать скорости истечения до 3 000 м/сек и удельные импульсы около 300 сек. Увеличить эти значения не удается, так как при температуре 4000°С почти все химические связи в веществах разрываются и никакое охлаждение здесь не помогает.

Очевидно, ракеты на химическом топливе уже достигли пределов своих возможностей.

Термоядерные установки будут иметь большие размеры, но дадут возможность использовать в качестве выбрасываемого вещества водород, скорость истечения которого выше, чем у обычных химических толлив.

В поисках повышенных удельных импульсов ученые обратились к электрическим устройствам. Если их усилия увенчаются успехом, мы получим экономичный космический двигатель, во многом отличающийся от уже известных нам. Тяга новых двигателей будет в сотни раз меньше, чем у существующих, а поэтому время их действия сильно увеличится. Величину удельного импульса этих двигателей можно легко менять от очень больших значений до очень малых. Поэтому конструкторам ужно будет заботиться не о получении максимального удельного импульса, а о правильном выборе его величины для данных условий. Как мы увидим, двигатели с большими юкоростями истечения удобны для длительных путешествий.

Электричество можно использовать для нагревания отбрасываемых масс. Давно известно, что электрическая дуга дает температуры значительно большие, чем любая химическая реакция, причем регулировать такое устройство гораздо легче. Можно ожидать, что «дуговые» двигатели будут развивать удельные импульсы до 2 тыс. сек.

Расход мощности в таком двигателе составит около 100 квт на каждый килограмм тяги. При этом вытекающий газ, например водород, будет нагреваться до 10000—15000°С. Стенки камеры сгорания придется не только охлаждать, но и изолировать особым слоем холодных газов. Если повышать температуру газа еще больше, общие потери энергии на охлаждение стенок камеры становятся очень большими.

Поэтому стали искать другие пути. Решили использовать свойство электрической дуги увеличивать электропроводность газа. При температуре дуги газ частично ионизируется. Электроны отделяются от своих атомов, и вещество превращается в смесь из положительно заряженных атомов и свободных электронов.

Эта смесь, или, как ее называют, плазма, обычно в целом нейтральна. Но так как в ней имеется множество «загрязняющих» частиц, она становится превосходным проводником электричества.

Как известно, проводник с током в магнитном поле получает ускорение. На этом основана работа электромотора. Направление движения зависит от направления тока в проводнике.

Расчеты показывают, что подобный «магнитогидроэлектрический» двигатель способен развивать удельные импульсы от 2 тыс. до 4 тыс. сек. Для этого требуются электрические мощности более 100 квт на каждый килограмм тяги и довольно тяжелые устройства.

Другой путь — воздействовать на заряженные частицы электрическим полем.

Здесь уже не годится «смесь» положительных, отрицательных и нейтральных частиц. Использовать энергию поля могут только одинаково заряженные частицы. Проще всего, конечно, получать электроны и ускорять их до высоких скоростей. Однако масса их слишком мала и не будет компенсироваться их высокой скоростью. Поэтому «электростатический» двигатель должен ислользовать положительные ионы.

Обычно в таких двигателях применяют цезий. Он хорошо ионизируется при умеренном нагреве, а атом цезия почти в 240 тысяч раз тяжелее электрона. После того как ионы разогнаны полем высокого напряжения, надо сделать их электрически нейтральными, присоединив к ним потерянные электроны. В противном случае электроны скапливаются на корпусе корабля, заряжая его отрицательно, а это тормозит вытекающую струю положительных ионов. Чтобы нейтрализовать поток, можно поместить на выходе из двигателя нагретую током нить.

Такие ионные двигатели позволяют получать широкий диапазон удельных импульсов от 5 тыс. до 100 тыс. сек. Они требуют мощности 100 квт на каждый килограмм тяги.

Электромагнитный двигатель пока изготовлен лишь в виде очень несовершенной экспериментальной модели. Двигатели же двух других типов очень близки к практическим полетам.

