Экзотические схемы двигателей для космических полетов
реклама
ПРЕДИСЛОВИЕ ко второму изданию главная По сравнению с первым изданием книги (рукопись написана в 2006 году) выполнен дополнительный обзор ряда идей, в частности, появилось более 20 новых ссылок на литературу, соответственно, увеличился и объем книги. Небольшие дополнения внесены в главы 1, 5, 6 и в заключение. Наибольшие изменения выполнены в главах 4, 7, 8, в частности, они сделаны более подробными и дискуссионными с точки зрения физики. Также автор исправил выявленные опечатки и повторы в тексте (непонятно как появившиеся в типографии) первого издания. 3 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время главными и основными двигателями в космонавтике являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) и твердотопливные РД (РДТТ), использующие энергию химических реакций различных топлив – сочетаний горючего и окислителя. Сейчас это мощная отрасль, вызывающая уважение, и за десятилетия разработок появилось большое число статей и книг; много патентов, охватывающих фактически все элементы конструкций двигателей, вплоть до геометрии их отдельных деталей. В частности, ЖРД достигли большого совершенства, и в них сумма потерь достигает всего 2…5%, а КПД термического цикла составляет до 0,7 0,9. За многие десятилетия исследований рассматривалась практически вся гамма химических соединений с целью повышения удельного импульса, причем значительным считается его увеличение на 1 3%. Однако новых эффективных топлив не появилось, что вполне естественно, учитывая ограниченное число элементов с низким атомным весом и достаточную изученность законов химической кинетики [1]. Одновременно с таким совершенством конструкции самих двигателей приходится констатировать и достаточно низкую эффективность использования выделяемой энергии для ускорения ракет. Так, выделяемая энергия химической реакции на 1 кг для основных топлив составляет порядка 10 МДж/кг (±20%, в зависимости от конкретного топлива), а кинетическая энергия 1 кг космического аппарата (КА) на орбите вокруг Земли составляет ~ 30 МДж/кг, то есть эти величины вполне сопоставимы. Однако в реальности на орбиту вокруг Земли выводится до 1…5% от массы ракеты на поверхности Земли. И даже ведущие специалисты признают, что сейчас возможности по совершенствованию химических ракетных двигателей традиционных типов практически полностью исчерпаны и ограничены незначительным улучшением характеристик [2]. Также считается перспективным создание химических пульсирующих детонационных двигателей. Приведен и небольшой обзор перспективных тенденций развития двигателестроения, причем с упором на традиционные схемы электрических РД (ЭРД) и ядерных РД (ЯРД) с ядерными энергоустановками, с примесью новых схем двигателей [2]. Однако возможности и перспективы создания новых типов двигателей не исчерпываются известными типами и схемами, приводимыми в обзорах [1] и [2]. Поэтому необходим поиск и других схем ускорения КА и конструкций двигателей, в том числе и экзотических, на первый взгляд, схем двигателей и ускорения КА. Именно такие схемы, порой спорные с точки зрения физики, и будут рассмотрены в данной работе. Однако автор не ставил перед собой задачи составить 4 энциклопедию и описать все возможные и известные схемы ускорения и двигателей, и, честно говоря, в силу относительного консерватизма, был достаточно строгим цензором, отсеивая сомнительные (с точки зрения автора) технические идеи или относящиеся к отдельным элементам каких-либо конструкций. Также автор не видел смысла в описании широко известных идей и конструкций, по которым имеется обширная литература, типа традиционных схем ЖРД, ЭРД, ЯРД и т.п. Данная работа представляет собой обзор, панораму наиболее интересных и перспективных (на взгляд автора) экзотических идей и схем двигателей для полетов КА. В основе – идеи прежде всего российских ученых с добавлением разработок из США и Европы. Эту книгу достаточно сложно охарактеризовать. Конечно, в основе она научно-популярная, и автор беспощадно выкидывал математику, сохраняя лишь минимальный ее объем (который осилит любой студент). Одновременно есть и достаточно подробное описание физических процессов и аспектов для создания таких двигателей. Кроме того, много и критического анализа таких экзотических схем, то есть это и дискуссионная книга. Скорее, это попытка реального взгляда на перспективы создания двигателей (без традиционных схем ЖРД, ЭРД, ЯРД), причем без иллюзий и рекламного приукрашивания параметров. Конечно, автор, как изобретатель, имеет несколько изобретений, в том числе и новые заявки на предполагаемые изобретения, которые приведены здесь. Возможно, здесь есть и некоторый перекос на идеи и фантазии автора, но это вполне естественно и понятно, так как книга для любого автора – своеобразное подведение итогов (с извлечением идей, накопившихся за десятилетия). Отмечу, что автор давно стоит в стороне от двигателестроения как отрасли, поэтому (надеюсь) это позволило сохранить объективность при рассмотрении различных идей (то есть – это профессиональный взгляд со стороны). Эта книга будет интересна как студентам, так и всем интересующимся перспективами создания двигателей для полетов КА. В заключение отметим, что в технике основная система единиц – СИ, а в науке до сих пор – СГС. Поэтому автор вынужден в отдельных главах использовать обе системы. Однако в книге главная система – СИ, и формулы по ней не оговариваются. Автор сделал все, чтобы свести к минимуму использование СГС, и формулы по СГС специально оговариваются (у автора нет желания переводить формулы из СГС в СИ), а результаты расчетов по этим формулам сразу приводятся в СИ или совместно в СИ ─ СГС. Поэтому автор заранее приносит извинения тем читателям, которым это доставит неудобство. 5 Глава 1 УСКОРЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВНЕШНЕГО ИСТОЧНИКА ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ 1.1. Обзор Интересным и экзотическим направлением в технике ускорения летательных аппаратов (ЛА), с долгой историей и большим числом идей, является использование какого-либо внешнего источника силы на ЛА. Сейчас известны идеи самых различных ускорителей: артиллерийские орудия, газовые пушки на легких газах (водород, гелий), электромагнитные рельсотроны и катушки, прямоточный ускоритель тела специальной формы в трубе с горючей смесью и т.д. 1.1.1. Очень интересное направление – электромагнитные рельсовые метатели [3]. Это, по сути, линейный электрический двигатель постоянного тока, состоящий из пары жестких параллельных проводников, в которых протекает ток в прямом и обратном направлениях, и небольшого подвижного проводника (состоит из обоймы, содержащей снаряд). Схема такого двигателя изображена на рис. 1.1. Снаряд в обойме Плазменный якорь Жесткие проводящие рельсы Рис. 1.1. Схема рельсового метателя Источник энергии Здесь источник энергии дает ток, наводящий магнитное поле, которое взаимодействует с током якоря, вследствие чего на тыльную сторону обоймы, содержащей снаряд, действует ускоряющая сила. Рельсовая пушка обеспечивает большие ускорения снаряда, вплоть до ~ 5·105 м/с2. Параметры ускорения снаряда зависят от его массы, скорости и аэродинамического сопротивления, и приведены в таблице 1.1. 6 Таблица 1.1 Параметры метателя снарядов Цилиндрический Снаряд снаряд со стабилизаторами, с полусферической малый коэффициент носовой частью сопротивления Параметры вывод вывод за вывод вывод за на около- пределы на около- пределы земную солнечной земную солнечной орбиту системы орбиту системы Масса снаряда, кг 100 200 4 4 Скорость пуска, км/с 28 42 9,5 14,8 Кинетическая энергия, ГДж 39 176 0,18 0,44 Полная масса (с обоймой), ─ ─ 5,3 ─ кг Время разгона, мс 42 Длина метателя, м 200 Ток, МА 2,5 Десятиступенчатый метатель: потери энергии в рель515 сах, Дж Суммарная эффективность превращения энергии, % 24 (снаряд с обоймой) Полная вводимая энергия, 1,0 ГДж Полная входная мощность 24 ГВт Такие параметры мощности разгона требуют использования накопителей энергии типа конденсаторных батарей и т.п. Подчеркнем, что параметры разгона ЛА, приведенные в таблице 1.1, имеют аналогичный уровень для любого типа разгоняющего устройства, будь то рельсовый метатель, газовая пушка и т.п. Для рельсового метателя ожидаемая эффективность превращения вводимой электрической энергии в кинетическую энергию снаряда составит около 10 20% (минимально – для одноступенчатого метателя, максимально – для многоступенчатого, до 10 ступеней, метателя). Из экспериментов отметим, например, что фирма «Вестингауз» осуществила запуск снаряда массой 0,317 кг со скоростью ~ 4,2 км/с [3]. Если коснуться истории, то впервые идею электромагнитной пушки (электромагнитной катапульты) в 1915 году предложили российские инженеры Подольский и Ямпольский, а в 1916 году – французы Фашон и Виллепле. А наиболее серьезные 7 проекты разработаны в США (под руководством У. Коуэна), в частности 6-ступенчатый ускоритель на разгон снаряда массой 4 кг, а также проект 10-ступенчатого ускорителя для запуска снарядов в 400 кг и диаметром 750 мм [4]. Экзотической и одновременно реальной идеей является использование сверхбыстрого разгона ЛА, с ускорением до 1,5·105 м/с2, с помощью различного рода пушек. Это и серия снарядов «Martlet 2», с полезной нагрузкой 84 кг при общем весе вместе с выстрелом ~ 190 кг. При этом была достигнута скорость снаряда до 2100 м/с, и в 1966 году «Martlet 2С» достиг высоты 180 км (суборбитальный ЛА). Отметим и более сложную конструкцию реактивного снаряда «Martlet 2G-1» с дополнительной твердотопливной ступенью. И при общем весе снаряда с выстрелом в 500 кг на орбиту мог выводиться снаряд с весом полезной нагрузки ~ 2 кг (сам снаряд имел длину 4,3 м и диаметр ~ 0,3 м). Был разработан проект реактивного многоступенчатого снаряда «Martlet 4» для вывода на околоземную орбиту полезных грузов весом от 12 до 24 кг. При этом начальный участок полета обеспечивался выстрелом пушки, а на высоте ~ 27 км предлагалось включение первой ступени (твердое топливо массой 735 кг), а затем последовательно работали 2 и 3-я ступени снаряда (твердое топливо с массой 181,5 кг и 72,6 кг, соответственно), выводя полезный груз на высоту до 435 км. Вершиной такого способа является проект «Вавилон», с использованием пушки в 1000 мм = 1 м с длиной 156 м, при весе 1510 т (~ 10 т на 1 м длины). И для реактивного снаряда весом в 2 т (вес выстрела – 9 т) на околоземную орбиту выводится полезная нагрузка в 200 кг (все эти проекты – от «Martlet 2» до «Вавилона» – идеи канадского конструктора и изобретателя Дж. Бюлля) [4]. Другая разновидность пушки – газовая (на легких газах). Еще в 1966 году инженеры HASA испытали маленькую водородную пушку, выстреливавшую снаряды со скоростью 2,5 км/с. На основе этой разработки была изготовлена двухмодульная пушка Хантера (Дж. Хантер – автор этой разработки, США) в виде ствола длиной 82 м и «блока накачки» – трубы длиной 47 м и диаметром 0,36 м. При работе в стальную трубу блока накачки (модуля) подается газообразный метан и поджигается. Расширяясь, этот газ толкает поршень по трубе накачки, сжимая и нагревая водород, находящийся с другой стороны поршня. Когда давление водорода достигает 4000 атм, приводится в движение снаряд, находящийся у начала ствола. Такая газовая пушка была построена, и при испытаниях (в 1992 г.) снаряд массой 5 кг развил скорость 3 км/с. Для увеличения скорости предлагалось (Дж. Хантером) сделать снаряд ракетным и 2-ступенчатым (эта схема не была реализована). А вершиной 8 такого способа является проект на основе газовой пушки (выдвинутый Дж. Хантером), построенной в горе на Аляске, и такая пушка предположительно могла бы достигнуть дульной скорости 7 км/с, отправляя снаряды весом 3300 кг (диаметр – 1,7 м, длина – 9 м) на низкую околоземную орбиту высотой 185 км [4]. Такие системы сверхбыстрого разгона имеют свои достоинства и недостатки. Так, артиллерийские орудия, включая проект «Вавилон», не дают дульной скорости до 7 км/с и более, и необходим многоступенчатый реактивный снаряд, то есть весьма похожи на компактные ракеты с первой ступенью в виде пушки (собственно, здесь проще добавить в качестве первой ступени обычный РДТТ). Кроме того, для всех таких способов очевидна невозможность полета с людьми. Также такое ускорение ограничивает доставку и научных приборов (хрупкие и нежные нельзя послать таким способом). Имеются и другие, мелкие недостатки. То есть, такие системы применимы для весьма ограниченной номенклатуры грузов, доставляемых на орбиту, даже в случае реализации проектов, позволяющих послать на орбиту грузы в сотни – тысячи килограмм. Принципиально такие ускорители могут размещаться и на других небесных телах, например, Луне. Известна идея лунного ускорителя длиной 1,1 км, обеспечивающего ускорение объекта массой 100 кг с ускорением до 1300 м/с2, с электростанцией мощностью 11 МВт. Такой электромагнитный ускоритель имеет массу ~ 200 т, из них около половины массы имеет электростанция на основе солнечных батарей. Этот ускоритель рассчитан на доставку на орбиту до 1000 т в год [5]. Отметим, что даже для маломощного лунного ускорителя его масса составляет ~ 100 т на 1 км длины (или 0,1 т на 1 м) ускорителя (без учета массы электростанции). Еще более смелый проект (проф. О’Нейл) лунного ускорителя – груз (лунная порода) массой 10 кг выводится в космос с помощью специального ковша, снабженного индукционными катушками и системой магнитной подвески. Ковш разгоняется по направляющим длиной 10 км до скорости ~ 2,4 км/с, после чего переходит на режим реверса, удерживая ковш на направляющих, а затем ковш возвращается назад для повторного использования, а сам груз вылетает в космос и в точке либрации перехватывается специальными кораблями. Такой ускоритель рассчитан на выведение в космос до 106 т в год [5]. Можно отметить и разработки российских ученых по созданию импульсных генераторов плазмы для гиперскоростного ускорения тел, например, установка ИМПП-2, имеющая разрядный ток 0,040,35 МА при конечном давлении газа 10-120 МПа, на основе индукционного накопителя на 10 МДж и ударного генератора на 200 9 МДж. При этом в камере нагревают рабочий газ (водород, гелий и т.п.), и по достижении конечного давления диафрагма в камере разрывается, и нагретый газ истекает из камеры, воздействуя на метаемое тело. Создан и ряд ускорителей электроразрядного типа, аналогичных импульсным плазмотронам, где ускорение макротел осуществляют водородной плазмой. В результате экспериментов для метаемого тела с массой 200 г достигнута скорость до 2500 м/с, а при массе 17 г достигнута скорость 6200 м/с. Причем эффективность превращения энергии источника питания в кинетическую энергию метаемого тела достигает 30-35% [6]. Заметим, что для магнитоплазменных ускорителей достигнута скорость макротела ~ 7,8 км/с, при массе 0,86 г, а главным ограничением достижения высокой скорости является скорость звука плазменного потока в канале рельсотрона. Однако за счет оптимизации параметров плазмы, материалов стенки канала, электродов (с малым молекулярным весом) возможно достичь скорости метания макротел до 10-15 км/с [7]. Конечно, такие параметры установок по массе весьма далеки от массы ЛА, необходимых для запуска на орбиту. Однако физические процессы аналогичны, независимы от массы ускоряемого тела, а разница лишь в масштабе потребляемой энергии и габаритах таких мощных установок. Поэтому физически вполне реально создание подобных мощных ускорительных установок. Однако главный вопрос в их практической необходимости (нужны ли они?) и конкурентоспособности по сравнению с другими типами установок и двигателей. 1.1.2. Другое направление ускорительных систем – старт с относительно небольшим ускорением и большой длиной пути разгона ЛА. Это позволяет, при одинаковой общей энергии на разгон ЛА, снизить подводимую мощность на 1 м пути разгона (с упрощением подводящей конструкции) по сравнению со сверхбыстрым разгоном, а главное – появляется возможность ускорения ЛА вместе с людьми. В общем виде такой способ запуска включает разгон снаряда – ЛА, например, по круговому вакуумированному тоннелю, проложенному по поверхности Земли с размещением центра его окружности в центре Земли, а также имеется прямолинейный отводной канал, куда выводят ускоренный снаряд (до скорости, превышающей 1-ю космическую скорость) при его направлении на космическую орбиту [8]. Такой способ использует электромагнитный рельсовый ускоритель большой длины. Заметим, что еще К.Э. Циолковский предлагал запуск КА с длинных эстакад, постепенно поднимающихся вверх, по которым должны разгоняться ракеты с КА. Предложена и более совершенная конструкция, где система запуска 10 включает линейный электропривод со статором в виде кольцеобразных обмоток, установленных на эстакаде (состоящей из отдельных элементов на опорах), а внутри обмоток размещен сердечник, представляющий собой магнитную оболочку ракеты (несущей КА), причем ракета с КА размещена в оболочке с возможностью выталкивания из нее, например, с помощью заряда, срабатывающего в конце эстакады [9]. На аналогичном принципе выполнен способ выведения контейнера с грузом в космос, включающий горизонтальный разгон контейнера в вакууме при сверхпроводящих температурах с помощью ускорителя с ускоряющими обмотками и магнитной подвеской контейнера [12]. На фоне электромагнитных ускорителей, применяемых в большинстве проектов, выделяется идея магнитоплазменного способа вывода грузов на геостационарную орбиту, в котором капсулу с полезным грузом выталкивают плазменным потоком, формируемым на плавучих платформах [13], причем возможна изоляция капсулы магнитным полем, а истекающую из плазмотронов плазму направляют вдоль оси искусственного вихря – смерча [10]. Отметим, что главная проблема проектов ускорения с поверхности Земли – длина пути ускорения ЛА. Даже при ускорении ЛА в 100 м/с2 (практически – предел для ускорения людей) скорость в конце участка ускорения 10 20 км/с (с учетом потерь скорости в атмосфере) достигается при длине пути ускорения S > 500 км. И для уменьшения потерь энергии и скорости ЛА ускорение необходимо осуществлять в вакууме трубы или туннеля или в атмосфере из легких газов (это хуже, чем вакуум). Причем для ЛА с массой ~ 100 т (в общем-то, средний ЛА, не тяжелый) это соответствует мощности разгоняющего двигателя ~ 1011 1012 Вт = 102 103 ГВт! Таким образом, такой ускоритель – это сложнейшее техническое сооружение, которое имеет смысл делать только в случае доставки на орбиту грузов в десятки тысяч тонн в год и более. Заметим и экологические проблемы для такой системы. Например, при ускорении одного ЛА с массой 100 т = 105 кг имеем энергию ЛА ~ 1013 Дж, и до 50% энергии будет рассеиваться в атмосфере, в том числе в виде энергии акустических колебаний, шума. Для сравнения заметим, что самолет с кинетической энергией ~ 108 1010 Дж и мощностью двигателей ~ 106 108 Вт является мощным источником шума, и аэропорты – в числе самых шумных мест на Земле. Поэтому реально ожидать, что адский шум от ударной волны при полете ЛА со скоростью 10 20 км/с потребует создания санитарной зоны в десятки километров вдоль траектории движения ЛА (по крайней мере, до высоты полета 20 50 км). Значит, выходное отверстие ускорителя и трасса полета ЛА должны размещаться в малонасе11 ленном и глухом районе Земли. Для уменьшения длины ускорителя предлагается изготовить его в виде кольцеобразного туннеля, в котором ракета будет ускоряться до тех пор, пока не достигнет необходимой скорости. Затем специальное устройство выводит ракету из кругового движения и направит наружу, в пространство [11]. Безусловно, такой кольцеобразный туннель принципиально позволяет снизить параметры ускорителя. Однако не все здесь так просто, так как есть проблема центростремительного ускорения ау = V2/R, и для скорости V = 10 км/с при ограничении величины ау = 100 м/с2 (полет с людьми) требуемый радиус ускорителя R ~ 1000 км (а длина 2πR ≈ 6300 км), то есть – больше, чем длина S ~ 500 км для линейного ускорителя. Поэтому кольцеобразный туннель лучше применять для ускорения только грузовых ЛА с большим ускорением, ~ 1000 м/с2. Однако при таком большом ускорении и длина линейного ускорителя S упадет до ~ 50 км. Таким образом, преимущество кольцеобразного туннеля лишь в возможности длительного ускорения (вплоть до 1000 10000 с) ЛА до набора необходимой скорости, что, соответственно, позволяет снизить мощность систем ускорителя до уровня 1 10 ГВт, с упрощением их конструкции и снижением массы. Поэтому, признавая физическую и техническую реальность подобных проектов, и более того – их соответствие современному уровню техники, а главная проблема лишь в увеличении масштаба ускорителей и деньгах (стоимость – до ~ 100 млрд долл.), вызывает большие сомнения, что такие ускорители для прямого запуска ЛА с поверхности Земли на орбиту будут созданы в ближайшие десятилетия. Более простой и дешевый вариант – старт ЛА на столбе плазмы с плавучих платформ [10], однако здесь возникает проблема создания плазмотронов на мощность 1012 1011 Вт и, соответственно – проблема источника питания этих плазмотронов. Кроме того, здесь есть и экологическая проблема – искусственный вихрь – смерч, его взаимодействие с самой плавучей платформой, а главное – мощное воздействие на атмосферу в этом районе (получается постоянное торнадо). 