Конечно, дело не обходится без потерь энергии. Для дугового двигателя главные «расхитители» — это потери на прямое лучеиспускание, на нагревание стенок газовой камеры, электродов и сопловых конструкций. Эти потери особенно велики для небольших моделей.

В ионном же двигателе неполная нейтрализация выходящей струи уменьшает получаемую тягу.

Со временем качества электрических двигателей будут улучшаться, однако не следует ожидать, что тяга их сильно увеличится. Для плазменных и «магнитных» устройств она сможет составить несколько сот килограммов на один килограмм веса двигателя, а для электростатических (ионных) — лишь сколько десятков килограммов.

В вопросе об источниках электрической энергии для двигателей космических кораблей пока нет еще полной ясности. Здесь не так уж много возможностей. Одна — привычная атомная установка, включающая реактор и турбогенератор. Однако подобные установки имеют сравнительно большой вес. И лишь при значительных размерах установок можно достигнуть нужного соотношения между их мощностью и весом. Поэтому они пригодны лишь для больших кораблей и тех, которые будут пребывать в космосе продолжительное время, достаточное, чтобы экономией топлива компенсировать первоначальные затраты.

Стихотворение номера ГОВОРИТ ЗЕМЛЯ (Из «Поэмы стремлений») Мне еще далеко, Вечным Млечным Путем Протянулась дорога. В океане вселенной Туманностей материки. Мне еще далеко, Я еще не шагнула с порога. Над уснувшим селеньем Земные шумят ветерки. А в душистых хлевах По-ночному вздыхает скотина, А в поспевших хлебах Откликаются перепела... Мне еще далеко: Я с порога еще не сходила И космических далей Пока не переплыла. Словно волны, валами Вздымаются тучи над крышей, Млечный Путь закрывают, Выплевывают дожди, Надрываются громом. Но ты лишь аукни — услышу. Я спешу, Я в дороге, И ты обязательно жди! Или лучше навстречу, Иди мне навстречу скорее, Неизвестный цветок Осторожно сжимая в руке, И тогда я тебя Всей земною любовью согрею, Обо всем расскажу На певучем земном языке. Чтоб с дороги не сбился ты, Места свиданья не спутал, Чтобы встретил тебя Наш приветливый солнечный свет, Я вперед высылаю Сегодня за спутником спутник, Отмечаю дорогу Приметами первых ракет. Ирина ОЗЕРОВА

С другой стороны, требуется, чтобы атомная силовая установка могла работать автоматически в глубоком вакууме, бомбардируемая метеоритами и подверженная очень резким скачкам температуры.

Если бы ядерные реакторы были доведены до такого совершенства, они стали бы идеальным источником электрической энергии для космического корабля.

Имеется и естественный термоядерный реактор — солнце. За пределами атмосферы поток солнечных лучей несет мощность более одного киловатта на квадратный метр. Эту энергию можно сконцентрировать с помощью зеркал и использовать для привода турбогенератора. Вес такой системы будет около 4 кг на киловатт электрической мощности, если установка будет достаточно большой. Солнечную энергию можно преобразовать и непосредственно в электрическую с помощью полупроводниковых устройств. Солнечные батареи уже широко применяются в спутниках, однако их эффективность и мощность пока недостаточны. Следует подумать и об использовании давления света.

Ясно, что до тех пор, пока не будет решена проблема источников энергии, электрические устройства не смогут приводить в движение космические корабли. До этого времени их можно использовать лишь как вспомогательные двигатели для искусственных спутников. В недалеком будущем спутники найдут широкое применение для целей связи, как внеземные обсерватории и т. д.

Для этого понадобится, чтобы спутники в продолжение нескольких лет обращались по намеченной орбите, а иногда и переходили на другую. Может потребоваться также, чтобы спутники изменяли свое собственное положение, например, поворачивались бы вокруг своей оси, чтобы сохранить неизменным по отношению к Земле или к Солнцу направление антенны или телескопа.