1.1.3. Еще одно направление – использование ускорителей для начального разгона ЛА, в том числе в качестве первой ступени, до скорости 500 2700 м/с. Это наиболее популярное и разработанное направление. Еще в начале 1940-х годов Зенгер (Германия) показал, что для космического самолета оптимален старт при помощи катапульты с горизонтальной дорожки, с доведением скорости самолета до величины, большей скорости звука (до ~ 500 м/с). В частности, еще в 60-е годы 20-го века, при создании экспериментального ком12 плекса пилотируемого орбитального самолета «Спираль» (СССР), на основе гиперзвукового самолета – разгонщика и орбитального самолета, старт этой системы предусматривался горизонтальный, с использованием разгонной тележки [4]. Отметим и весьма экзотическую идею запуска с названием «русские горы», в которой предлагается использовать рельсы, идущие вниз с горы (высотой ~ 750 м), а затем поднимающиеся вверх, в подъем на новую гору (высотой ~ 2000 м). При этом тележка с ракетой скатывается вниз с горы и по инерции движется в подъем на новую гору, а затем включается ракетный двигатель тележки, обеспечивая разгон тележки с ракетой до скорости ~ 800 м/с [11]. Из числа идей последних десятилетий отметим авиационно-космический стартовый комплекс «Марс», содержащий взлетную полосу в виде рельсового пути (с геометрическим контуром переменной кривизны), установленного на наземную эстакаду, имеющую переменную высоту по своей длине, и по ним движется разгонная платформа (вместе с ЛА), снабженная разгонными двигателями. Причем эстакада оканчивается вертикальным кольцом, а рельсовый путь выполнен замкнутым, с обеспечением ускорения платформы по рельсам взлетной полосы, а после отделения ЛА эта платформа движется по обратной рельсовой линии [14]. Другое направление – использование электромагнитных ускорителей. Здесь отметим систему «maglev», предварительного разгона левитирующего ЛА внутри трубы или тоннеля с помощью электромагнитного ускорителя и сверхпроводящего магнитного аккумулятора до скорости более 600 м/с, при длине ускорения ~ 3,5 км, при этом дорожка пути ускорения ЛА расположена под углом ~ 450 на высоту ~ 3 км, при массе полезного груза в 1000 кг и более [15]. Отметим, что идут и проработка реальных конструкций, и экспериментальные исследования. Так, при лабораторных опытах системы типа «maglev» тележка длиной 0,6 м разгонялась до скорости ~ 60 м/с с помощью 6метрового электромагнитного трека – усовершенствованного линейного индукционного электродвигателя. Планировалось и проведение экспериментов с двумя треками длиной 15 и 122 м, а в дальнейшем – с треком в 1525 м для разгона грузов массой свыше 18 т. Отметим и работу Ливерморской национальной лаборатории, где создают систему на постоянных магнитах (без применения сверхпроводимости), а также фирмы «Foster–Miller» (Массачусетс), работающей со сверхпроводящими магнитами. Проводилась и работа по модернизации высокоскоростного испытательного рельсового трека на авиабазе (Холломан, Нью-Мексико), где Boeing разрабатывал и изготавливал гиперзвуковые салазки, а фирма «Foster–Miller» создавала магнитную систему на основе сверхпроводящих магнитов. На этом треке была получена скорость 2738 м/с, а после увеличения длины рельсового 13 пути до 15,5 км возможно и дальнейшее повышение скорости [19]. Безусловно, ускорители для начального разгона ЛА очень перспективны, при этом получается разумная длина пути ускорения (до 5 20 км) при реальном уровне мощности двигателей. Такое ускорение позволяет уменьшить требуемый прирост скорости на последующих этапах ускорения. Кроме того, для перспективных воздушно-космических самолетов появляется возможность включения в работу прямоточного двигателя ЛА сразу в сверхзвуковом или гиперзвуковом режиме, и не требуется дополнительного двигателя для движения с малой скоростью. Заметим, что для старта с Земли требования к двигательной системе очень высоки, а поэтому в ближайшие десятилетия наиболее реальны авиационно-космические системы старта, а также старт ракет с более совершенными двигателями, например, по [2]. Однако это схемы на основе традиционных химических двигателей, поэтому здесь они не рассматриваются. 1.1.4. Отметим, что в условиях космоса для старта с орбиты вокруг Земли применимы все рассмотренные выше схемы ускорителей. Более того, в космосе снимаются экологические ограничения (например, по шуму), а также практически исчезают потери скорости ускоренного КА при движении в вакууме. Использование вакуума космоса упрощает и конструкцию ускорителя. Из различных проектов отметим станцию-катапульту (СССР, начало 70-х годов 20-го века), находящуюся на околоземной орбите и служащую для разгона КА к другим планетам. Такая станция имеет ядерную энергетическую установку (ЯЭУ), накопители энергии на основе сверхпроводящих электромагнитов, ускорительную систему «пушки» из цепочки соленоидов, которые толкают КА [4]. Из более новых проектов отметим идею запуска объекта с космодрома в космосе, состоящего из туннеля, соединенного с пусковой шахтой, при этом подготовку объекта ведут в туннеле, после чего объект выносят из туннеля и устанавливают на толкающем устройстве, а затем разгоняют объект в шахте с помощью соленоидного электромагнитного двигателя, питаемого электроэнергией [20], с возможным усовершенствованием за счет конструкции, позволяющей обеспечить фиксацию заданного положения шахты в пространстве, для последующего разгона объекта [21]. Собственно, здесь остаются те же главные проблемы – длина ускорителя и энергетика. Для старта с круговой орбиты вокруг Земли для достижения 2-й космической скорости необходимо ускорение КА на прирост скорости ∆VК ≈ 3,5 км/с. При этом для ускорения а = 100 м/с2 имеем длину пути ускорения S ≈ 62 км, и при массе КА МК = 104кг = 10 т необходим аккумулятор энергии на энергию ~ 1011 1012 Дж при относительно маломощном источнике 14 электроэнергии с ~ 107 109 Вт и мощности электромагнитного двигателя ~ 3·109 1010 Вт или питание двигателя ускорителя непосредственно от мощного источника электроэнергии с ~ 1010 Вт. При ускорении КА с а = 10 м/с2 имеем S ≈ 620 км, однако при этом возможно уменьшение мощности двигателя ускорителя и источника электроэнергии до уровня ~ 109 Вт. То есть в обоих вариантах получается тяжелая – в тысячи тонн конструкция ускорителя и системы энергопитания (электростанция и аккумулятор энергии). Такая система перспективна для грузового потока в десятки тысячи тонн и перспективна для реализации в будущем, но не в ближайшие десятилетия. Как ни печально, но подобные ускорители с питанием электроэнергией пока еще не имеют перспектив. Для сравнения заметим, что в случае кольцевого ускорителя с допустимым ускорением ау = 100 м/с2 для V = 3,5 км/с имеем радиус R ~ 100 км, а длина ускорителя 2πR ≈ 600 650 км, что на порядок больше длины линейного ускорения S = 62 км. Однако при кольцевом ускорении за счет возможности длительного ускорения с τ ~ 103с можно уменьшить мощность источника электроэнергии до ~ 108 Вт = 0,1 ГВт. Итак, на выбор: быстрое ускорение с постоянным ау = 100 м/с2 в течение ~ 35 с на длине 62 км, с мощным ускорителем и энергопитанием, или постепенный разгон с ускорением от 0 до 100 м/с2 (в конце разгона) в течение ~ 1000 с по кольцевому ускорителю длиной ~ 600 км, с относительно маломощной ускорительной системой и его энергопитанием. Принципиально в условиях космоса можно обойтись без таких ускорителей, используя идею создания искусственного ветра на воспринимающее устройство КА в виде потока частиц вещества или в виде пучка электромагнитных волн от расположенных на орбите разгоняющих станций [16]. Однако за прошедшие десятилетия так и не появилось серьезных проектов с использованием потока частиц, будь то плазма, нейтральные частицы или пучок заряженных частиц. Основная физическая сложность – для потоков частиц в космическом вакууме очень сложно обеспечить малую расходимость потока, то есть дальнобойность струи потока частиц невелика, и, соответственно, длина пути ускорения КА мала (в лучшем случае – километры) и не обеспечивает прироста скорости в ~ 3,5 км/с. Поэтому здесь необходимо решить проблему уменьшения расходимости потока за счет какого-либо специального воздействия на поток, например, в виде магнитного поля. В этом направлении ведется научный поиск, например, в университете Вашингтона проводят исследования с плазменным ЭРД с намагниченным пучком, а сама концепция 15 предполагает космическую станцию, которая создает поток намагниченных ионов, воздействующий на магнитный парус КА, ускоряя его. При этом в зависимости от мощности плазменного пучка (сопло шириной ~ 32 м) можно ускорить КА до 10 км/с и более [22]. Также можно отметить идею разгоняющей станции, использующей магнитный диффузор для захвата солнечной плазмы с радиуса ~ 100 км, при этом сконцентрированный в диффузоре поток плазмы на начальном этапе движется в магнитном поле диффузора, что обеспечивает малую расходимость потока плазмы, а полная дальнобойность струи оценивается в 104 105 км, что позволяет ускорять КА до скорости 3,5 км/с и более. Причем здесь для ускорения используется энергия потока солнечной плазмы, а на ускоряемом КА также установлено магнитное устройство, отражающее плазму [17]. Другое направление – использование для разгона КА электромагнитного излучения от разгоняющей станции, воздействующее на воспринимающее устройство, «парус». Например, еще в 1972 году в рамках проекта «Daedalus» в качестве возможной двигательной установки рассматривался солнечный парус, который разгоняется до нужной скорости под воздействием лазеров, установленных в космосе (Паркинсон, Британия) [4]. Отметим что предлагались различные длины волн, а считаются оптимальными микроволновое и оптическое излучение, включая лазерное излучение. Здесь привлекает внимание идея электромагнитного резонаторного двигателя, в котором разгон КА осуществляют за счет давления излучения в открытом резонаторе, образуемом зеркалами на разгоняющей станции и зеркалом на КА. И здесь поданный в резонатор от источника излучения поток электромагнитных волн многократно проходит между зеркалами, вплоть до полного затухания этих волн. Это позволяет многократно использовать импульс волны, отражающейся попеременно от каждого зеркала. И за счет многократного импульса фотонов достигается высокий (до 80 100%) коэффициент преобразования энергии излучения в кинетическую энергию КА [18]. Заметим, что по такому принципу предлагалось использовать и поток релятивистских частиц, движущихся между магнитными зеркалами на КА и разгоняющей станции. Любопытна идея магнитного двигателя, в котором КА имеет сверхпроводящий соленоид, создающий вокруг КА магнитное поле. При работе из КА выбрасывают облако легко ионизируемого газа, на который направляют извне сфокусированный микроволновый пучок, который ионизирует газовое облако около КА. При этом образовавшиеся свободные электроны приобретают высокую энергию 16 и взаимодействуют с магнитным полем соленоида, ускоряя КА [24]. А в случае сильного магнитного поля происходит удержание плазмы, то есть образуется плазменное зеркало для отражения внешнего микроволнового пучка. Заметим, что наибольшее внимание уделялось лазерному двигателю, в котором лазерное излучение от разгоняющей станции нагревает рабочее тело на самом КА, образуя плазму, которая истекает из двигателя с образованием тяги, и большой обзор результатов по расчетам таких двигателей приведен в [1]. Отметим, что такой двигатель имеет скорость истечения 30 70 км/с, то есть она – относительно невелика, и для ускорения КА требуется большой запас рабочего тела на борту КА. Такой лазерный двигатель интересен для автоматических исследовательских КА. Однако, если требуется замедление КА (например, при подлете к планете), то необходимо гасить скорость с помощью двигателя КА, то есть необходимо иметь на борту КА опять-таки ЯЭУ с ЭРД. И собственно, в таком варианте при сравнении с эффективным плазменным ЭРД (и тем более – ионным ЭРД со скоростью ~ 100 200 км/с) на борту КА, преимущества лазерного двигателя не очень-то видны (если вообще есть), но зато возникает много проблем с организацией рабочего процесса на основе лазерного луча, поступающего извне с расстояния в десятки-сотни километров. Итак, главные проблемы систем разгоняющей станции на основе электромагнитного излучения очевидны, они требуют мощной электростанции, а главное – мощных эффективных преобразователей электроэнергии в энергию электромагнитного излучения. Конечно, при современном КПД в ~ 20% преобразования электроэнергии в мощное лазерное излучение сложно ориентироваться на такие системы. Кроме того, создание мощных лазеров с лазерным излучением с мощностью ~ 10 9 1010 Вт в непрерывном режиме работы в течение 1000 100 сек – это пока нереально. Хорошо, если через десятки лет это станет возможным. Причем эти системы будут очень тяжелые, и ими имеет смысл заниматься в случае очень больших грузовых потоков в сторону Луны или планет. С сожалением приходится констатировать, что в современных условиях маленького грузового потока в космосе в ближайшей перспективе нет смысла в создании подобных тяжелых и энергоемких систем, будь то рельсовые ускорители и пушки разных модификаций или лазерные системы. 1.1.5. Таким образом, наиболее реальна идея химического ускорителя. Известна идея разгона ракеты по рельсам, между которыми 17 залито топливо, при этом с ракеты опускалась труба, загнутая открытым концом вперед. За счет быстрого движения жидкость должна подниматься по трубе и поступать в двигатель. Схема такого старта приведена на рис. 1.2. Рис. 1.2. Старт ракеты Однако проблема в том, что ракетное топливо от малейшей искры мгновенно превратится в пылающую реку. И такой старт аналогичен запуску ракеты из порохового погреба [11]. Ранее отмечалась и идея прямоточного ускорителя тела специальной формы в трубе с горючей смесью. А блуждая по морю идей, отметим любопытную идею системы с внешней подачей реактивного топлива для воздушных транспортных средств, в которой образуют след топлива вдоль части желаемой траектории полета на большой высоте. При этом след из топлива создается буксируемым устройством таким же способом, как и след конверсии за реактивным ЛА. И этот след из топлива захватывается топливозаборником ЛА, а затем попадает в камеру сгорания, где топливо воспламеняется и сгорает для создания тяги перед его выбросом через выхлопное устройство [25]. Заметим, что в условиях вакуума произойдет очень быстрое расплывание в пространстве такого следа до весьма большой площади, и потребуются значительные усилия по улавливанию такого следа топлива. Кроме того, даже в условиях большой высоты действует земная гравитация, а также имеется ветер, который активно влияет на сохранность траектории такого следа, поэтому реальная длина стабильного положения следа невелика (не превышая ~ 1 км) и не позволяет осуществлять серьезного ускорения ЛА. Однако сам принцип работы и метод ускорения интересны и для организации ускорения КА в космосе. Таким образом, возникает идея химического ускорителя, создания искусственной внешней среды в виде длинной дорожки из рабочего тела, которую размещают по предполагаемому пути ускорения КА. И именно по этой дорожке направляют ускоряющийся КА, двигатель которого захватывает рабочее тело дорожки, и в камере нагре18 ва получаем (например, при горении тела) горячий поток рабочего тела, истекающего из двигателя с созданием силы тяги на КА [33]. Подчеркнем, что для наземных стартов ограничением является длина пути ускорения, и даже для химического ускорителя трудно представить себе на Земле ускоритель длиной в ~ 700 км. Однако для космических стартов, где требования к приросту скорости меньше, вполне реально создание таких химических ускорителей. Отметим, что данная идея – экзотическая, но полностью реальна, то есть – реальная экзотика, и именно ее и рассмотрим подробно. 1.2. Ускорение КА по дорожке из топлива 1.2.1. Дорожка из рабочего тела используется на достаточно высокой орбите или в межпланетном пространстве, причем концы дорожки находятся практически на одной высоте орбиты и в невесомости, как и сам КА, поэтому разность скоростей на концах дорожки ничтожна и можно пренебречь ее влиянием, в том числе и на прочность дорожки, по крайней мере в первом приближении, при оценке параметров такого метода ускорения. Отметим, что на борту КА может находиться в сложенном состоянии как одна дорожка, так и несколько. При этом, в зависимости от положения дорожки, можно осуществлять как ускорение, так и замедление КА (отрицательное ускорение), так и их сочетание (для нескольких дорожек). При организации ускорения от КА отходит зонд и разматывает с барабана дорожку из топлива (твердая оболочка с топливом) по предполагаемой траектории ускорения, а перед началом ускорения (или в ходе ускорения) зонд уходит от дорожки и не препятствует движению КА. При ускорении КА двигатель как бы заглатывает рабочее тело, искусственную «внешнюю среду», неподвижно висящую в пространстве. И в двигатель КА попадает рабочее тело, направляемое, например, магнитным диффузором двигателя, и в камере сгорания происходит горение и нагрев рабочего тела, с истечением через сопло. При этом истечение потока горячего рабочего тела происходит в сторону, прямо противоположную дорожке. Схема ускорения КА изображена на рис. 1.3. При движении КА со скоростью ∆VК относительно неподвижной дорожки происходит захват рабочего тела дорожки, причем со скоростью ∆VК, и рабочее тело дорожки через магнитный диффузор попадает внутрь двигателя (камеру сгорания и сопло), где происходит горение рабочего тела и истечение из двигателя с абсолютной скоростью истечения VС. При этом за счет разницы скоростей появляется относительная скорость рабочего тела (прирост скорости тела, полу19 ченный в двигателе ) по отношению к КА, равным VР = VС – ∆VК, и возникает сила тяги на двигатель КА. То есть, здесь при ускорении КА неподвижная дорожка выполняет функцию внешней среды, которую захватывает двигатель КА. Такая дорожка по схеме похожа на авиационный гиперзвуковой ГПВРД, в котором воздух замедляется лишь частично и идет сверхзвуковое горение топлива. И в этой космической дорожке снимаются экологические ограничения (имеющиеся у ГПВРД), что позволяет использовать любые составы, в том числе с минимальным временем задержки воспламенения и даже самовоспламеняющиеся, в качестве как основного компонента топлива, так и добавок в криогенное топливо для ускорения горения. Кроме того, горючее и окислитель находятся в жидкой или твердой фазах, то есть имеют высокую плотность (по сравнению с газом ГПВРД). Иначе, за счет оптимизации химического состава топлива обеспечивают высокую скорость горения, намного больше, чем в ГПВРД. В сущности, здесь процесс ускорения КА можно свести к 2 упрощенным моделям. Первая модель – дорожка является специфическим длинным топливным баком для топлива ракетного двигателя, которое специфическим путем поступает в камеру сгорания, где благополучно сгорает. Вторая модель – дорожка является своеобразной внешней средой, создающей «аэродинамическое сопротивление» в двигателе КА, как и в аналогичных гиперзвуковых ГПВРД, и рабочий процесс аналогичен ГПВРД. Реальная система – это практически неподвижная твердая оболочка – дорожка из рабочего тела (горючее и окислитель), которая горит со скоростью горения, равной скорости КА, и фронт горения дорожки находится в камере двигателя КА, из которой через сопло и истекает поток газа. Причем сама дорожка практически мало взаимо20 действует с этой камерой сгорания (с ее стенками), и лишь образующиеся газы взаимодействуют с камерой и соплом, оказывая давление на стенки и ускоряя двигатель относительно дорожки. И этой реальной картине процессов вообще-то не соответствуют полностью ни первая, ни вторая упрощенные модели. Однако и эти упрощенные модели позволяют оценить уровень характеристик предлагаемой схемы ускорения в идеальном варианте (пренебрегая различного рода потерями) и сопоставить с известным вариантом ускорения КА. Отметим, что в начале этапа разгона КА относительно дорожки скорость КА составляет несколько метров в секунду, и в конце разгона скорость КА увеличивается до 1000 раз. Однако в технике просто не существует таких ракетных двигателей, которые способны регулировать, дросселировать силу тяги и/или расход в 1000 раз (в технике реально – в несколько раз). И практически невозможно представить себе, чтобы через одну и ту же камеру сгорания удалось пропустить и обеспечить горение топлива с изменением ежесекундного расхода топлива до 1000 раз на коротком участке разгона. Поэтому здесь необходимо профилирование площади сечения дорожки по ее длине с целью обеспечения необходимого расхода через двигатель. Принимаем, что дорожка имеет переменную массу единицы длины дорожки mД [кг/м]. И для оценки параметров данного способа ускорения принимаем, что при ускорении КА имеем примерно постоянный ежесекундный расход топлива mТ дорожки через двигатель, то есть условие mТ = mД · ΔVК ≈ const (1.1) Таким образом, дорожка имеет коническое сечение, с максимальным сечением и площадью дорожки в начале старта и минимумом площади – в конце длины дорожки. Отметим, что принципиально возможны варианты постоянного и переменного теплоподвода к расходу mТ по длине дорожки (за счет изменения состава топлива изменяют выделение тепла по длине дорожки), однако для оценки параметров ограничимся вариантом постоянного теплоподвода. 1.2.2. Модель длинного топливного бака. Эта идеальная модель, дающая завышенный – верхний – предел возможностей данной схемы ускорения КА. Здесь скорость истечения рабочего тела на всем участке ускорения VР ≈ VРО ≈ const, где VРО – скорость в начальный момент ускорения КА, когда величина скорости КА ΔVК ≈ О. В этом случае расчет ведется по количеству движения: М К ΔVК М Т VР , при VР VРО ; ΔVK М ТVРО М VРО Т ; МК МК (1.2) 21 где МК – конечная масса КА; МТ – масса топлива дорожки. Известный ракетный способ ускорения КА имеет зависимость согласно формуле Циолковского (идеальный вариант, без учета потерь), в обозначениях, принятых здесь: ΔV К = VР / / ln(1 + М Т/ М К/ (1.3) ) Вполне логично для сравнения принять условие VР/ VР VРО ; Тогда соотношение прироста скоростей имеет вид ΔV K М Т МК ΔV К/ (1.4) 1 ; М Т/ ln(1 / ) МК (1.5) Сначала рассмотрим вариант, при котором достигается одинаковая скорость КА в конце этапа ускорения, то есть ΔVК=ΔVК/ , а также имеем равенство конечных масс КА, то есть МК = МК/ (для сравнения параметров способов). Отсюда, подставляя данные, получаем результаты, приведенные в таблице 1.2. Таблица 1.2 МТ 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 2,0 3,0 5,0 10,0 0,105 0,349 0,648 1,014 1,459 1,718 2,004 2,669 3,482 6,390 19,08 147 МТ М Т/ 0,857 0,771 0,690 0,616 0,582 0,548 0,487 0,431 0,313 0,157 0,034 0,0005 2000 М Т/ МК 0,951 МК Таким образом, из таблицы 1.2 видно, что при ускорении КА до одинаковой скорости и одинаковых конечных массах предлагаемая схема ускорения позволяет уменьшить расход топлива МТ в дорожке по сравнению с известным способом, имеющим расход топлива МТ/ . Теперь рассмотрим вариант, в котором КА имеет в обоих способах одинаковые массу топлива и конечную массу, то есть МК = МК/ и МТ = МТ/ . Тогда соотношение достигаемых скоростей ΔVК МТ 1 = ; (1.6) МТ МК ΔVК/ ln(1 + ) МК Отсюда, подставляя данные, получаем результаты, приведен22 ные в таблице 1.3. / 4,170 2,790 2,164 1,820 1,637 1,561 1,482 1,442 1,402 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 2,0 3,0 5,0 10,0 1,319 ΔVК ΔVК/ / МК 1,233 МК 1,143 МТ 1,049 МТ Таблица 1.3 Из таблицы 1,3 видно, что рассматриваемый метод ускорения КА с помощью дорожки обеспечивает и получение большего прироста скорости КА ΔVК по сравнению с традиционным известным ускорением КА, обеспечивающим величину прироста ΔV К/ . Обращает на себя внимание, что эффективность рассматриваемого метода ускорения повышается по мере роста доли массы топлива МТ, и эта эффективность представляет интерес с величины отношения МТ/МК > 0,5. При малых массах МТ/МК эффективность традиционного и рассматриваемого методов ускорения достаточно близки. Физически это понятно, так как при больших отношениях МТ/МК значительно увеличивается доля затрат энергии на разгон самого топлива, а не конечной массы МК, полезной нагрузки. 1.2.3. Модель ГПВРД. Здесь, как и в ГПВРД, абсолютная скорость истечения из сопла VС, в применяемых обозначениях: VC ΔVК2 2(ir icaq ) η p ; (1.7) где 2(ir icaq ) η p – прирост энтальпии рабочего тела в камере сгорания. При этом сила тяги R равна, в применяемых обозначениях [22] 2E R mT ΔVK2 ΔVК (1.8) m где Е – подводимая в камере сгорания энергия; – КПД использования энергии. Для оценки характеристик принимаем Е ≈ const по длине дорожки (постоянный теплопровод). Рассмотрим граничное условие: в начальный момент времени ΔVКО → 0, то есть реально ΔVКО ~ 1 10 м/с << VРО, тогда по (1.7) имеем в начале разгона скорость VСО: 23 VCО 2(ir icaq ) η p VPO ; (1.9) где VPO – скорость истечения в начальный момент из двигателя. Отсюда получаем величину абсолютной скорости: ΔV K2 2 2 VC ΔV K VPO VPO 1 2 VPO 1 ΔVK2 , (1.10) VPO ΔVK где ΔVK VPO – относительная скорость КА относительно дорожки к начальной скорости истечения VPO. Тогда величина относительной скорости VP равна: VР VC ΔVK VPO ( 1 ΔVK2 ΔVK ) ; (1.11) При этом зависимость силы тяги R по отношению к начальной силе тяги R0 (в начальный момент времени с ΔVКО → 0) имеет вид: R R0( 1 ΔVK2 ΔVK ) (1.12) R0 mT VPO Результаты расчетов по динамике изменения параметров приведены в таблице 1.4. 1 ΔVK2 1,005 1,044 1,118 1,221 1,345 1,414 1,486 1,640 1,803 2,236 2,693 3,162 1 ΔVK2 ΔVK 0,905 0,744 0,618 0,521 0,445 0,414 0,386 0,340 0,303 0,236 0,193 0,162 ΔVK Таблица 1.4 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 2,0 2,5 3,0 Уравнение движения КА имеет вид M K dΔV dM T (VC ΔVK ) dM T VP ; (1.13) и проведя преобразования получаем MT Δ VK , (1.14) M K VPC где VPC – среднее значение VP на этапе ускорения. При этом общий вид зависимости VP , используя (1.11): VР 1 ΔVK2 ΔVK (1.15) VPO Тогда математически средняя скорость VPC – высота прямоVP угольника с площадью кривой фигуры S с уравнением ( 1 ΔVK2 ΔVK ) , при этом величина VPC имеет общий вид: 24 S(x) ; (1.16) х И величина R = R0 f(x), V PC определяется через интегрирование. А для известного ракетного способа, используя формулу Циолковского по (1.3) для определения соотношения масс М Т/ /М К/ , получаем сравнительные данные по методам ускорения КА, приведенные в таблице 1.5. VPC 0,3842 3,4817 6,3891 11,1825 19,0855 0,7838 0,6536 0,5252 0,4091 7,8084 0,4257 2,6693 0,8327 5,8727 0,4257 2,0042 0,8777 4,1759 0,5496 1,7183 0,8984 2,7292 0,5848 1,4596 2,2228 0,6253 1,5 0,9175 1,7592 0,6478 1,3 1,0138 1,5437 0,6720 1,1 0,9504 1,3392 0,7265 1,0 0,6487 0,9635 0,7902 0,9 0,9753 0,6327 0,8648 0,3469 0,9517 0,7 0,3498 MТ M T/ (M К/ М K ) 0,5 0,9917 M Т/ M К/ 0,105 MT MK 0,3 0,1052 VPC 0,1 0,9990 ΔV K Таблица 1.5 2,0 2,5 3,0 Отметим, что математически зависимость VР по (1.15) аналогична зависимости силы тяги R = R0 ·f(x), по (1.12), поэтому и зависимость R = R0 f(x) совпадает с зависимостью (1.15) и (1.16). Поэтому средняя сила тяги на участке ускорения совпадает с величиной VPC в таблице 1.5. Таким образом, очевидно, что и для модели ГПВРД рассматриваемая схема ускорения КА эффектнее традиционного ускорения КА, хотя модель ГПВРД дает значительно меньший положительный эффект, чем модель длинного топливного бака. Однако и модель ГПВРД наглядно показывает, что начиная с прироста скорости КА ΔVK 1,0 , рассматриваемый метод ускорения имеет удовлетворительный эффект, а начиная с ΔVK 2,0 этот способ имеет хорошие параметры по уменьшению массы топлива для разгона КА. Отметим, что рассматриваемый метод принципиально позво25 ляет достичь высоких скоростей КА, с ΔVK до 7…10 км/с. Конечно, как и в ГПВРД, здесь возникает проблема сгорания топлива, особенно в конце участка разгона, с ΔVK 4 км/с. Однако это техническая проблема, которую можно решать различными путями, например, интересно использование водорода в сочетании с твердыми взрывчатыми веществами, имеющими скорость детонации до ~ 10 км/с, обеспечивающие быстрое горение и нагрев водорода. Возможны и другие варианты решения этой проблемы. 1.2.4. Касаясь большого расхождения между эффективностью по модели ГПВРД и модели длинного топливного бака, отметим следующее. В модели ГПВРД в формуле силы тяги по (1.8) появляются 2 дополнительные составляющие, одна из которых ( ΔV К2 ) появляется благодаря принципу относительности движения – с какой скоростью КА движется относительно дорожки, с такой же скоростью дорожка движется и «влетает» в двигатель КА, и физически эта составляющая соответствует кинетической энергии дорожки в двигателе КА. Одновременно появляется отрицательная составляющая силы тяги R// = -mT ΔVK , которую можно преобразовать в зависимость: R// = -mT ΔVK = ρΔV K F ΔVK = ρΔV K2 F = pF ; (1.17) где ρ – плотность топлива, с сечением F и давлением р. И физически R// – это аэродинамическое сопротивление внешней среды. Для ГПВРД эта составляющая физически обоснована, является важной величиной, так как параметры газа атмосферы и параметры в двигателе прямо связаны. Однако для ускорения в вакууме КА по дорожке эта составляющая выглядит физически не очень убедительно. Проведем мысленный эксперимент. Пусть твердая дорожка малого сечения влетает с большой скоростью в камеру, наполненную инертным газом под давлением, и при этом дорожка химически не взаимодействует с газом. При этом давление газа ~ 5 МПа, а давление дорожки pr ~ 350 МПа. И здесь дорожка просто пролетит сквозь камеру с газом, а молекулы газа просто будут двигаться в остальном объеме камеры, который на порядок (и более) больше объема дорожки внутри камеры. Поэтому в данной схеме ускорения КА в вакууме, в отличие от ГПВРД, аэродинамическое сопротивление внешней среды – это есть давление газа в камере сгорания pК на площадь сечения оболочки дорожки SД, то есть фактически здесь R// = - pК · SД ; (1.18) // И величина R по (1.18) в 10 1000 раз меньше величины R//, определяемой по модели ГПВРД и (1.17). Тем самым, имеем резкое 26 снижение величины составляющей R//, снижение расчетной величины аэродинамического сопротивления дорожки на входе в камеру сгорания. Именно поэтому можно уверенно говорить о явно заниженной оценке эффективности способа ускорения по модели ГПВРД, то есть это нижняя граница эффективности рассматриваемой схемы ускорения КА. Поэтому реальная эффективность находится в диапазоне между завышенной оценкой по модели длинного топливного бака и явно заниженной оценкой по модели ГПВРД. Реальная модель – неподвижная дорожка как длинный топливный бак с учетом движения стенок камеры сгорания и уменьшения времени воздействия горячего потока на движущееся, «убегающее» днище камеры сгорания. Однако такую реальную модель физически тяжело описать и рассчитать, и лишь только эксперименты позволят точно определить характеристики рассматриваемой схемы ускорения. Однако и рассмотренные модели ускорения КА, пусть даже в первом приближении, позволяют говорить об эффективности такого способа ускорения начиная с прироста скорости с ΔVК ≥ 0,5. 1.2.4. Варианты ускорения КА Длина дорожки зависит от необходимой скорости КА и выбираемого ускорения. Например, для допустимого среднего ускорения а = 100 м/с², VРО = 3,5 км/с, при необходимом ΔVК = 3,5 км/с имеем время разгона tР = 35с и длина разгона, дорожки S = 6,2·104 м = 62 км. И при массе топлива дорожки МТ = 10³ кг средний секундный расход mТ = 28,6 кг/с, а средняя масса 1 м дорожки mД.ср. ≈ 1,61·10-2 кг/м. При этом максимальный диаметр конуса оболочки будет на начальном участке, при этом mД ~ 2,86 кг/м, и диаметр оболочки ~ 50 100 мм (~ 50 мм – для твердых и жидких топлив с высокой плотностью, ~ 100 мм – для криогенных топлив), а по мере ускорения КА быстро падает до диаметра ~ 10 20 мм, а затем плавно уменьшается до 2…5 мм на конце дорожки, где ΔVК ~ 3,5 км/с и mД ~ 0,008 кг/м. Поэтому реально дорожка – это контур, состоящий из 2 конусов: конус быстрого спада диаметра оболочки с 50 100 мм до 10 20 мм на длине ~ 1 км, а далее конус медленно уменьшается до диаметра ~ 2…5 мм. Ускорение а =100 м/с² применимо для разгона автоматических КА. А для пассажиров и деликатных грузов предпочтительно иметь меньшую величину а, например, при а ~ 35 м/с² для ΔVК = 3,5 км/с имеем t = 100 с и S = 175 км. Для исследовательских автоматических КА, направляемых к дальним планетам, желательно иметь ΔVК ≈10 км/с, и при а = 100 м/с² имеем t = 100 с и S = 500 км. Таким образом, в зависимости от параметров ускорения КА 27 длина дорожки составит от 60 км до 500…1000 км. Интересен вариант с базовой станцией, движущейся по орбите вокруг Земли, имеющей емкости с компонентами, в том числе и с криогенными. Это удобно и экономично, так как позволяет иметь в единственном числе на станции конструктивные элементы для развертывания дорожки, также предельно упрощая конструкцию и уменьшая массу зонда для развертывания дорожки. В принципе имеющийся на станции насос может просто накачивать развернутую дорожку компонентами топлива. При этом такая станция обеспечит развертывание дорожки большой длины. Для замедления КА вблизи Луны или Марса также возможно использование дорожки, одной или двух, находящейся на борту КА. Естественное ограничение – длина дорожки. Однако заметим, что сейчас существует целое направление – использование тросов и тросовых систем в космической технике, теория которых изложена, например, [23]. Более того, был проведен ряд реальных экспериментов с развертыванием в космосе тросов длиной до 20 км, и разрабатывается технология для доставки капсулы с грузом с орбитальной станции, в том числе и на Землю [35], а технология развертывания тросов известна [41]. Кроме того, имеются идеи и очень длинных тросовых систем, в тысячи километров, в частности, для отправки грузов к Луне. А такие тросы во многом аналогичны дорожке из рабочего тела. Поэтому нет больших психологических ограничений, как и технических, для использования в космосе подобных длинных дорожек. Речь идет о целесообразности их создания и эффективности, в том числе экономической, при использовании для ускорения КА. Подчеркнем, что рассматриваемый способ – один из очень немногих, обеспечивающий получение скорости КА ~ 10 км/с с помощью химических двигателей. Подчеркнем, что рассматриваемые здесь химические двигатели – лишь простейший и привычный источник нагрева рабочего тела (за счет горения), однако принципиально камера нагрева может использовать любой источник нагрева. Например, в перспективе возможно использование твердофазного ядерного реактора с камерой нагрева и соплом на борту КА, в сочетании с внешней дорожкой с жидким водородом. Здесь остается главный принцип – рабочее тело находится в дорожке, искусственной внешней среде. И в заключение заметим, что такое ускорение КА сейчас экзотично и одновременно полностью реально, и вполне применимо, на основе базовой станции – и в качестве межорбитального буксира, и для полетов КА к Луне и планетам. Причем это интересно именно для современного уровня – с редкими полетами КА, с малым грузо28 вым потоком в космосе. 1.3. Ускорение КА потоком плазмы 1.3.1. Безусловно, представляет интерес разгон КА потоком плазмы от разгоняющей станции. Однако, как уже отмечалось в разделе 1.1.4, при истечении в вакуум поток плазмы быстро расширяется и теряет дальнобойность, поэтому необходимо добиваться уменьшения расходимости потока за счет специального воздействия в виде магнитного поля, как в известном способе с намагничиванием пучка плазмы. Однако возможны различные схемы ускорения КА с магнитным полем. Например, интересна идея ускорения КА потоком плазмы от разгоняющей станции с мощным источником магнитного поля, диффузором. Схема такой системы изображена на рис. 1.4. 1 2 3 4 7 9 8 5 6 Рис. 1.4. Схема плазменного разгона 1 – разгоняющая станция; 2 – источник энергопитания; 3 – источник плазмы; 4 – магнит (диффузор); 5 – магнитное поле; 6 – ускоряемый КА; 7 – магнитная отражающая система источника плазмы; 8 – магнитная отражающая система КА; 9 – плазма Здесь источник энергопитания (ЯЭУ, солнечные батареи и т.п.) подает электроэнергию на источник плазмы (плазменная пушка), который создает поток плазмы, движущийся по оси магнитного поля магнита (диффузор, сверхпроводящая катушка). Этот поток плазмы упирается в магнитную отражающую систему КА, например, малый диффузор и систему малых магнитов (система помещена внутри малого диффузора). Такая отражающая система вынуждает плазму оставаться в магнитном поле диффузора, и в начальный момент образуется практически неподвижный столб плазмы, который воздействует на отражающую систему КА, создавая силу тяги на него и ускоряя КА. И здесь поток плазмы на начальном этапе движется в протяженном магнитном поле диффузора по оси поля, что обеспечивает малую 29 расходимость плазмы. В дальнейшем происходит переход плазмы на большую скорость течения, с увеличением расходимости потока, который воспринимается магнитной отражающей системой КА. Собственно, такая схема и рабочий процесс аналогичны описанной в разделе 1.1.4 схеме с ускорением КА потоком сконцентрированной (магнитным диффузором) солнечной плазмы [17]. При этом для варианта с солнечной плазмой радиус магнита диффузора rМ = 1000м при радиусе захвата солнечной плазмы rП = 100 км, и начальный этап составляет до ~ 50 км, а затем следует быстрое движение (звуковое) потока плазмы. Причем дальнобойность потока плазмы обеспечивается и тем, что радиус отражения плазмы магнитной отражающей системой (точнее, его малым диффузором) составляет r ≈ 2,16 км. При этом полная дальнобойность струи оценивается в 104 105 км, что позволяет ускорить КА до скорости 3,5 км/с и более [17]. Здесь же разница лишь в использовании искусственного источника плазмы – плазменной пушки, правда, с более высокой концентрацией плазмы. И дальнобойность такой струи также можно оценить в 103 104 км (при условии радиуса отражения плазмы КА в ~ 2 км). Достоинства использования плазменной пушки – возможность ускорения КА в любом направлении, а также возможность регулирования параметров струи плазмы. Такая система вполне позволит ускорить КА до скорости 3,5 км/с и более, в зависимости от мощности плазмотрона. В принципе, на первом этапе достаточно и такой схемы. 1.3.2. Однако интересна и экзотическая схема, значительно более перспективная, достаточно спорная физически, хотя и вполне реальная после соответствующих экспериментов [36]. Рассматривая физику, обратим внимание на известное физическое свойство магнитных силовых линий вытягиваться под действием давления, превышающего давление магнитного поля, с получением силы натяжения силовых линий [26]. Например, силовая линия как бы приклеена к тем частицам, которые находятся на ней в начальный момент, и когда частицы перемещаются, то они увлекают линию за собой, и в итоге магнитное поле Солнца вытягивается на миллиарды километров [27]. Однако проблема в том, что магнитное поле диффузора, катушки, является расходящимся в пространстве, фактически – расходимость поля катушки способствует расползанию плазмы в периферийных областях по сечению потока плазмы. Отсюда возникает необходимость продлить длину магнитного поля по оси (вместе с плазмой) диффузора как можно дальше. Решение этой задачи и приводит к экзотической схеме, приведенной на рис. 1.5. 