Один из путей для уменьшения дрейфа и получения необходимого движения— снабдить спутник небольшой тяговой установкой. Ее можно было бы так смонтировать, чтобы она производила движение спутника вокруг различных его осей или же давала тягу, направленную через центр его тяжести. На таких спутниках, где имеется силовая и электрическая установки для главных целей, вспомогательный «корректирующий» двигатель мог бы быть также электрическим. Небольшие ракеты на химическом топливе смогли бы производить эту работу, но они меньше подходят для этой цели. Электрические установки проще в управлении, их выходную мощность можно легко менять, и они требуют очень мало выбрасываемого вещества.

Заглянем теперь немного вперед, в то время, когда на космических кораблях станут применять электрические установки. Удельные импульсы таких двигателей смогут изменяться в широком диапазоне, однако с ростом удельного импульса двигатель становится тяжелее. Если же его вес превысит вес запасов выбрасываемого вещества, экономичность перестает быть решающим соображением при проектировании.

Ведь никто не поставит дизель на судно с топливной цистерной на 10 л. Если корабль имеет тяжелую машину, он должен иметь достаточные емкости для хранения большой массы выбрасываемых веществ. Тогда он будет приспособлен для дальних путешествий.

Расчеты показывают, что общий вес вещества и источника энергии будет наименьшим, когда он распределяется между ними поровну.

Для полетов на Луну, между спутниками Земли, Луны и Марса удельные импульсы 2 тыс. — 5 тыс. сек. дадут максимальную экономию энергии.

Вообще для такого рода путешествий требуется большой удельный импульс, низкая полная тяга и, как следствие, длительное время. Если же надо сократить время полета, то надо уменьшать удельный импульс.

Чтобы уяснить, как взаимодействуют различные факторы, рассмотрим путешествие к Луне. Будем рассматривать только полет в космосе и поэтому предположим, что старт производится с орбиты, удаленной от поверхности Земли на 800 км. Корабль не будет садиться на Луну, а облетит ее по орбите, удаленной на 200 км от лунной поверхности.

Ракета на химическом топливе с удельным импульсом около 300 сек. совершает это путешествие за 5 дней, однако ее полезная нагрузка составляет всего пятую часть первоначального веса. Сравнительный анализ электрических систем показывает, что двигатель с удельным импульсом 1 200 сек. дает возможность совершить рейс к Луне за 19 дней с полезной нагрузкой около ¼ стартового веса. Увеличивая удельный импульс до 5 тыс. сек., можно увеличить полезную нагрузку до 60% от начального веса, однако при этом время путешествия возрастает до 5 месяцев. При значениях удельных импульсов свыше 5 тыс. сек. характеристики установок ухудшаются, потому что вес источника энергии увеличивается настолько, что для его установки приходится уменьшать полезную нагрузку. Такие установки оправданы лишь при очень длительных путешествиях. Даже при полетах к Марсу, когда требуется более двух лет, нет оснований увеличивать удельный импульс свыше 5 тыс. сек.

Какой же двигатель более пригоден для полета на Луну? Точно так же вы можете спросить, на чем лучше добираться до ближайшего города. Это зависит от того, когда вы намерены туда прибыть, сколько багажа вы имеете и желаете ли вы взять с собой какие-либо тяжелые вещи. Часть ученых, желая меньше подвергать себя космической радиации и будучи крайне занятыми людьми, вероятно, выберут ракету на химическом топливе. Важное оборудование, которое нельзя разместить при малом полезном весе, можно доставить на плазменной ракете, которая прибудет на две недели позже. И, наконец, самые тяжелые детали можно послать «малой скоростью» в ионной ракете без людей. Полезная нагрузка здесь будет в 10 раз больше, но время увеличится до 5 месяцев

Это похоже на сказку. Пока соответствующие источники энергии не будут разработаны, об их использовании приходится только мечтать. Но хотя проблема и трудна, мы видим, что нет непреодолимых барьеров на пути ее решения.

Г. ДЖАНИНИ
(Сокращенный перевод из журнала
«Сайнтифик Америкэн»)