30 13 4 3 1 11 12 5 8 9 10 2 6 Рис. 1.5. Схема плазменного длительного разгона 1 – магнитный диффузор; 2 – магнитное поле диффузора в пространстве; 3 – магнитный отражатель диффузора; 4 – источник плазмы; 5 – замкнутый контур; 6 – система фиксирующих колец; 7 – двигатель; 8 – магнитная отражающая система; 9 – космический аппарат; 10 – источник плазмы; 11 – сжатое магнитное поле; 12 – столб плазмы; 13 – фиксирующие кольца Ключевой элемент такой схемы – сверхпроводящее кольцо, причем сверхпроводник обладает эффектом Мейснера (не пропускает магнитное поле через объем сверхпроводника). Такое сверхпроводящее кольцо при своем движении сминает, сжимает расходящиеся в пространстве магнитные силовые линии от поля катушки в сечение внутрь этого кольца. В итоге магнитное поле диффузора (катушки) вытягивается по оси диффузора и по сечению сверхпроводящего кольца на большое расстояние. Тем самым плазма от пушки (с площадью сечения плазменного потока меньше площади сечения сверхпроводящего кольца), впрыснутая по оси диффузора, своим давлением воздействует на магнитную отражающую систему, заставляя перемещаться эту систему (вместе с КА). Однако магнитная отражающая система конструктивно (механически) соединена, связана, со сверхпроводящим кольцом, тем самым заставляя двигаться и сверхпроводящее кольцо, которое при своем движении и сжимает поле катушки внутрь кольца и к оси диффузора (вдоль которой движется это кольцо). Поэтому плазма движется от самого диффузора и по оси диффузора по всей длине пути разгона с практически постоянной площадью, равной площади сечения магнитного поля внутри сверхпроводящего кольца. Собственно, здесь просто нет расходимости плазменного потока, так как сечение сжатого к оси магнитного поля практически одинаково (в идеальном варианте) на всей длине и определяется сечением коль31 ца. Принципиально такая система обеспечивает любую длину пути разгона, вплоть до 1 10 млн км и более, причем разгона с высокой эффективностью. Отметим, что такое сверхпроводящее кольцо – многократно используемый подвижной элемент в конструкции разгоняющей станции, и после окончания разгона КА это кольцо отсоединяется, а после истечения остатков плазмы из объема пространства, бывшего столбом плазмы, это кольцо или автоматически вернется к магнитному диффузору (за счет возврата вытянутых магнитных силовых линий их сжатия) или возврата кольца за счет небольшой двигательной установки, установленной на кольце (эксперименты покажут, удастся ли или нет возвратить кольцо за счет сжатия растянутого поля). Таким образом, здесь получается столб плазмы, замагниченной в сжатом поле диффузора, а по торцам столба – магнитная отражающая система на КА и магнитный отражатель диффузора (система малых магнитов внутри диффузора). Для повышения надежности работы возможно использование фиксирующих колец (сверхпроводящие, с эффектом Мейслера), которые постепенно и по одной штуке отсоединяют от системы колец (установленной на замкнутом контуре) и оставляют их для дополнительной фиксации сжатого магнитного поля, с шагом между кольцами ~ 103 104 км по длине этого поля. Принципиально источник плазмы устанавливается у магнитного диффузора разгоняющей станции, а также и на самом ускоряемом КА. Здесь рассмотрим вариант размещения источника плазмы у диффузора. Рассмотрим рабочий процесс и конкретные параметры для такой системы ускорения. Важный элемент рабочего процесса – интенсивность излучения потока плазмы. Из исследований по физике плазмы (термоядерного синтеза) известно, что главной составляющей излучения плазмы является радиационное торможение электронов в кулоновском поле атомных ядер, и величина полной энергии, которую излучает 1 см³ плазмы в 1 сек, составит: Qrad 1,6 1027 nе ni Ζ 2 Tе ; (СГС) (1.19) где ne и ni – концентрации электронов и ионов соответственно; Z – порядковый номер элемента; Те – электронная температура плазмы [28]. Оптимальное рабочее тело плазмы – водород, поэтому рассмотрим параметры именно для водородной плазмы, то есть Z = 1. Полная энергия плазмы в 1 см³, в приближении идеального газа, при ne = ni = n оценивается по зависимости Qпл 3кТ ni ; (СГС) 32 (1.20) Отсюда, обозначая соотношения энергий А = Qrad/Qпл, для равновесной максвелловской плазмы, с Z = 1, ne = ni и Тi ≈ Те получаем Qrad n А 3,86 10 12 ; (СГС) Qпл Tе (1.21) отсюда получаем А 1012 Т е n ; (СГС) 3,86 и учитывая, что давление плазмы, согласно [28]: p = 2nкТ получаем зависимость p = 7,2 · 10-5 · А · Те3/2, дин/см² (СГС) (1.22) (1.23) (1.24) p = 7,2 · 10 · А · Те , Н/м² (СИ) Отсюда получаем зависимость давления столба плазмы от А и Те на магнитную отражающую систему КА. Например, при А = 0,01, что соответствует излучению 1% от энергии плазмы в 1 сек, при Т = 5·106 К имеем p = 800 Н/м². И для получения силы тяги столбом плазмы RСТ = 8·105 Н необходимая площадь сечения столба Sпл ≈ 10³ м², что соответствует радиусу ~ 30 35 м, то есть это объемная разреженная плазма с концентрацией n ~ 5,8·1018 м3 = 5,8·1012 см-3. При этом скорость иона водорода Vi ~ 270 км/с, поэтому плазма работоспособна (в виде постепенно расширяющегося столба плазмы) до длины пути разгона ~ Vi/А ≈ 104 105 км (грубая оценка). Вариант с А = 0,1 возможен для быстрого разгона КА, когда на разгоняющей станции имеется мощный аккумулятор энергии, обеспечивающий быстрый сброс энергии на источник плазмы – сверхмощную плазменную пушку. При этом давление плазмы увеличивается до ~ 8000 Н/м². Вариант с А = 0,001 (излучение 0,1% в 1 сек энергии плазмы) соответствует медленному разгону КА, позволяя резко снизить требования к мощности плазменной пушки и источника питания, с уменьшением давления до ~ 80 Н/м², и, пожалуй, сейчас наиболее реален. Все эти варианты, с А ~ 0,1 0,0001, применимы для ускорения КА, и их выбор определяется требуемыми параметрами ускорения. Более того, возможно регулирование параметров плазменного потока (его мощности, концентрации, температуры), поэтому при использовании такой системы возможно и изменение величины А, в зависимости от параметров КА. Минимальное значение поля, необходимое для удержания плазмы, определяется по зависимости, [28]: -6 3/2 33 Н а 8p , (СГС) (1.25) и для p ≈ 800 Н/м² имеем Нα ≈ 142 э ≈ 1,13·104 А/м, или Вα = 142 Гс = 0,0142 Тл, то есть это слабое магнитное поле (всего в ~ 300 раз больше земного магнитного поля). Таким образом, необходимо большое по объему и достаточно слабое поле диффузора, то есть вполне реальные параметры. Обратимся к параметрам собственно ускорения. Скорость иона водорода с энергией Т ~ 5·106 К = 430 эв равна Vi ≈ 270 км/с, и имеем Vi >> VКА, где VКА – скорость ускоряемого КА, то есть имеем дозвуковой поток плазмы, даже логичнее говорить о модели практически неподвижного столба плазмы, медленно движущегося в магнитном поле. А это позволяет утверждать о высокой эффективности такого двигателя, так как ионы и электроны плазмы совершают многократное воздействие на магнитную отражающую систему КА. В частности, физически это аналогично проекту электромагнитного резонаторного двигателя, рассмотренного в разделе 1.1.4, с многократным прохождением электромагнитного излучения между зеркалами, и который обеспечивает 80 100% преобразование энергии излучения в кинетическую энергию КА [18]. Однако здесь давление столба плазмы тратится на ускорение КА и на растяжение магнитного поля диффузора, причем эти энергии примерно одинаковы. Кроме того, для уменьшения потерь ионов из столба плазмы за счет диффузии ионов столб плазмы (по оси сжатого поля) по сечению составляет 70 90% от площади сечения сжатого магнитного поля, тем самым остается «стенка» из магнитных силовых линий сжатого поля между плазмой и космическим пространством (для повышения надежности удержания ионов). Поэтому реальная величина КПД η ≈ 20 40%, в среднем 30%. Подчеркнем, что η ~ 30% – это эффективность перехода тепловой энергии плазмы именно в кинетическую энергию КА (а не эффективность создания силы тяги на КА). Для сравнения заметим, что при идеальном варианте полета КА, с массой 100 т, с ионным ЭРД со скоростью 250 км/с, идеальной тягой 100 Н и мощностью 12,5 МВт за время 107с прирост скорости КА составит ΔV ~ 10 км/с (при расходе рабочего тела 4 т), тогда прирост кинетической энергии КА равен 5·1012 Дж, а затраты энергии струи ЭРД составляют 125·1012 Дж, то есть идеальный КПД η ≈ 4%, это низкая эффективность перехода энергии струи в кинетическую энергию КА. А для ЭРД со скоростью 120 км/с для получения прироста скорости 10 км/с (при расходе рабочего тела 10 т) получается идеальный КПД 10%. То есть имеем традиционное 34 противоречие ракетной техники – больше скорость струи, тогда меньше η (даже при уменьшении расхода рабочего тела). Рассматриваемая система ускорения обходит это противоречие за счет использования многократного воздействия ионов и электронов в практически неподвижном (малоподвижном) столбе плазмы. При этом КПД η ≈ 30%, что в несколько раз больше традиционного ЭРД, причем расход рабочего тела – плазмы столба – определяется именно высокими температурой (энергией) и скоростями частиц. Отметим, что минимальная температура столба плазмы соответствует температуре полной ионизации водородной плазмы, то есть ~ 1,5·105 К. При уменьшении температуры ниже 1,5·105 К становится возможным образование нейтральных атомов и их вылет за пределы столба, что приводит к резкому возрастанию потерь вещества из столба плазмы. Максимальная температура ограничена возможностями плазменных пушек, и сейчас максимум находится на уровне 25 60 кэв (плазменные пушки в термоядерных реакторах). Однако при этом резко возрастают потери энергии на излучение, а также усиливается диффузия ионов поперек магнитного поля и их вылет из столба плазмы. Поэтому параметры столба плазмы с Т ~ 106 107 К достаточно оптимальны. Заметим, что благодаря термоядерным исследованиям современная техника имеет инжекторы плазмы (плазменные пушки), достигающие в импульсах энергосодержание 100 кДж и более, при импульсной мощности (1 10) ГВт, а скорости ионов до 103 105 км/с [29]. Поэтому создание системы из множества плазменных пушек на энергию 100 500 эв, с общей мощностью ~ 100 МВт и более, физически и технически полностью реально, а современный технический уровень обеспечит создание такой супермощной плазменной пушки. Подчеркнем, что здесь используется тепловое движение ионов плазмы, а не направленный поток ускоренной плазмы (как в плазменных ЭРД), поэтому эффективность плазменной пушки как источника столба плазмы очень высока и близка к 90 100%. Отметим, что такая система ускорения интересна и в качестве усовершенствования рассмотренной выше схемы ускорения КА с помощью сконцентрированного потока солнечной плазмы в магнитном диффузоре. При этом сверхпроводящее кольцо в начальный момент располагают у диффузора, и при необходимости ускорения КА оно начинает двигаться, а в процессе ускорения обеспечивают более эффективное и долгое использование сконцентрированной солнечной плазмы, чем в известной схеме [17]. Достоинство такой схемы – используется энергия солнечной плазмы, и не требуется иметь на разгоняющей станции мощный источник электроэнергии и плазменную 35 пушку. А накачку магнитного диффузора энергией (для получения магнитного поля) можно производить достаточно долгое время от сравнительно маломощного ЯЭУ (на уровне 10 15 МВт). 1.3.3. Большой интерес представляет ускорение КА с помощью взаимодействия с магнитным полем диффузора при образовании плазменного столба только за счет плазмы рабочего тела ЭРД на борту КА (без использования плазменной пушки с разгоняющей станции). Заметим, что для идеального ускорения КА, по разделу 1.3.2, с массой 100 т, ионного ЭРД со скоростью 250 км/с и времени разгона tР = 107 с прирост скорости ΔVК =10 км/с и идеальный КПД η = 4%. Однако для времени разгона t / = 104с имеем ΔVК/ = 10 м/с и η / = 0,004%; а для времени t// = 105 с имеем ΔVК// = 100 м/с и η// = 0,04%, то есть для начального этапа разгона и малых величин ΔVК такой двигатель весьма не оптимален. Для ускорения КА на практически неподвижном столбе плазмы физическая картина другая, и величина КПД η = 30% обеспечивается на любом этапе разгона, включая начальный этап. И здесь прирост скорости определяется соотношением: 2 М КА ΔVКА W ДВ η t P ; (1.26) 2 где МКА – масса КА с двигателем мощности WДВ. И для варианта КА с WДВ = 12,5 МВт и η = 30% имеем прирост скорости ΔVК = 8.66 t Р ; отсюда для величины tP/ = 104 с имеем ΔV / = 866 м/с (вместо 10 м/с для традиционного ЭРД), а для tР// = 105с имеем ΔV// = 2730 м/с (вместо 100 м/с!). Таким образом, становится интересным начальное ускорение КА на столбе плазмы даже без использования плазменной пушки на разгоняющей станции. Отметим, что для рассматриваемого варианта КА с традиционным ЭРД (по разделу 1.3.2) за время tР = 107 с длина пути ускорения составит 50 млн км. А для начального ускорения КА на столбе плазмы с tР// = 105 c, с последующим ускорением традиционным ЭРД, этот путь будет пройден за ~ 3 месяца полета КА, вместо ~ 4 мес на традиционном ЭРД. Особенно это интересно для быстрого преодоления радиационного пояса Земли, при старте КА с начальной орбиты движения разгоняющей станции, например, с высоты 1000 3000 км. При этом параметры идеального ускорения КА на столбе плазмы оцениваются по зависимости аtР2 t S ΔVК Р 2 2 (1.27) ΔV а K tР 36 и для ΔVK// = 2,73 км/с и tР// = 105c имеем среднее значение а// = 0,0273 м/с², тогда длина пути разгона S ~ 1,4·108 м ≈ 140 тыс км, при расходе рабочего тела ЭРД (V ~ 250 км/с) на такой этап ускорения ~ 40 кг. Для ΔVK/ = 0,86 км/с и tР/ = 104 c имеем а / = 0,086 м/с², S = 4,3·106 м = 4300 км, при расходе рабочего тела ЭРД ~ 4 кг. Это вполне разумные и реальные параметры ускорения с помощью столба плазмы от двигателя самого КА. 1.3.4. Любопытно сочетание одновременного использования плазменной пушки разгоняющей станции и двигателя на борту КА. Особенно это интересно для длительного разгона (на ~ 105 с и более), когда использование струи двигателя КА позволяет поддерживать высокую температуру столба плазмы вблизи КА, причем независимо от длины пути разгона. При этом плазменная пушка разгоняющей станции работает до времени ускорения ~ 104 105 с, а двигатель КА – все время ускорения, вплоть до ~ 105 с, и более. Такая схема ускорения интересна и при одновременном использовании сконцентрированной солнечной плазмы от магнитного диффузора разгоняющей станции и двигателя на борту КА. 1.3.5. Интересным вариантом является сочетание рассмотренного выше электромагнитного резонаторного двигателя и плазменного столба. При этом плазменный столб используют в качестве плазменного волновода, через который пропускают поток электромагнитных волн. Тогда в плазме образуется канал, по которому происходит направленное распространение электромагнитных волн, с появлением объемных волн (в столбе) и поверхностных волн (на границе с вакуумом). Причем это модель плазменного волновода со свободной границей, в виде плазменного цилиндра, удерживаемого магнитным давлением, а плотность плазмы может быть и постоянной, и переменной по сечению (то есть физические параметры достаточно свободны, имеют большой разброс) [159]. Безусловно, динамика такого длинного плазменного волновода очень сложна, и не представляется возможным оценить предельную длину такого плазменного волновода. И здесь необходим большой объем теоретических и экспериментальных работ для определения оптимальных параметров плазмы, обеспечивающих существование плазменного волновода максимально длительное время и на максимально возможном расстоянии между разгоняющей станцией и ускоряемым КА. Подчеркнем, что направление потока электромагнитных волн в плазменный столб позволяет поддерживать температуру плазмы и на больших расстояниях от разгоняющей станции, компенсируя неизбежные потери энергии потока плазмы на излучение. В сущности, только вариант с компенсацией потерь на излучение позволяет 37 выйти на уровень длины пути ускорения КА в миллион километров и более. Отметим, что условно можно принять, что при подаче потока, например, СВЧ-волн на уровне до ~ 100 % от энергии излучения столба плазмы, основным является разгон именно тепловой энергией столба плазмы. А при уровне энергии СВЧ-волн более 100 % от энергии излучения плазмы необходимо учитывать и добавку от давления создаваемых объемных волн в столбе, и само давление СВЧ-волн. При очень большой разнице, например, когда энергия потока СВЧ-волн в несколько раз больше энергии излучения плазмы (и небольшом затухании СВЧ-волн в плазме, переходе энергии волн в тепловую энергию плазмы), это давление может быть и основным при создании силы тяги на ускоряемый КА. Заметим, что это потребует изменить и конструкцию отражающей системы КА. Заметим, что в настоящее время уровень техники получения СВЧ-волн очень высок, и сейчас есть источники – магниконы и реготроны, имеющие выходную мощность 5÷10 МВт в непрерывном режиме. Есть и проект МАТРЕШКА, позволяющий получить ВЧгенератор большой мощности – до 500 МВт, причем габариты такой установки оцениваются как 15х22х12 м³ [150]. Есть и мощнейший импульсный СВЧ-генератор, показавший в экспериментах мощность 15 ГВт в трехсантиметровом диапазоне волн при электронном КПД около 50% [38]. Конечно, только в ходе реальных экспериментов можно будет определить, что лучше – работа СВЧгенератора в непрерывном режиме или в импульсном режиме, с подачей такого потока СВЧ-волн в плазменный столб. Оценим современный уровень параметров такой разгоняющей станции. Минимальный уровень мощности ускорения, представляющий практический интерес – от 100 МВт. Грубая оценка параметров разгоняющей станции: масса магнитного диффузора составляет ~ 100 т [17]. При использовании мощной ЯЭУ на 100 МВт, с удельной массой 2 кг/кВт, масса такого ЯЭУ ~ 200 т. Масса плазменной пушки – до 50 100 т. Масса сверхпроводящего кольца – до 5 10 т, прочие элементы конструкции – до 10 40 т. Итого – масса разгоняющей станции до 400 450 т, при мощности 100 МВт. Возможно использование аккумулятора энергии, на уровень запасаемой энергии ~ 1012 1013 Дж, тогда достаточно ЯЭУ мощностью 10…15 МВт. А мощность плазменной пушки в этом случае может быть от 100 МВт и вплоть до 1 ГВт (а в перспективе – и более). Собственно, в перспективе возможно использование ЯЭУ до мощности 1 ГВт или мощных аккумуляторов на уровень запаса38 емой энергии ~ 1014 1015 Дж. Параметры ускорения определяются подводимой энергией к столбу плазмы. Например, для tР// = 105 c и W = 100 МВт при η = 30% получаем подводимую к КА энергию WКА = 3·1012 Дж, и эта энергия соответствует идеальному ускорению КА с массой 100 т до скорости ~ 7,8 км/с (полет к Марсу) или разгону до скорости 30 км/с КА массой ~ 7 т (например, для прямого полета к Меркурию, или к дальним планетам). Возможен и вариант КА с массой 500 т, разгоняемого до скорости ~ 4 км/с (полет к Марсу, начальный этап). Если взять максимальные параметры современной техники, то возможно применение СВЧ-генератора типа МАТРЕШКА мощностью ~ 500 МВт, тогда мощность электростанции ~ 1 ГВт, а масса разгоняющей станции на уровне 1000 ÷ 2500 т. Тогда и ее возможности повышаются. Например, для tР// = 105 c и W = 500 МВт при η = 30% получаем подводимую к КА энергию WКА = 1,5·1013 Дж, и это соответствует варианту КА с массой 500 т, разгоняемого до скорости ~ 8,9 км/с (полет к Марсу), или разгону до скорости ~ 17,2 км/с КА с массой 100 т (быстрый полет к Марсу, или полет к дальним планетам). В общем, больше энергия – больше возможностей, больше вариантов использования такой разгоняющей станции. 39 Глава 2 ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ИСТЕЧЕНИЕМ В ИСКУССТВЕННУЮ АТМОСФЕРУ 2.1. Газодинамика теплового двигателя Газодинамика традиционного ракетного теплового двигателя известна и хорошо описана в литературе, например, [30]. Рассмотрим лишь некоторые базовые физические аспекты подобной газодинамики, пока абстрагируясь от внешних условий работы, например, согласно [31], [32], с принятыми здесь обозначениями. Сила тяги ракетного теплового двигателя создается за счет импульса истекающего газового потока рабочего тела J, и при стационарном режиме работы сила тяги R равна J, и имеют зависимость вида R J mT V pF к 1 2 m а КP z λ 2 к 1 p*Fq λ z λ 2 mV р рF 2 J 1 λ ; где z λ J КP ma КP p КP FКP λ 1 F F q КР ; ; F q F КР 1 к 1 (2.1) (2.2) (2.3) где mT – ежесекундный расход потока рабочего тела; с сечением F, скоростью VР, статическим давлением р и полным давлением р*; к – показатель изоэнтропы; λ – безразмерный скоростной коэффициент; FКР – критическое сечение потока для аКР; аКР – скорость звука, скорость в критическом сечении; JКР – импульс газового потока для аКР; q – приведенная плотность потока массы; z – полный приведенный импульс. При этом сама z(λ) – удвоенное отношение полного импульса изоэнтропного потока в произвольном сечении к его значению в критическом сечении. Подчеркнем, что zКР(λ) = 2 в критическом сечении, то есть сила тяги минимальна в критическом сечении сопла [32], а это значит, что использование энергии потока рабочего тела минимально для двигателя с критическим сечением (без сверхзвуковой части сопла). Рассмотрим динамику изменения z(λ). Используя известные рассчитанные газодинамические функции, например, [31], [32], построим график зависимости z(λ), приведенный на рис. 2.1. Кроме того, на рис. 2.1 также приведем график зависимости q(λ), для к ≈ 1,40. 40 Для более точной арифметической оценки приведем частично данные по среднему значению к = 1,40, согласно [31], [32] помещенные в таблице 2.1. Z q 11 1,0 10 Z 0,9 9 q 8 0,8 7 0,7 6 0,6 5 0,5 4 0,4 3 0,3 2 0,2 1 0,1 0 0,01 0,25 0,4 0,55 0,7 0,85 1,0 1,15 1,3 1,45 1,6 1,75 1,9 2,05 2,20 2,35 Рис. 2.1. Зависимости q и z от λ λ 0,10 0,15 0,20 0,27 0,30 0,40 0,50 0,60 1,0 z 10,100 6,817 5,20 3,974 3,633 2,900 2,500 2,267 2,000 q 0,1571 0,2344 0,3101 0,4131 0,4681 0,5897 0,7091 0,8108 1,000 λ 1,5 1,8 1,887 1,965 2,00 2,06 2,10 2,3 2,33 z 2,167 2,356 2,412 2,474 2,50 2,545 2,576 2,735 2,759 Таблица 2.1 q 0,7307 0,4075 0,3129 0,2350 0,2038 0,1515 0,1213 0,01764 0,01033 Таким образом, наглядно видно, что существующие традиционные ракетные тепловые двигатели со сверхзвуковыми соплами обладают достаточно высокой эффективностью использования тепловой энергии газового потока. Однако очевидно и другое – что эта эффективность достаточно далека от потенциально возможного уровня идеальной силы тяги; и можно утверждать, что эффективность преобразования тепловой энергии в силу тяги может быть теоретически повышена. И здесь очевидна весьма интересная и 41 соблазнительная область – область малой величины λ, так как с точки зрения газодинамики функция z значительно более выгодна именно при λ ≤ 0,4, оптимально при λ ≤ 0,3. Сравним величины импульсов газового потока в произвольных сечениях J1 и J2 в 2-х вариантах зависимостей, при соблюдении условия одинакового расхода: к 1 m1аКР1 z λ1 J1 z λ1 z1 2к ; J 2 к 1 m а z λ z λ2 z2 2 КР2 2 2к (2.4) 1 К 1 2 J1 к 1 р* F1q(λ1 )z(λ1 ) F1q1 z1 ; (2.5) 1 J2 р* F q(λ )z(λ ) F q z 2 2 2 2 2 2 2 К 1 к 1 Принимаем, что первое сечение – в дозвуковой части, в камере сгорания двигателя, второе сечение – в сверхзвуковой части. И для сравнения принимаем, что сечения одинаковы, то есть q1 ≈ q2 и F1 ≈ F2, тогда выражение (2.5) переходит в (2.4). Результаты расчета нескольких точек приведены в таблице 2.2. λ1 0,27 0,20 λ2 1,8 1,887 z1/z2 1,69 2,16 λ1 0,15 0,10 λ2 1,96 2,06 Таблица 2.2 z1/z2 2,75 3,97 Итак, с точки зрения газодинамики, существует реальная возможность повышения эффективности двигателей (повышение их удельного импульса) за счет перехода к малым скоростям истечения газового потока из камеры сгорания. При этом принципиально возможно идеальное повышение силы тяги в 1,5–3 раза при одинаковых расходах рабочего тела по сравнению с традиционными двигателями со сверхзвуковыми соплами. И физически это объяснимо. Дело в том, что тепловая энергия и давление газа пропорциональны энергии атомов и их концентрации. И с молекулярной точки зрения это значит, что газ, движущийся внутри камеры с малой скоростью, позволяет атомам при их тепловом движении чаще ударять на стенки и днище камеры и передавать больший импульс от этих атомов к днищу камеры, чем в известных традиционных двигателях. Можно подойти и с другой стороны. Рассмотрим распределение давления в традиционном тепловом двигателе, например ЖРД, 42 в вакууме, согласно [30] приведенное на рис. 2.2, для вакуума с внешним давлением pН = 0, при этом тяга в пустоте равна равнодействующей внутренних сил на стенки двигателя. Рис. 2.2. Распределение сил давления на поверхностях двигателя При этом давление газа pК на днище камеры с площадью FК, тогда полный импульс равен pК·FК, и в рассматриваемом варианте это и определяет силу тяги. А в традиционных двигателях газ дальше движется к критическому сечению по дозвуковой части сопла и здесь давление направлено против составляющей pК·FК, уменьшая полный импульс и силу тяги в 2–4 раза по сравнению с pК·FК (так, в критическом сечении статическое давление составляет ~ 50% от p* ≈ pК). В сверхзвуковой части сопла давление и скорость направлены в сторону составляющей pК·FК, тем самым частично компенсируют потери полного импульса при движении потока к критическому сечению в дозвуковом сопле. Отсюда и величина полного импульса меняется от z = 5,2 для λ = 0,2 до zКР = 2 в критическом сечении и снова растет до z = 2,5 при λ = 2. Значит, применение дозвуковой части камеры, выполненной в виде цилиндра, из которой истекает дозвуковой поток рабочего тела со скоростным коэффициентом λ = 0,10…0,40, с оптимальным диапазоном λ = 0,15…0,27, позволяет увеличить силу тяги теплового двигателя в 1,5 3 раза при одинаковом расходе рабочего тела потока, по сравнению с традиционными двигателями со сверхзвуковыми соплами. Однако здесь и вмешиваются внешние условия работы двигателя. При использовании двигателя с давлением в камере в 1,0 50 МПа на выходе из камеры или сопла имеется сверхкритический перепад давления, который приводит в известных двигателях к получению критического потока в выходном сечении камеры или сверхзвуковой скорости на выходе из сопла. Однако возможность значительного повышения характеристик двигателей и повышения эффективности использования энер43 гии рабочего тела заставляет искать пути решения этой сложной технической задачи. И поиск таких путей приводит к идее по созданию искусственной внешней среды, куда истекает поток рабочего тела из двигателя [39], приведенной на рис. 2.3. Предлагается создание искусственной внешней среды, промежуточной области с высоким статическим давление pп, пробки, которой отделяют камеру от вакуума или атмосферы. При этом образуется перепад давления между камерой с pК и пробкой pп, и такой перепад давления (pК – pп) составляет 1 20% (при оптимальном значении 3…10%) от полного давления в камере pК* ≈ pК (полное давление pп* > pК*). И в этом случае поток рабочего тела из камеры вынужденно истекает через пробку с дозвуковой скоростью с λ ≤ 0,3…0,4, так как здесь нет критического перепада давления. Сила тяги R создается газом на днище камеры, поэтому на величину R не влияет последующая динамика движения газа, уже прошедшего через пробку и истекшего в вакуум. Причем эта пробка непрерывно уносится и непрерывно возобновляется. При этом влияние пробки на процессы внутри камеры ничтожно, ибо пробки – это искусственно созданная малая область внешней среды вне камеры двигателя, и воздействие пробки происходит только на процесс истечения из камеры. Рис. 2.3 1 – емкость с рабочим телом; 2 – система подачи; 3 – камера; 4 – емкость дополнительного компонента; 5 – система подачи; 6 – нагревающее устройство; 7 – область внешней среды Подчеркнем, что такой способ применим для любого типа теплового двигателя, будь то широко распространенные ЖРД, РДТТ, ВРД или перспективные ЯРД и электротермические ЭРД. 2.2. Характеристики теплового двигателя с внешней искусственной атмосферой Вещество дополнительного компонента для организации внешней среды – атмосферы может быть различным, в том числе и 44 специальным, отличающимся от компонентов топлива рабочего тела. Однако наиболее просто использование одного из компонентов топлива, например жидкий кислород подогревают (при охлаждении стенок камеры) и в виде потока холодного газа с температурой Тх = 300–15000К подают в область получения пробки. При этом движение холодного газа из сопел идет с критической скоростью, однако для Тх скорость газа составляет всего до 300–1200 м/с, поэтому такой поток с относительно малой скоростью Vх движется вдоль сечения камеры достаточно долго, что уменьшает расход дополнительного компонента на создание пробки. Причем малая скорость Vх, в 1,5–3 раза меньше скорости звука горячего потока внутри камеры, в сочетании с малой толщиной пробки (по сравнению с длиной и объемом камеры) обеспечивают сравнительно небольшой расход дополнительного компонента в пробке. Интересно использование и водорода в качестве дополнительного компонента, при этом малые молекулярный вес и плотность позволяют снизить массовый расход. В общем случае возможно использование и жидкостей, например, струи воды или жидкого водорода, при этом достоинством такой струи является малая толщина и объем пробки, достигающая уровня 1…20 мм. Возможно использование и горючего газа в качестве дополнительного компонента, а также иных разнообразных веществ. Поток дополнительного компонента подают с помощью сопел, одного или нескольких, или множества. Например, интересна система из 3 сопел, расположенных под углом 1200 друг относительно друга по окружности, при этом оси всех сопел направлены к оси камеры, тем самым отдельные потоки сталкиваются в центре на оси, в пробке. Сопла рассчитаны на звуковой поток дополнительного компонента, при этом полное давление отдельных потоков на 5–20% превышает полное давление рабочего тела, а статическое давление pп потоков дополнительного компонента меньше на 1–20% полного давления рабочего тела pК* ≈ pК в камере. Поток может подаваться и через одно сопло, например, с осью сопла, перпендикулярной к оси камеры. Также возможно использование и кольцевого сопла, охватывающего камеру, например, в виде щели, через которую движется звуковой поток дополнительного компонента, струя которого направлена под углом 60–900 к оси камеры. Достоинством такой щели – сопла – является конструктивная простота и полная невозможность какоголибо воздействия струи на элементы камеры. Таким образом, в общем случае количество струй дополнительного компонента неограниченно, и составляет от 1…10 и более, вплоть до кольцевой – непрерывной струи. Сам поток может подаваться струей как 45 вдоль плоскости выходного сечения камеры (оптимальный вариант), так и струей от камеры или касаясь струей стенки камеры. Иначе, поток дополнительного компонента оптимально подается струей перпендикулярно оси камеры; а также возможна подача и под углом 60–900 к оси потока в направлении истечения этого потока (как в кольцевом сопле); а также подается и под углом 60– 900 к оси потока навстречу потоку рабочего тела, однако этот вариант имеет возможность воздействия на камеру и вызывает потери силы тяги, что нежелательно. С технической точки зрения, организация подачи дополнительного компонента в область пробки – малой искусственной атмосферы – не представляет проблем, и система подачи – сопла, турбонасосный агрегат, газогенераторы и другие элементы конструкции – аналогична применяемым в традиционных двигателях, например, [30] и др. И возможны различные конструктивные решения по организации пробок на выходе из камеры двигателя. Динамика движения КА и здесь определяется по формуле Циолковского, однако вместо традиционной скорости источения VР используют эквивалентную скорость VЭ, определяемую из выражения (2.4), и в первом приближении имеем: z1 z М Р VР 1 ; z2 z2 z М z МР VЭ VР 1 Р VР 1 ; z2 М Э z2 М Р М Д R1 М Э VЭ R2 (2.6) (2.7) где МР – масса рабочего тела, проходящая через камеру и создающая тягу; МД – масса дополнительного компонента, создающего пробку. Тогда формула Циолковского имеет вид: М М к 1 z МР VК VЭ ln Н VР 1 ln Н аКР z1 М z М М М 2к К К 2 Р Д (2.8) М МР ln Н МР М Д МК где МН – начальная масса КА, переходящая в конечную массу МК; Представляет большой интерес оценка массы дополнительного компонента и его минимального расхода, обеспечивающего положительный эффект. Для этого в выражении (2.7) принимаем равенство скоростей VР = VЭ, и тогда получаем: z М Д 1 1 М Р ; z2 46 (2.9) Таким образом, для получения положительного эффекта – повышения VЭ по сравнению с традиционным сверхзвуковым соплом, необходимо выполнение условия z М Д 1 1 М Р ; z2 (2.10) Для примера, согласно таблице 2.2, для λ1 = 0,27 и λ2 = 1,8 имеем z1/z2 = 1,69, то есть поток дополнительного компонента МД должен быть меньше 0,69 МР, то есть меньше 69% от расхода газа через камеру. Для другой пары с λ1 = 0,15 и λ2 = 2,47 имеем z1/z2 = 2,75, то есть расход МД < 1,75 МР. Касаясь расхода дополнительного компонента, отметим, что экспериментальных данных нет, а теоретически здесь возможны три варианта: оптимистический, средний, пессимистический. Для создания пробки вне камеры необходим подвод газа. При этом источником газа служит как сам истекший поток рабочего тела, так и дополнительный компонент. При этом путь ускоряемого КА будет иметь вид длинного столба газа с основанием площадью FК у выходного сечения камеры, а общий расход газа МЭ составит: аt 2 М Э М Р М Д ρКV2 FК t ρ Д LFК ρКVВ FК t ρ Д FК 2 (2.11) аt FК t ρКVВ ρ Д 2 где t – время ускорения КА, с ускорением а; ρК, ρД – плотности газа в камере и дополнительного компонента; VВ – скорость газа на выходе из камеры. При этом из камеры истекает поток рабочего тела со скоростью VВ ≈ (0,1 0,3) аКР, или λ ≈ 0,1 – 0,3, попадающий в пробку искусственной атмосферы. Поскольку вышедший из камеры поток оказывается в плотной атмосфере, то проходит расширение потока со звуковой скоростью во все стороны. Причем направленный истекший поток имеет λ = 0,1 – 0,3, то есть VВ ~ 300 – 550 м/с, а средняя квадратичная скорость молекулы, например, воды, равна VК ~ 2000 м/с при температуре ТК ~ 30000К, и величина VК > VВ, то есть молекулы истекшего газа имеют намного большую тепловую скорость, чем направленная скорость потока. Поэтому истекший газ вне камеры расширяется хаотично во все стороны, а молекулы газа движутся хаотично, в том числе и в сторону выходного сечения камеры. И такой расширяющийся газ имеет статическое давление, которое оказывает давление и на выходное сечение камеры, также выполняя функцию внешней атмосферы, пробки. То есть в 47 пробке часть атмосферы составляет газ, истекший из камеры. Оптимистический вариант заключается в том, что предполагается достаточно большая инерционность истекшего из камеры потока на длине до 0,5…1 м от выходного сечения камеры. При этом затормозившийся в пробке истекший газ позволяет получить основную часть необходимого давления пробки рn, то есть сам истекший поток и обеспечивает почти автоматическое поддержание пробки в процессе работы двигателя на всем пути ускорения КА. А масса дополнительного компонента МД ~ (0,1 – 0,2) МР, компенсируя лишь небольшую часть давления, в 10–20% от величины рn, которую не может обеспечить давление от расширяющегося истекшего газа. Пессимистический вариант заключается в том, что предполагается ничтожная инерционность истекшего из камеры потока газа, и что практически сразу от выходного сечения камеры происходит хаотическое расширение потока во все стороны со звуковой скоростью, с резким и быстрым падением давления потока. И для звукового потока статическое давление ~ 50% (±3%, в зависимости от показателя изоэнтропы) от давления в камере. Таким образом, в выходном сечении камеры поток имеет давление рК, и на длине до 0,2…1,0 м от выходного сечения (собственно, эта длина и является пробкой для камеры) давление потока падает и составляет ~ 50% от рК. Однако условие эффективности пробки рК ≈ рn, значит, остальные ~ 50% рn и необходимо компенсировать за счет ввода дополнительного компонента. При этом из (2.11) следует: ρ 1 аt МЭ 1 Д ; (2.12) МР ρК 2 VВ где аt – скорость КА; ρК – плотность потока в выходном сечении камеры; Плотность идеального газа с давление р и температурой Т: μ р ; (2.13) ρ RТ где μ – молярная масса газа; R – универсальная газовая постоянная. Тогда согласно (2.12), получаем в общем виде μ р Т 1 аt МЭ 1 Д Д К ; (2.14) МР μК рК Т Д 2 VВ Здесь для оценки уровня параметров в пессимистическом варианте принимаем: рК ≈ рn , рД ≈ 0,5 рn, скорость КА аt ≈ 3600 м/с, при VВ≈ 0,2·аКР ≈ 360 м/с. Тогда имеем μ Т МЭ 1 2,5 Д К ; (2.15) МР μК Т Д 48 Для примера двигателя на топливе кислород – водород имеем молекулы воды с μК = 0,018 кг/моль, а для дополнительного компонента – водорода с μД = 0,002 кг/моль, отсюда М Э Т 1 0,27 К ; (2.16) МР ТД И, например, при ТК ≈ 30000К и ТД ≈ 10000К имеем величину МЭ/МР = 1,81, тогда расход дополнительного компонента МД ≈ 0,81 МР. Значит, в пессимистичном варианте расход МД может достигать 70…100% от расхода рабочего тела, и необходим анализ и тщательный подбор параметров этого компонента. Средний вариант заключается в том, что истекший из камеры поток рабочего тела более значительно участвует в создании давления пробки, чем в пессимистическом варианте, и обеспечивает до 60…80% от необходимого давления пробки рn, и расход дополнительного компонента МД составит до 30…60% от МР, расхода рабочего тела. Таким образом, в оптимистичном варианте имеем МД ≈ ≈ (0,1–0,2) МР, и МР/МР + МД ≈ 0,8 0,9, тогда для получения положительного эффекта необходимо z1/z2 > 1,2, то есть обеспечивается положительный эффект для VЭ с λ ≤ 0,30, согласно таблице 2.2. В пессимистичном варианте МД/МР = 0,81, то есть для положительного эффекта необходимо иметь z1/z2 > 1,81, что соответствует VВ с λ ≤ 0,2...0,22, согласно таблице 2.2, а для больших скоростей с λ ≥0,25 эффект съедается за счет подачи чрезмерно большой массы дополнительного компонента. Средний вариант имеет МД/МР = 0,3…0,6, и МЭ/МР = 1,3–1,6, и для положительного эффекта z1/z2 > 1,3…1,60, то есть для VВ с λ ≤ 0,25...0,27. Таким образом, только экспериментальные исследования помогут точно определить потребляемую массу дополнительного компонента для создания пробки и, соответственно, реальное соотношение масс МД и МР и эффективность рассматриваемого двигателя. Однако даже приведенная грубая оценка параметров позволяет утверждать, что принципиально можно рассчитывать на реальность такого двигателя и повышение его эффективности по сравнению с известными традиционными двигателями со сверхзвуковыми соплами. Безусловно, динамика такого двигателя достаточно сложна, и в таком двигателе очень сложно в полетных условиях проводить регулирование силы тяги. Поэтому такие двигатели должны применяться с учетом весьма ограниченного диапазона регулирования силы тяги в полете, по крайней мере – пока нет опыта работы по49 добных двигателей. И в идеальном варианте этот двигатель должен работать с постоянной силой тяги, с постоянными расходами и давлениями рабочего тела и дополнительного компонента. Иначе, организовали пробку на выходном сечении камеры, запустили двигатель, добились оптимального соотношения давления в камере сгорания и пробке, и все, больше ничего не трогать, ничего не менять. Впрочем, это не может сильно препятствовать их применению, просто немного изменится динамика полета ракеты или КА, а кроме того, обычно используют связку различных двигателей, поэтому и здесь в случае необходимости регулирования силы тяги во время полета можно оставить один-два традиционных двигателя с соплом, обеспечивающих регулирование. Таким образом, для двигателей с топливом жидкий кислород – керосин (в качестве дополнительного компонента – водород) вместо VР = 3500–3600 м/с при среднем варианте (оптимистичный вариант даст увеличение характеристик, а пессимистичный – даст ухудшение характеристик), как наиболее реальном к действительному процессу, при МД ≈ 0,5·МР имеем эквивалентную скорость VЭ/ ≈ 4000 м/с для пары с λ1/ = 0,20 и λ2 = 1,88 или VЭ// = 6400 м/с для пары λ1// = 0,15 и λ2 = 1,96. Впрочем, и достижение VЭ в 4–4,5 км/с для керосина – кислорода будет большим достижением. Для двигателей с топливом жидкий кислород – жидкий водород (в качестве дополнительного компонента – водород) с VР = 4000–4500 м/с при среднем варианте с МД = 0,5 МР имеем VЭ/ = 4600–5000 м/с для λ1/ = 0,20, а для пары с λ1// = 0,15 имеем VЭ = 7200–8000 м/с. Такая, на первый взгляд фантастическая для ЖРД скорость позволяет реализовать, например, одноступенчатую ракету для выхода на орбиту при старте с поверхности Земли. Для теплового двигателя с нагревом водорода в твердофазном реакторе ЯРД (дополнительный компонент – водород) при пессимистичном варианте с МД = МР и МЭ = 2МР для λ1 = 0,15 имеем VЭ = 1,375·VР ≈ 12300 м/с при VР = 9000 м/с. То есть, по величине VЭ реальный твердофазный ЯРД приближается к гипотетическому газофазному ЯРД. Это перспективно, например, для организации марсианской экспедиции на основе, например, модернизированного ЯРД «РД-0410», предлагаемого по проекту разработчиками НИЦ имени Келдыша, позволяя на 100…150 тонн снизить массу запасаемого жидкого водорода в их проекте. Такие же увеличенные характеристики имеют тепловые двигатели на основе нагрева водорода в электротермических двигателях ЭРД, а также в двигателях с нагревом водорода от концентрированного солнечного излучения. 50 Глава 3 ДВИГАТЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ 3.1. Введение Вызывает интерес использование внешних ресурсов энергии и массы от планет и Солнца. Это и старая идея использования давления солнечного света, и движение КА с таким двигателем еще в 20-х годах (20-го века) рассмотрел Цандер Ф.А., и др. И сейчас это уже традиционное направление, имеющее большое количество публикаций по различным проектам. Менее известны идеи использования потока солнечной плазмы, изложенные, например, [17]. Здесь выделим великолепный обзор различных двигательных систем, приведенный в классической монографии [34]. Однако здесь рассмотрим лишь один аспект внешних ресурсов – космические магнитные поля. Использование в двигателях космического магнитного поля является очень перспективным направлением в космической технике, и имеется достаточно большой объем разработок и литературы по этому направлению. Отметим лишь некоторые разработки, в частности, теория таких двигателей была рассмотрена в классической монографии [34], а более подробно, позднее в работе [23]. В них рассмотрена магнитостатическая тяговая система, представляющая собой электродинамическую тросовую систему, работающую в режиме «орбитального электрогенератора» или «орбитального двигателя» за счет взаимодействия тока в данном кабеле с внешним космическим полем. Физика достаточно проста и опирается на закон Ампера в классической физике: (3.1) dF J dL В ; где dL – вектор, численно равный длине элемента dL проводника, с током J; В – магнитная индукция внешнего поля. Отсюда получается ряд физических зависимостей для проводника: троса кольцевой формы или витка с током, или постоянного магнита. При этом для длины троса с током до 10…20 км при полете КА по орбите высотой 300…500 км вокруг Земли при токе в 10…50 А электродинамическая сила тяги составляет порядка 3…30 Н (электрическая мощность примерно 20…200 кВт). Для тросовой системы как генератора величина ЭДС (3.2) ЭДС V В L ; 3 где V ~ 7,6·10 м/с, круговая скорость КА по орбите, и для ионо51 сферных высот (~ 500 км) погонное значение индуцируемой ЭДС составит ~ 0,4 В/м. В действительности оно будет меньше, порядка 0,2 В/м, из-за неперпендикулярности V и В , поскольку тросовая система будет двигаться по орбите с углом наклона к экваториальности плоскости. И для электродинамической тросовой системы длиной L ≈ 20 км оценочное значение наводимой в тросе ЭДС равно 4 кВ (мощность электрическая – до 100 кВт). Электроэнергия вырабатывается вследствие торможения в магнитном поле Земли. Для компенсации торможения необходима работа двигателя, при этом на каждый килограмм топлива можно получить до 30 МДж электроэнергии [40]. Из других таких разработок выделим серьезную и достаточно сложную электродинамическую тросовую систему, обеспечивающую порядка 30 рабочих режимов, в том числе работающую одновременно в режиме генератора и в режиме двигателя для КА [42]. Известен и проект использования троса для станций «Надежда» и «Русь», где в электропроводящем вертикально ориентированном тросе в 10 км, летящем по круговой орбите высотой ~ 420 м, наводится электродвижущая сила 1200 В, что позволяет снимать с него электрическую мощность 5 кВт, при этом на конструкцию действует тормозящая сила в ~ 1,2 Н, уменьшающая высоту орбиты на ~ 30 м за 1 виток. И при варианте подачи через трос тока (в противоположном направлении, чем при генерации тока) мощностью ~ 16 кВт (от солнечных батарей), возникает разгоняющая сила в ~ 1,6 Н, достаточная для компенсации аэродинамического сопротивления и увеличения высоты орбиты [4]. Упомянем и важное использование земного магнитного поля в системах управления КА, подробно описанное, например, [37]. Отметим любопытное направление, связанное с воздействием на магнитное поле Земли. Это устройство для создания силы, содержащее замкнутый элемент в виде прямоугольной проводящей рамки, на каждой стороне которой подвижно установлены магнитные экраны. При этом за счет изменения положения магнитных экранов изменяют конфигурацию магнитного поля, воздействующего на рамку, и соответственно, изменяют величину крутящего момента и результирующую электромагнитную силу [44]. Также предлагается устройство линейного электромагнитного движителя, содержащего рабочие обмотки и кольцевой ферромагнитный экран, причем введены четыре разомкнутых магнитопровода, являющихся концентраторами вертикальной составляющей магнитного поля Земли, и именно с таким сконцентрированным полем взаимодействует ток в рабочих обмотках [45], а в другом варианте конструкции одна из сторон прямоугольных витков рабочей обмотки расположена в концентраторе магнитно52 го поля Земли [46]. Интересна идея возможного использования троса, длиной 2 5 км, взаимодействующего с магнитным полем Земли для увода с орбиты КА, выработавших свой ресурс. При этом в тросе (состоящем из многочисленных проводящих жил, соединенных электрически) при движении в магнитном поле Земли наводятся токи, обеспечивающие торможение КА при взаимодействии с магнитным полем Земли [48]. А в перспективе возможно применение электродинамического троса, взаимодействующего с полем Земли, и для замедления КА, возвращающегося с Марса [50]. Таким образом, электродинамический трос при взаимодействии с магнитным полем Земли позволяет осуществлять как торможение, так и ускорение ─ осуществлять межорбитальный перелет КА (при работе в режиме двигателя). При этом появляются все новые конструкции таких двигателей, как, например, линейный геомагнитный двигатель для межорбитального транспортного модуля и космического аппарата, содержащий токовый контур в виде прямоугольной катушки с обмоткой на основе высокотемпературного сверхпроводника, магнитопровода, системы энергопитания катушки и прочих элементов такой конструкции с регулированием силы тока в катушке в зависимости от магнитного поля Земли, с концентрацией земного поля в магнитопроводе [43]. Таким образом, такие конструкции осуществляют вполне понятное и простое взаимодействие тока в длинном тросе или катушки с магнитным полем Земли. Можно выделить идеи и по попытке получения большой силы тяги за счет создания мощного магнитного поля на самом ЛА. При этом такое поле при взаимодействии с внешним (земным или межпланетным) магнитным полем создает действующий на ЛА момент или силу, или и то и другое одновременно, и параметры таких полей рассмотрены, например, [34]. Также известна идея электромагнитного космического двигателя, основанная на взаимодействии сильных токов – до миллиона ампер – с магнитным полем Земли, а эти токи предлагается создавать в стеклянных трубках, заполненных плазмой, и такой двигатель перспективен для транспортировки КА до геостационарной орбиты [51]. Предельным вариантом такой схемы является идея по созданию летательного аппарата вертикального взлета и посадки, который содержит мощные электродуговые магниты, взаимодействующие с магнитным полем Земли с созданием силы, причем наибольшая величина этой силы будет в районе земных полюсов [52]. Заметим, что все эти конструкции используют взаимодействие земного магнитного поля с тросом и током в нем или дру53 гим мощным магнитом. Собственно, когда-то экзотическая схема воздействия на КА стала вполне привычной, можно сказать – традиционной. Однако интересно рассмотреть и пока еще экзотические схемы взаимодействия с магнитным полем Земли и других возможных устройств. Именно схемы таких способов и устройств достаточно подробно, с оценкой их характеристик, и рассмотрены далее в этой главе. 3.2. Двигатель с неизотермической плазмой Интересным является сочетание плазменно-ионного двигателя, взаимодействующего с космическим магнитным полем (далее – МП). В таком двигателе поток заряженных частиц направляют под углом от 700 до 900 к силовым линиям МП, которое поворачивает поток на 1800, а затем поток улавливают воспринимающим устройством, например, магнитным диффузором КА, и снова направляют в двигатель, в котором поток дополнительно разгоняют (компенсируют потери энергии и массы) и затем следует его повторное истечение. При этом воспринимающее устройство расположено от двигателя на расстоянии, равном диаметру дуги поворота частиц в МП. Причем такой истекающий поток заряженных частиц состоит из пучков электронов и ионов, при этом скорость частиц одного знака выше скорости частиц другого знака от 10 до 1000 раз, Vi >> Vе или Vе >> Vi, то есть это – неизотермическая плазма. А после улавливания потока магнитным диффузором и резкого повышения концентрации такой плазмы происходит быстрое уравнивание скоростей электронов и ионов с получением изотермической плазмы, и уже в таком виде передается от диффузора к двигателю для повторного (многократного) использования потока [53]. Такая схема двигателя приведена на рис. 3.1. Рис. 3.1. Схема двигателя с неизотермической плазмой 1 – КА; 2 – двигатель; 3, 4 – поворотные магниты; 5 – направляющий магнит; 6 – воспринимающее устройство; 7 – источ54 ник питания. Физика потока заряженных частиц и плазмы в МП описана подробно во многих работах, например, [26], [28], [47]. Плазма представляет собой смесь ионного и электронного газов. При этом в целом для потока сумма сил Лоренца еn (3.3) Vi Vе Н , (СГС) c и для неизотермической плазмы с Vi >> Vе движение плазмы определяется ионами. Здесь не требуется ускорения плазмы, тогда система уравнений 1 j Н grad pi pе 0 с (СГС) (3.4) miVi meVe V Vi mi me Здесь сумма сил Лоренца приводится к виду j Н /с (сила Ампера). Вследствие малой энергии и давления электронов имеем 1 j Н gradpi ; (СГС) (3.5) с отсюда gradpi j . Значит, при истечении плазмы перпендикулярно к силовым линиям МП возникает сила Ампера, которая воздействует на плазму, заставляя ее поворачиваться и совершать движение по круговой орбите. Причем сила Ампера приложена со стороны МП именно к потоку плазмы в пространстве и не взаимодействует с КА. Ввиду того что ток создается протонами, сила Ампера приложена к ионному газу, и эта сила создает перепад ионного давления pi. Из условия квазинейтральности, в частности по радиусу Дебая rD<<rn, поток электронов с давлением ре следует за пучком протонов, и ре<<pi. Радиус поворота оценивается по силе Лоренца, действующей на каждый протон: m V sinα r i i ; (3.6) q TЗ где mi – масса протона с электрическим зарядом q и скоростью Vi; α – угол между скоростью Vi и ТЗ; ТЗ – полная напряженность МП, здесь – земного МП. Для большей наглядности и оценки параметров рассмотрим ускорение КА в земном магнитном поле и примем ТЗ ≈ 2,5·10 5Тл. Также принимаем силу тяги ионного ЭРД равной R1 = 0,5 Н при продольной скорости ионов Vi = 100 км/c и продольной скорости 55 Ve = 10 км/с (тепловая скорость может быть и выше). Тогда секундный расход протонов mР = 5·10-6 кг/с при абсолютном секундном расходе N1 = 3·1021с-1, что соответствует общему току j ≈ 480 А. Излучатель потока частиц выполнен в виде системы ионных пушек, а также установлены электроды, замедляющие («охлаждающие») электроны, например – дуоплазматрон, или газоразрядные, или контактные пушки. Для оценки параметров принимаем поток в виде круга радиусом rи = 10 м, тогда при площади излучателя Sи = 314 м² плотность тока 1,6 А/м², то есть на уровне известных пушек. Поток имеет плотность ~1,6·10-13 кг/м³ при концентрации ~1014 м-3 и давлении рrи ~ 1,6·10-3 Н/м². Опуская вычисления, приведем динамику потока. Итак, истекающий из излучателя поток плазмы имеет радиус rи = 10 м и на длине пути потока ~ 15 м расширяется до rn ≈ 25 м; затем происходит поворот потока в МП с диаметром поворота ~ 80 м (усредненная длина поворота равна ~ 120 м), далее следует примерно прямолинейный участок захвата плазмы полем магнитного диффузора (воспринимающего устройства) с длиной ~ 15 20 м. После этого идет движение в поворотном магните с длиной 10…30 м, затем движение в направляющем магните с длиной ~ 80…100 м, и движение в самом излучателе с длиной 5…10 м. Итого: общий путь потока Ln ~ 300 м, и при Vi ≈ 100 км/с время одного цикла обращения плазмы τn ≈ 3·10-3 с, и при секундном mр имеем массу протонов на длине Ln с mр1 ≈ 1,5·10-8 кг. В идеальном случае, при отсутствии потерь массы, этот расход mр1 может вращаться в течение многих часов работы такого двигателя, при условии подвода энергии для компенсации затрачиваемой энергии на ускорение КА, обеспечивая КПД в 70 90% перехода кинетической энергии потока плазмы в кинетическую энергию ускоряемого КА. Однако в реальных условиях будут потери ионов из потока, связанные с рассеянием на атомах атмосферы, различными аномалиями и т.п., поэтому необходима компенсация потерь массы ионов. И реальное снижение расхода – от 10 до 104 раз, при среднем уровне от 100 до 1000 раз. Очень коротко упомянем возможные параметры конструкции. На повернувшийся в МП поток плазмы накладывается поле диффузора Н1 ≈ 5,4·10³ А/м или В1 ≈ 0,065 Тл, при радиусе диффузора r1 ≈ 5 м. Пройдя через диффузор, плазма попадает в поворотный магнит, обеспечивающий ее поворот на 900. Конкретная конструкция такого магнита может быть различной, например, на основе изогнутого соленоида, с полем ~ 8·10³ А/м, и величина объема поля – 1000 2000 м³ при энергии поля до (5 10)·104 Дж. Затем плазма попадает в направляющий магнит, выполненный 56 в виде длинного соленоида, соединяющего два поворотных магнита. Длина направляющего магнита ~ 80 м, с возможностью регулирования до ~ 200 м при радиусе 1…5 м, то есть имеет внушительные габариты. Однако здесь слабое поле – на концах соленоида всего ~ 6·10³ А/м, и даже при объеме поля до 104 м³ имеем энергию поля менее 106 Дж. Заметим, поворотный магнит у излучателя аналогичен поворотному магниту, соединенному с диффузором, и имеет одинаковые с ним характеристики. И, наконец, плазма попадает в излучатель, в систему ионных пушек, где плазму снова превращают в неизотермическую плазму, которая снова истекает в пространство, и цикл движения плазмы повторяется, и так многократно. Отметим, что, несмотря на большие габариты, общая энергия магнитного поля внутри всех элементов конструкции всего ~106 Дж, так как используется слабое магнитное поле, поэтому масса всех магнитов – на уровне ~ 300 кг, то есть достаточно легкая конструкция. Возвращаясь к физике процессов, отметим дополнительно некоторые аспекты. При поле ТЗ = 2,5·10-5 Тл магнитное давление рМ = 2,5·10-4 Н/м² и рМ < рrи, давление потока плазмы у излучателя, поэтому происходит расширение истекающего потока в виде конуса, и равенство среднего давления потока рr ≈ рМ достигается при радиусе потока rn ~ 25 м (длина такого конуса ~ 15 м), а концентрация плазмы падает до n ~ 1013 м-3. И здесь начинается интенсивное взаимодействие плазмы и МП. Заметим, что выбранные параметры плазмы дают малую электропроводность, на 2…5 порядков меньше электропроводности меди, поэтому при движении в МП такая плазма практически не вытесняет магнитные силовые линии МП, и движение протонов близко к идеальному случаю движения пучка заряженных частиц в магнитном поле. Отметим, что для неизотермической плазмы с Vi >> Ve время выравнивания скоростей и энергий ионов и электронов τв, согласно известной зависимости по [28], для расширившейся в вакууме плазмы с n ~ 1013 м-3 и τi ≈ 6·105 К составляет τв ~ 0,01 с, что при Vi = 100 км/с соответствует длине пути в ~ 10³ м и намного больше длины пути поворота в ~ 120 м. Поэтому при повороте плазмы обеспечивается Vi > Ve, тем самым гарантируется протонный ток на всем пути поворота потока. На расстоянии D ≈ 80 м от излучателя расположен магнитный диффузор, своим магнитным полем улавливающий и захватывающий повернувшийся на 1800 поток неизотермической плазмы. При этом минимальное поле диффузора для захвата плазмы 57 НМ > НЗ = 20 А/м, а величина диффузора r1 ≈ 5 м при поле Н1 = 5,4·10³ А/м. Причем радиус влияния поля диффузора rм = 30 м, а это значит, что поле диффузора практически не оказывает никакого влияния на расширение потока плазмы из излучателя и на поворот потока ЗМП. Сконцентрированная плазма внутри диффузора и поворотного магнита, а также на входе в направляющий магнит имеет концентрацию до ~ 1015 м-3, а время выравнивания энергии τв ~ 1/n [28], и тогда τв ~ 10-4 с, и при Vi = 100 км/с это дает длину пути выравнивания такой сконцентрированной плазмы в ~ 10 м. Поэтому можно уверенно утверждать, что уже на входе в направляющем магните скорости Vi ≈ Ve, при этом происходит резкое падение ионного тока в плазме (неизотермическая плазма стремится к изотермической). Тогда воздействие магнитного поля Земли при Vi ≈ Ve дает одинаковые величины сил Лоренца на ионы и протоны, или, иначе – протонный ток исчезает и сила Ампера на ток со стороны ЗМП также стремится к нулю. Как и в любой плазме, небольшой ток будет вследствие неполного выравнивания скоростей или флуктуаций, ряда других факторов, однако величина подобного тока на одинтри порядка меньше протонного тока из излучателя. Поэтому плазма в соленоиде направляющего магнита течет по магнитному полю без какого-либо значительного воздействия со стороны ЗМП, то есть здесь нет создания силы на двигатель и КА (точнее, это воздействие значительно меньше – на порядок и меньше, чем воздействие на протонный ток из излучателя). Пройдя через направляющий магнит, уже изотермическая плазма попадает на поворотный магнит излучателя. Отметим, что попадающий в диффузор поток плазмы является внешним потоком, который создает давление и силу тяги на диффузор и поворотный магнит, и в идеальном случае эта дополнительная сила также равна R1 от излучателя, и полная сила тяги двигателя R = 2R1. Однако из-за потерь энергии и массы, изменения при повороте потока скоростей частиц и т.п., реально R ~ (1,6 1,9)·R1 ≈ 0,8 0,95 Н. Рассмотренный вариант с ТЗ = 2,5·10-3 Тл соответствует высоте Н ≈ 1000 1200 км. Однако такая двигательная установка обязательно имеет возможность перемещения диффузора и направляющего магнита относительно излучателя на расстояние от 40 м до ~ 200 м. Это достигается с помощью различных конструкций. Кроме того, излучатель должен иметь регулирование энергии потока плазмы, скорости ионов Vi от ~ 50 км/с до ~ 100 км/с. При объединении уменьшения Vi в 2 раза и увеличения расстояния D до 2,5 раз (с 80 до ~ 200 м), получается, что рассмотренный 58 способ работает до нижнего предела МП в 5 раз меньше ВЗ = ТЗ ≈ 2,5·10-5 Тл, то есть ВЗ min ≈ 5·10-6 Тл, что соответствует высоте орбиты Н ≈ 7000 км. Такой двигатель вполне применим и на более низкой орбите вплоть до Н > 400 км, и ограничением является высокая плотность атмосферы, что приводит к недопустимо высоким потерям энергии и рассеянию ионов потока плазмы на атомах атмосферы. Значит, рассматриваемый двигатель позволяет транспортировать КА с высоты 400 км до 7000 км, а на этих высотах работают до 80–90 % всех КА. Также такой двигатель может служить для предварительного подъема КА до 7000 км с последующим ускорением другими двигателями. Отметим, что при движении КА по орбите его траектория по отношению к магнитным силовым линиям МП всегда определенна, и установив на КА магнитометр, можно определить соотношение векторов скорости КА и магнитного поля. Это позволяет установить излучатель и диффузор так, чтобы получить направление истечения потока плазмы из излучателя как можно ближе к 900 по отношению к силовым линиям МП. В случае необходимости можно и регулировать вектор скорости до угла с 700 с МП, при этом дрейф потока плазмы по магнитному полю не превышает 40–50 м. Поэтому, зная пространственное положение и вектор напряженности МП, а также вектор скорости движения КА относительно МП, всегда можно определить и подобрать взаимное расположение излучателя и диффузора, обеспечивающее улавливание потока. Заметим, что управление КА относительно вектора МП сейчас полностью реально, например, согласно [37], [43]. Итак, применение ЗМП в качестве внешней среды, обеспечивающей поворот потока плазмы и многократное использование этой плазмы для создания силы тяги на КА, вполне реально и физически обоснованно, и создать такую установку реально, в частности для межорбитального буксира. Однако любые конструкции имеют достоинства и недостатки. К достоинствам рассмотренной конструкции относятся: − сила тяги двигателя в 1,6–1,9 раза больше (чем в ЭРД), благодаря возврату рабочего тела полем Земли; − многократное использование рабочего тела, и его расход от 10 до 10000 раз меньше, чем расход в традиционных ЭРД; − мощность энергоустановки в 3–5 раз меньше, а это уменьшает ее массу, причем энергоустановка обычно самый дорогостоящий элемент КА, и маломощная энергоустановка также стоит меньше; − масса всей двигательной установки меньше на 30–40%, чем 59 в традиционных ЭРД. Объективно рассматривая подобный двигатель, отметим и недостатки: − сравнительно слабое магнитное поле Земли требует применения потоков плазмы малой плотности, что приводит к большим сечениям потока и длинным конструкциям, что усложняет изготовление и работу подобной конструкции. Впрочем, этот общий недостаток касается и известных систем с длинным тросом, требующим длины в сотни метров – километры для троса; − необходимость постоянного точного выдерживания положения вектора скорости потока плазмы относительно вектора магнитного поля Земли, причем в процессе движения КА и постоянного изменения положения КА относительно МП. И эта проблема особенно усложняется при вытянутой эллипсной орбите КА, так как требует и изменения расстояния между излучателем и диффузором в процессе работы. Таким образом, такая двигательная установка вполне реальна и обеспечивает высокие характеристики, однако ее применение определяется прежде всего тем, насколько простой и удобной в эксплуатации будет система регулирования положения излучателя и диффузора относительно земного МП. 3.3. Электронный двигатель с неизотермической плазмой Разновидностью двигателя с неизотермической плазмой является вариант, при котором скорость и энергия электронов выше параметров ионов, и Ve >> Vi, при этом получается электронный двигатель. Расширение плазменного потока определяется плотностью энергии земного МП и давлением плазмы, поэтому габариты расширившейся плазмы из электронного двигателя близки к варианту ионной плазмы по разделу 3.2. Также одинаковы и конструкции магнитной системы – диффузора, поворотных и направляющего магнитов. Отличается лишь конструкция излучателя, например, дуоплазматрон излучателя выполнен с ускорением электронов электростатическим полем электродов с одновременным замедлением ионов на электродах, то есть это плазменный источник электронов – электронная пушка с электродной системой. Возможны и другие мелкие (не существенные, не кардинальные) отличия в конструкции установки. Рассмотрим сначала работу на высоте с ВЗ = 2,5·10-5 Тл. Все геометрические размеры и массы систем остаются теми же, что и в разделе 3.2 при условии равенства ларморовского радиуса поворота 60 частиц, равного r = 40 м. Это достигается в случае электронов со скоростью Vе = 1.8·105 км/c и энергии 90 кэв, что вполне реализуется современными электронными пушками. Подчеркнем, что благодаря высокой скорости электронов время одного цикла излучатель-диффузор-излучатель на 3 порядка меньше, чем в ионной установке, что за 1 сек дает и большее число оборотов на 3 порядка, тем самым обеспечивается одинаковая средняя за 1 сек сила тяги, как в ионной установке (хотя за 1 оборот-цикл ионная установка дает значительно большую силу тяги). Поэтому сила тяги электронного двигателя одинакова с силой тяги ионного двигателя по разделу 3.2. И электронный двигатель обеспечивает переход кинетической энергии электронов в процессе многократного воздействия – циклов вращения – в кинетическую энергию ускоряемого КА. Отметим, что электроны имеют более слабое взаимодействие (по сравнению с ионами) с внешней средой, с атомами атмосферы, поэтому электронный двигатель можно использовать и в более плотной атмосфере, вплоть до высоты орбиты КА в ~ 200 км. Заметим, что водородная плазма обладает высокой ионизацией при температуре более 40–50 тыс. градусов, при этом энергия электронов порядка 4 эв и выше, а скорость Vе > 1,2·10³ км/с, и это нижний предел параметров электронов. Требование удобства эксплуатации ограничивает расстояние между излучателем и диффузором, например, D ~ 200 м. Тогда нижний предел для работы двигателя соответствует величине ВЗmin ≈ 6,8·10-8 Тл, и эта величина достигается на высоте орбиты КА Нmax = 52000 км (отметим, что для ионного двигателя необходимая скорость ионов была бы 680 м/с – совершенно нереальная величина). Таким образом, электронный двигатель благодаря малой массе электронов (что обеспечивает малый ларморовский радиус) работоспособен до очень малых полей. Причем и современные электронные пушки имеют широкий диапазон регулирования энергии электронов. Поэтому вполне реально создание электронного двигателя для межорбитального буксира, работающего от высоты орбиты в 200 км до высоты в 52000 км. И с этой точки зрения, электронный двигатель даже перспективнее для космической техники, чем ионный двигатель по разделу 3.2. Отметим, что величина ВЗmin всего на порядок выше межпланетного магнитного поля, то есть принципиально электронный двигатель позволяет за счет увеличения радиуса поворота создавать силу тяги и для ускорения межпланетных КА. Достоинства электронного двигателя по сравнению с традиционными ЭРД аналогичны достоинствам ионных двигателей по разделу 3.2. Недостатки также аналогичны. Кроме того, дополни61 тельными недостатками электронного двигателя являются: − недостаточная отработанность и психологическая непривычность их для применения в двигательных установках (как это: электроны – рабочее тело двигателя?!); − при движении имеет более высокие потери энергии на излучение, в частности, тормозное, на синхротронное излучение и т.п. Таким образом, электронный двигатель полностью реален и представляет интерес в качестве двигателя для межорбитального буксира с большим диапазоном рабочих высот, от 200 км до геостационарной орбиты и выше. 3.4. Тормозной магнитный двигатель Обычно, как в рассмотренных выше разделах 3.1–3.3 двигателях, используют энергию магнитного поля, взаимодействующего с электрическим током провода или плазмы. Например, для торможения КА с помощью троса по [48] наводят токи в тросе, и они взаимодействуют с земным МП. И представляет интерес экзотическая схема двигателя, непосредственно использующего магнитное поле Земли. Здесь используется популярная физическая модель, в которой магнитное поле представляет собой магнитные силовые линии, соединяющие магнитные полюса Земли, причем эти силовые линии могут вытягиваться, создавая давление. Отсюда и возникает идея конструкции магнитного двигателя, непосредственно использующего магнитное давление земного МП, в котором использован незамкнутый с вогнутой формой контур со сверхпроводящим материалом, обеспечивающим эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании магнитного поля из объема сверхпроводника [54]. Схема подобного магнитного двигателя изображена на рис. 3.2. При работе КА движется (направление движения показано стрелкой) в земном МП, при этом магнитные силовые линии МП попадают внутрь контура, выполненного из провода со сверхпроводящим материалом, который благодаря эффекту Мейснера удерживает линии поля и не пропускает их сквозь объем провода контура. И здесь линии земного МП деформируются и вытягиваются, а возникающее при этом давление поля внутри контура вызывает возникновение силы на контур и, соответственно, на КА, вызывая его торможение. При этом для охлаждения провода установлена система охлаждения. Причем в процессе ускорения–торможения возможно изменение вектора силы на КА благодаря изменению положения контура относительно КА, что достигается с помо62 щью системы регулирования положения контура, обеспечивающей перемещение контура относительно КА и МП. Рис. 3.2. Схема магнитного двигателя 1 – космический аппарат; 2 – контур вогнутой формы; 3 – провод со сверхпроводящим материалом; 4 – система охлаждения провода; 5 – система регулирования положения контура; 6 – магнитное поле Земли Физически это объясняется тем, что при движении незамкнутого контура со сверхпроводником и пересечении контуром МП в направлении, перпендикулярном к напряженности магнитного поля (или близком к этому), подобный контур становится магнитным капканом, захватывающим и увлекающим за собой магнитные силовые линии поля при движении контура. При этом магнитный капкан увлекает магнитные силовые линии, вытягивает и деформирует их, даже накапливает их, и в целом МП в этой области деформируется, а его магнитное давление служит для торможения капкана с КА за счет затрат энергии КА на деформацию и вытягивание, натяжение силовых линий и других динамических взаимодействий капкана с магнитным полем. При этом контур выполняют незамкнутым, чтобы обеспечить свободный доступ магнитных силовых линий ЗМП внутрь контура, в магнитный капкан. Здесь использовано известное физическое свойство магнитных силовых линий вытягиваться под действием давления, превышающего давление магнитного поля, с получением силы натяжения силовых линий, определяемым известным выражением: 1 (3.7) Н М grad Н М ; 4π где НМ – напряженность магнитного поля [26]. Давление статического земного МП на орбите рМО равно 63 рМО 2 0 Н МО ; (3.8) 2 где μ = 1, относительная магнитная проницаемость среды; μ0 = 4π·10 -7 Гн/м, магнитная постоянная. При этом для идеального движения с небольшим изменением высоты орбиты Н и МП с НМО для движущегося сверхпроводящего провода в грубом приближении (пренебрегая потерями) давление деформированного МП определяется зависимостью рМД рМО V t ; (3.9) где рМД – давление магнитного поля в капкане; t – время движения КА со скоростью V. При этом такая зависимость есть прямая линейная функция, поэтому среднее давление за время движения КА составляет р МО р МД р МО (3.10) 1 Vt ; р МС 2 2 и учитывая, что V·t >> 1, можно (3.10) записать в виде: 2 рМО Н МО (3.11) рМС Vt Vt ; 2 2 Напряженность магнитного поля в капкане, в первом приближении, для идеального варианта составляет Н МД Н МО V t ; (3.12) так как напряженность поля примерно прямо пропорциональна квадратному корню из плотности энергии магнитного поля, накапливаемой в магнитном капкане. Из этих зависимостей (3.7)–(3.12) можно оценить параметры торможения КА благодаря взаимодействию магнитного капкана с ЗМП. Для большей наглядности и конкретности рассмотрим движение КА по круговой орбите на высоте 104 км, при этом КА движется с круговой скоростью V ≈ 4,93 км/с ~ 5 км/с, при периоде обращения Т = 5,78 час, а ЗМП имеет напряженность порядка НМО = 2 А/м. Тогда для V ≈ 5000 м/с и t = 1000 с имеем идеальную величину среднего давления на этапе торможения рМС = 6,3 Н/м², при этом магнитное поле в капкане достигает НМД = 4,47·10³ А/м. Принимаем площадь провода SС равной 50 м², а ширина провода равна 0,5 м, тогда длина провода равна 100 м. Учитывая, что провод имеет вогнутую форму, то сечение, которое захватывает магнитные силовые линии, назовем – эффективный мидель захвата SЭ, составляет здесь 70–90% от S0, или SЭ ≈ 35–45 м², в среднем SЭ ≈ 40 м². И в идеальном варианте максимальная величина силы торможения RТИ равна RТИ рМС SЭ ; (3.13) и при среднем значении SЭ = 40 м2 имеем RТИ = 252 Н. Конечно, в ре64 альности очень сложно обеспечить длительное идеальное взаимодействие провода с МП. В реальности провод размещен под углом к магнитным силовым линиям, да и сам КА движется с переменным углом по отношению к земному МП, что уменьшает силу взаимодействия, а также имеются и другие потери магнитного потока. Поэтому реальная величина силы тяги равна RТ ≈ (40–95%)·RТИ ≈ 100–240 Н на рассматриваемой высоте орбиты 104 км. Для оценки динамики движения КА по высоте отметим, что на высоте 300–400 км от поверхности Земли напряженность поля возрастает на порядок, и согласно (3.11) магнитное давление достигает уровня 6,3 Н/м² всего за 10 сек. А при реальном периоде обращения Т ~ 90 мин время активного торможения достигает 9 50 мин, то есть возможно достижение больших полей в магнитном капкане, вплоть до уровня 104–5·104 А/м, для применяемых сверхпроводников II рода, с повышением рМС до 50–100 Н/м². Впрочем, для сверхпроводящих пленок из ниобия также возможна работа с сильным полем и достижением рМС до 25 Н/м². Таким образом, на низкой орбите для провода с SЭ = 40 м² реальна сила торможения RТ до 400–1000 Н и даже более. Для сравнения заметим, что на высоте 300 км и SЭ = 40 м² аэродинамическое сопротивление (сила торможения) составляет ~ 0,15 Н. Для высокой орбиты КА, например, на геостационарной орбите, напряженность МП падает примерно на порядок по сравнению с орбитой Н = 104 км. И для реальных величин торможения рМС равно 0,5–3 Н/м², и для SЭ = 40 м² величина RТ ~ 15 120 Н. Таким образом, динамика спуска КА с высокой – геостационарной орбиты на низкую орбиту представляет собой сложную картину, и для одинаковой величины SЭ = 40 м² реальная сила торможения RТ составляет 15–120 Н на геостационарной орбите, постепенно возрастая до 100–240 Н на орбите высотой 104 км, и далее постепенно повышается до 400–1000 Н на низкой орбите 300–400 км. Такая сложная переменная величина силы торможения, прямо зависящая от величины поля на высоте орбиты и непрерывно меняющаяся при изменении высоты, не позволяет просто и точно определить динамику спуска такого КА без использования сложных математических расчетов на ЭВМ. Для грубой оценки в первом приближении используем средние значения RТ, и, например, для средней RТ1 ~ 100 Н на участке спуска от геостационарной до Н ≈ 104 км, и для RТ2 ~ 300 Н на участке от Н ≈ 104 км до Н ≈ 400 км. Для спуска с геостационарной круговой орбиты на Н ≈ 104 км требуемое падение скорости составляет порядка ΔV1 ≈ 1,8–2,0 км/с, а для спуска с 104 км на круговую орбиту высотой 400 км падение скорости ΔV2 ≈ 3,0 км/с. Тогда для КА с массой 104 кг имеем минимальное время торможения ~ 3.3 суток, а учитывая, что торможение осуществляется не полностью все 65 время спуска, а также грубый оценочный характер величины RТ, то реальное время спуска КА с геостационарной на низкую орбиту составит от 3 до 15 суток. Такой спуск с помощью магнитного двигателя уступает межорбитальному буксиру с ЖРД, однако ЖРД требует большого расхода топлива, до 14–20 т для КА с массой 104 кг. Одновременно магнитный двигатель лучше буксира с ЭРД, который требует многих недель и даже месяцев спуска. Подчеркнем, что здесь магнитный двигатель используют только для торможения КА, движущегося относительно статического и стационарного магнитного поля Земли. И здесь речь идет только о потере кинетической энергии КА за счет торможения о земное МП, за счет затрат энергии КА на деформацию магнитных силовых линий и других динамических взаимодействий КА и МП. И здесь невозможно использовать статическое магнитное поле для перевода и подъема КА с низкой орбиты на более высокую с увеличением его энергии и скорости движения. Коротко рассмотрим конструкцию подобного магнитного двигателя. Конструкция сверхпроводящего провода аналогична известным в сверхпроводящей технике. При этом общая толщина провода до 5–20 мм, в зависимости от наличия и количества промежуточных теплозащитных экранов между герметичной оболочкой и корпусом, применяемых для уменьшения теплопередачи к оболочке и сверхпроводнику. Оценка средней массы площади в 1 м² дает величину 5…15 кг, в зависимости от разброса применяемых конструкторских решений, материалов и технологических возможностей производства. И для выбранного примера с площадью провода SС = 50 м² имеем массу провода 250–750 кг, из них жидкий гелий – до 50 кг, при этом полный тепловой поток составит ~ 2 Вт (опуская расчеты по тепловому потоку). Отметим, что имеющийся в проводе жидкий гелий обеспечит охлаждение провода в течение 10…30 суток. А для увеличения ресурса работы на КА устанавливают дополнительные емкости с жидким гелием, периодически заменяемые на новые. Однако для длительных полетов и многократного использования магнитного двигателя перспективно использование и холодильных машин замкнутого цикла, которых в настоящее время имеется несколько разновидностей, и сама холодильная машина на 2 Вт потребляет мощность 3–3,5 кВт при массе 200–400 кг. Также имеется и система развертывания провода. Например, в качестве примера одного из возможных многочисленных вариантов конструкций, отметим следующий вариант – провод намотан на барабан – тонкую оболочку с диаметром 1–5 м, снабженную электри66 ческим двигателем для вращения барабана, который закреплен на штанге, защемленной к корпусу КА, к его силовому элементу конструкции. Причем штанга имеет возможность перемещения относительно корпуса КА, а также имеется трос для перемещения провода в пространстве и иные конструктивные элементы такой системы. При начале работы КА стабилизирован и летит в строго определенном положении относительно Земли, при этом датчик магнитного поля определяет вектор магнитного поля относительно вектора скорости КА, а исполнительный механизм системы развертывания устанавливает с помощью троса в рабочее положение. И регулируя положение штанги с барабаном и вылет троса, регулируют положение провода в процессе движения КА, обеспечивая необходимое и требуемое положение провода. Итак, с учетом массы таких вспомогательных механических систем, обеспечивающих развертывание и регулирование положения провода, а также массы провода и холодильной машины с системой энергопитания, общая масса магнитного двигателя на площадь провода SС = 50 м² составляет 1000…2000 кг, или 20–40 кг на 1 м² провода. Таким образом, магнитный двигатель, обеспечивающий торможение КА в магнитном поле Земли, полностью реален и имеет высокую эффективность, относительно малую массу и простую конструкцию. И такой магнитный двигатель перспективен для спуска межорбитального буксира с высокой орбиты. 3.5. Магнитный двигатель для ускорения КА Давление и инерциальные силы солнечной плазмы выносят магнитное поле Солнца в межпланетное пространство в силу его «вмороженности». И истекающая из солнечной короны плазма, образующая поток солнечного ветра, и выносит солнечные магнитные поля, формируя межпланетное магнитное поле. При этом средняя напряженность этого поля составляет В ~ (5 6.5)·10-9 Тл. Таким образом, межпланетное магнитное поле является фотосферным полем Солнца, вытягиваемым в Солнечную систему расширяющимся корональным газом, давлением этой плазмы. При этом скорость вытягивания магнитных силовых линий аналогична скорости солнечного ветра [55]. При этом силовая линия как бы прикреплена к тем частицам, которые находятся на ней в начальный момент, и когда частицы перемещаются, то они увлекают линию за собой, и в итоге магнитное поле Солнца вытягивается на миллиарды километров [27]. Таким образом, КА на орбите, находящейся вне магнитосферы Земли, с высотой 80000 км и более, попадает в межпланетное 67 магнитное поле, движущееся и расширяющееся с высокой скоростью в пространстве на миллиарды километров, то есть практически неподвижный КА оказывается в динамичном магнитном межпланетном поле. Поэтому здесь становится возможным ускорение КА за счет взаимодействия с расширяющимся магнитным полем Солнца, при этом для ускорения КА используется энергия расширения магнитного поля Солнца, его межпланетного поля. Здесь сверхпроводящий магнитный провод-капкан при взаимодействии с межпланетным магнитным полем препятствует движению и расширению его магнитных силовых линий, тем самым захватывая эти линии капканом. При этом основная часть поля движется вперед, к внешним планетам, со скоростью 350–450 км/с, однако в области пространства около капкана захваченный им участок поля вынужден деформироваться и его магнитные силовые линии вытягиваются относительно капкана, воздействуя на проводкапкан и ускоряя его и КА [54]. Безусловно, возникаем вопрос о пределе вытягивания магнитного поля. В природе магнитные силовые линии под давлением солнечного ветра вытягиваются на многие миллиарды километров, что показывает их высокую «эластичность». Однако в магнитном капкане местная деформация магнитного поля способствует разрыву силовых линий, а также возможно возникновение других физических эффектов, также препятствующих долгому удержанию. И реальный диапазон вытягивания длины силовых линий поля относительно магнитного провода-капкана можно ожидать в области 1…100 млн км, а наиболее вероятный – (1…40)·106 км, что соответствует времени движения плазмы с полем примерно 2,5·10³ – 105 с. Для оценки параметров принимаем, что используем магнитный двигатель, аналогичный рассмотренному в разделе 3.4. Тогда по зависимости (3.11) для t = 105 с и V = 4·105 м/с при межпланетном поле НМО = 4·10-3 А/м получаем среднее давление на участке ускорения рМ = 0,2 Н/м², и для SЭ = 40 м² величина силы ускорения RТИ ≈ 8 Н. Также принимаем, что здесь масса КА равна 2000 кг, из которых 1000–1200 кг составляет масса магнитного двигателя (охлаждение – емкости с жидким гелием, без тяжелых холодильной машины и ее энергопитания), с упрощенной конструкцией и применением легких высокопрочных материалов, а до 1000–800 кг – КА с полезной нагрузкой. Тогда для такого КА среднее ускорение составляет величину ~4·10-3 м/с², и прирост скорости за один период ускорения 105 = 28 час ≈ 1,15 сут составит до 400 м/с. За время 106 с = 11,5 сут в среднем будет 10 циклов захвата поля проводом и циклов ускорения КА, тогда прирост скорости КА достигнет 4 км/с (без учета гравитационных и иных потерь). При еще более длительном ускорении в 68 3·106 с ≈ 33 сут ~ 1 мес достижима скорость до 12 км/с, а в пределе, в зависимости от длительности ускорения, площади провода и совершенства конструкции, достижима и скорость до 100 км/с. Таким образом, с помощью сверхпроводящего магнитного провода-капкана с эффектом Мейснера, захватывающего и деформирующего магнитные силовые линии расширяющегося межпланетного магнитного поля, обеспечивают ускорение КА к внешним планетам Солнечной системы – Марсу и другим. Очень интересно сочетание ускорения КА от Земли с помощью межпланетного магнитного поля и последующее замедление (тем же магнитным двигателем) в магнитном поле планеты типа Юпитер, Сатурн, с выходом на орбиту вокруг них. Возможен и противоположный вариант – ускорение магнитным двигателем КА от Меркурия, Венеры, (Марса?) к Земле и замедление КА в магнитном поле Земли. Подчеркнем, что подобный магнитный двигатель не имеет физических ограничений по размерам площади провода, и вместо SЭ = 40 м² вполне можно получить и использовать SЭ на один-три порядка больше, и, соответственно, масса ускоряемого КА может достигать от десятков до тысяч тонн, что вполне достаточно для организации межпланетных полетов КА с людьми. Отметим, что предлагаемый магнитный двигатель – это результат теоретического анализа физических эффектов и закономерностей применительно к возможностям создания новых двигателей для ускорения КА. Однако в случае экспериментального подтверждения приведенных в разделах (3.4) и (3.5) оценок и параметров, можно будет с уверенностью говорить о появлении нового типа двигателя, который обязательно найдет применение в космической технике, в том числе для обеспечения экспедиции на Марс и к другим планетам. Для этого есть все основания – простота и дешевизна конструкции, экологическая чистота, высокие параметры ускорения КА. 69 Глава 4 ДВИГАТЕЛИ С ЗАМКНУТЫМ ЦИКЛОМ РАБОЧЕГО ТЕЛА И АНАЛОГИЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ 4.1. Введение Рассмотрим весьма спорный с физической точки зрения тип двигателей, в которых рабочее тело имеет замкнутый цикл движения по контуру двигателя, то есть используется многократно. Этот весьма сомнительный, с точки зрения абсолютного большинства ученых, тип двигателей постоянно возникает в патентных заявках, ибо уж очень это соблазнительный тип двигателей. Наиболее простой тип подобного двигателя – механический, и именно он наиболее активно разрабатывается многими изобретателями. В подобном двигателе обычно осуществляют преобразование какого-либо механического движения в однонаправленное перемещение двигателя (вместе с транспортным средством) за счет какого-либо импульсного механического преобразователя. Этим проектам уже многие десятки лет, начиная с патента № 10467 в 1926 году Г. Шиферштейна на повозку с колеблющимся грузом, которая может двигаться по снегу, земле и воде. И многочисленные известные модели и предложения по инерцоидам можно условно разделить по типам: с машущими грузами, с ускоряемыми грузами, с переменным рычагом, с переменной массой, инерцоид – хранитель, диссипаторы (на основе рассеяния энергии) [56]. Большую известность получили инерцоиды В.Н. Толчина, доказавшие реальность их перемещения по поверхности, а простейший инерцоид представляет собой тележку (на четырех колесах) с установленным электродвигателем, который приводит во вращение центральный вал, на котором встречно и синхронно вращаются два рычага с грузами на концах, и эти грузы перемещаются в одной плоскости, не налегая друг на друга. При этом за один такт инерцоида совершается шесть полных механических процессов, связанных то с ускорением, то с замедлением, то с действием двигателя, то с сопротивлением тормоза. На основе такой конструкции создан ряд более сложных конструкций [57]. Из современных конструкций отметим, например, импульсный инерционный двигатель, содержащий установленные на основании две параллельные оси, соединенные с приводом с возможностью вращения в противоположных направлениях, причем на каждой оси установлено одинаковое количество рычагов с грузами, равномерно расположенными по окружности, при этом все рычаги шарнирно соединены посредством муфт со своими осями с воз70 можностью их вращения в осевых плоскостях, а муфты и грузы снабжены средствами отделения их от оси [58]. Также известна идея импульсного реактивного двигателя (в развитие [58]), который дополнительно снабжен средством установки грузов на ось, причем грузы выполнены расчлененными на равные сектора по количеству грузов, и другие дополнительные элементы конструкции [59], а схема такого двигателя изображена на рис. 4.1 (без расшифровки элементов конструкции). Рис. 4.1. Импульсный двигатель Известен центробежно-силовой движитель, содержащий систему рычагов, шарнирно закрепленных на общей оси, причем одно из плечей каждого рычага несет балластный грузик расчетной массы, причем другое плечо каждого рычага соединено посредством шатуна с кривошипом коленчатого вала, и здесь тяга создается за счет центробежных сил, возникающих при качательном движении рычагов, а также дополнительно возникают при вращении коленчатого вала [60]. Схема такого движителя изображена на рис. 4.2 (без расшифровки элементов конструкции). Рис. 4.2. Центробежно-силовой движитель 71 Отметим и идею генератора внутренней тяги [61], использующего конструкцию из цилиндрического корпуса, в котором установлены поршень, камера сгорания, полость корпуса, выхлопное устройство и текучая среда (используется ртуть), а также имеется упругий элемент и фиксирующий элемент. Такой генератор создает импульсы силы за счет преобразования ударной волны, которую создают при сгорании топлива (здесь за счет улавливания газа и последующего его разложения на исходные компоненты возможно организовать и замкнутый цикл для рабочего тела – газа). Любопытны конструкции, которые используют центробежные силы и силы Кориолиса, например, инерционно-импульсный преобразователь выполнен в виде трубы, закрепленной на корпусе, по которой инерционная масса движется в диаметральном и тангенциальном направлении и возвращается в рабочую камеру [62]. Схема такого устройства изображена на рис. 4.3. Рис. 4.3. Схема транспортного устройства 1 – корпус; 2 – труба; 3 – крыльчатка с осью; 4 – инерционная масса; 5 – камера; 6 – место выброса инерционной массы в тангенциальном направлении; 7 – место возвращения инерционной массы Здесь при сообщении вращательного движения крыльчатке инерционная масса (в виде жидкой массы) приобретает центробежную силу и импульс движения. Выбрасываясь в трубу, инерционная масса движется в тангенциальном направлении и на криволинейном участке трубы передает импульс движения всему устройству для сообщения ему однонаправленного требуемого движения. Инерционная масса возвращается в рабочую камеру в месте возвращения для приобретения нового цикла импульса движения Аналогичного действия устройство [63], где инерционноимпульсный преобразователь выполнен в виде полого маховика с перегородкой, в каждой половине размещен инерционноимпульсный элемент в виде шара, а также содержит ударноимпульсные элементы (из штока) и средство связи в виде инерционной массы-наковальни, неподвижно закрепленной на корпусе. Отметим и идею центробежного устройства, в котором механическая система из двигателя, центробежной трубы, оси, цилиндра, усеченного конуса и жидкости преобразует центробежную 72 энергию в тяговую силу [64]. Также есть идея движителя, состоящего из двигателя, вала с закрепленным диском, и с множеством масс тел, закрепленных посредством множества гибких стеблей (на одной из поверхностей диска). И предполагается появление силы тяги при вращении диска с множеством гибких стеблей путем действия части центробежных сил вдоль оси вращения [65], причем возможна и система из множества дисков. Отметим идеи Э.Р. Смольякова, использующего математическую концепцию высших производных в случае описания движения центра масс для пространственного и плоского движений. Например, предполагается инерционный движитель, имеющий одну массу, перемещающуюся вперед – назад по прямолинейной направляющей заданной длины, где специфическое управление обеспечивает массе динамическую асимметрию, порождающую ненулевое (усредненное по циклу движения) суммарное ускорение. Такое управление предусматривает реализацию линейного изменения ускорения массы на трех участках ее движения вдоль прямолинейной направляющей. И несколько параллельно размещенных и совершенно не связанных друг с другом подобных движителей гипотетически могли бы позволить за счет сдвига фазы их работы обеспечить плавное ускорение (и торможение) центра масс любому телу. Другой вариант - использование перемещения массы вдоль направляющей конического тела со скоростью r V на первой половине каждого периода вращения конуса и со скоростью r V на второй половине каждого периода, что позволяет обеспечить ускоренное движение центра масс конуса в боковом направлении (в данном случае, вдоль оси х). А для ускорения вдоль оси симметрии z можно использовать соответствующее управление 3 величиной третьей производной r от массы. Причем, если коническое тело имеет непрямолинейную направляющую, например, параболическую, то появляются дополнительные возможности по управлению пространственным движением тела в любых направлениях за счет должных перемещений массы вдоль его направляющих. Утверждается, что за счет метода высших производных можно управлять движением ЛА в пространстве, например, с помощью системы конусов с перемещающимися массами [66]. Аналогична концепция А.А. Толшмякова, где основа движителя – направляющая спираль (полая труба), в которой происходит изменение механической энергии, в частности, изменение направления вектора момента импульса ведет к изменению других, взаимосвязанных при этом векторных величин. И здесь не выполняются законы сохранения этих величин, а меру их невыполнения опреде73 ляет угол спирали α(равен ~ 9º). Направляющая спираль – это способ изменения механической энергии, а не источник ее. При этом электроэнергия (внешний источник энергии) посредством магнитного поля создает импульс рабочих тел – механическую энергию, которая в свою очередь посредством направляющих придает импульс рабочим телам – кинетическую энергию. Источник механической энергии – катушки – разгонные элементы, которые составляют направляющие спирали. Здесь 2 фазы: движение по направляющим и движение рабочих тел по инерции (вне направляющих). Изменения происходят только во время контакта рабочих тел с направляющими (разгон за счет электроэнергии), и на этой фазе будет перемещаться центр инерции взаимодействий: спираль – рабочее тело. Совсем по-другому идет другая фаза: движение рабочих тел по инерции (вне направляющих), и они являются свободными (изолированными), так как не взаимодействуют между собой и двигаются прямолинейно и равномерно. Таким образом, имеем цикличный процесс, где от цикла к циклу происходит «накачка» кинетической энергии в эту схему (от внешнего источника ускоряющего магнитного поля). А для равномерности и стабильности работы такого движителя оптимально использование одновременной работы 4 узлов (с 8-ю телами) [67]. Отметим идеи М.Г. Иванова, указывающего, что закон сохранения импульса в механически замкнутой системе верен только для абстрактных математических точек, однако в реальности существует принципиальная разница между математикой тел и физикой тел, так как тела имеют геометрические размерности и распределенные по объему массы. Физическое тело является механической системой, и в отличие от материальной точки, имеет 6 степеней свободы (3 поступательных и 3 вращательных). И при взаимодействии тел в условиях «косой симметрии» часть поступательной скорости тел передается на их вращение вокруг центра массы, то есть происходит перераспределение количества движения на два компонента – вращательный и поступательный. Причем тела обладают массой, и для их раскрутки вокруг центра масс необходима сила, которая создает вращательный момент, ибо здесь уже нет сил упругости, которые являются основой сохранения импульса. И полученное после взаимодействия тел суммарное количество движения поступательного и вращательного движения не будет равно исходному количеству движения (закон сохранения энергии безусловно выполняется). Это поясняется схемой на рис. 4.4. и 74 m V Рис. 4.4. Схема взаимодействия физических тел. m – рабочее тело со скоростью V. На основе этого принципа предложен ряд конструкций, в частности, безопорные движители 1-го класса. Простейшая схема включает катапульту (размещенную на конце платформы), выбрасывающую рабочее тело в сторону приспособления, способного захватывать это тело и переводить его поступательное движение во вращательное. Более сложными являются безопорные движители 2го класса, использующие вращение тела, создающего несимметричный момент инерции, например, разместив на одной оси несколько эксцентричных маховиков со сдвигом их относительно друг друга на некоторый угол по осям симметрии, можно получить непрерывное движение конструкции. Возможны и другие конструкции движителей на основе такого принципа [68]. Коротко упомянем и некоторые изобретения из других стран. Это и способ создания направленного движения, в котором инерционная масса совершает круговое движение путем изменения угловой скорости маховика [69]. Это и известный генератор внутренней тяги [70], и аналогичный генератор, включающий ротор с цилиндром, с текучей средой в виде балластной жидкости, при этом организуют перемещения поршня (выполняющего роль неуравновешенного груза) под действием расширения газа, вызванного детонацией газа, с подвижными массами, при этом из-за истечения балластной жидкости возникает неуравновешенность ротора и т.п. [71]. Это и чисто механический центробежно-силовой движитель [72], содержащий систему рычагов, шарнирно закрепленных на общей оси, а также имеет балластный грузик, создающий тягу за счет центробежных сил, возникающих при качательном движении рычагов. Имеется и устройство [73], создающее силу тяги без использования внешних масс за счет внутреннего обмена кинетической энергией. Это и движительная система [74], в которой имеется привод с замкнутым гибким контуром для разгона массы и ее возврата после торможения, и устройство для торможения массы с получением некомпенсированного усилия тяги за счет сочетания в конструкции системы секторов и полуколец. Это и генератор, создающий постоянный и импульсный векторы силы, имеющий ряд кареток, шкивы и ременные передачи, приводящиеся в движение электродвигателем и по своей конструкции обеспечивают несбалансированную силу инерции, действующую в заданном направлении [75]. Также известен центробежный двигатель, преобразующий вращательное движение грузов в поступательное движение с помощью специального механизма [76]. 75 Это и устройство для получения подъемной силы или для перемещения КА, состоящее из системы барабанов, лопаток, шестеренок [77]. Это и двигательная установка для КА, состоящая из нескольких электрических двигателей и общего управляющего устройства, в котором тяга создается за счет вращения масс, а закон изменения скорости вращения масс подбирается так, чтобы обеспечить движущую силу в заданном направлении [78]. И это лишь часть изобретений по данному типу двигателя. Другой тип двигателя – с использованием струй жидкости или газа – имеет намного меньше разработок. Это, например, заявка [79], в которой предлагается создавать силу тяги внутри замкнутой системы за счет наличия двух струй жидкости с разным коэффициентом вязкости и взаимодействующие с опорной стенкой, с различного рода нюансами в виде архимедовой силы или вспомогательной силой и т.п. Это и заявка [83], дающая описание привода, работающего без контакта с окружающим пространством, в котором привод представляет собой замкнутую систему, состоящую из нагревательной трубы, двигателя, работающего на холодном газе и охлаждающей трубы. А наиболее интересными и проработанными являются идеи Кочеткова Б.Ф. [84], [85], [86], который для создания замкнутого цикла использует парообразное рабочее тело с отводом теплового излучения от рабочего тела, с последующей конденсацией в жидкость. Особенность [84] в том, что в качестве преобразователя импульса парообразного рабочего тела использована турбина, а также используется и тепловое излучение для создания силы тяги. И это лишь только часть материалов за последние 20 лет, а если углубиться еще дальше и более подробно исследовать патентную и техническую информацию, то количество таких предложений еще более увеличится. Десятки изобретателей в разных странах пытаются создать такой тип двигателей. И это показывает очень большое желание людей найти тип двигателя, обеспечивающий полеты, в том числе и КА, с максимальной эффективностью. И даже интересно, когда наступит «критическая масса» таких проектов и кто-то все же решится и вложит средства в практическую реализацию нескольких проектов, что позволит или экспериментально доказать нереальность таких устройств для использования в космосе для ускорения КА, или экспериментально создать двигатель, который станет основным типом двигателя для КА на ближайшие десятилетия и даже столетия. Безусловно, все эти проекты заставляют задуматься – можно ли все-таки создать двигатель для полетов КА с замкнутым циклом, и если да – то на каких принципах? Повторим еще раз, уж очень это соблазнительный тип двигателей. 76 Безусловно, всем попыткам создать инерцоиды противостоит закон механики, и для идеальной системы движение центра масс за счет внутренних сил невозможно, для замкнутой механической системы. Для примера отметим эмоциональную статью Н. Гулиа, прошедшего путь от изобретателя инерцоидов до убежденного сторонника невозможности создания таких устройств, на основе знания теоретической механики [87]. Возможно, использование обходных путей в виде подробного анализа движения методом высших производных [66] или применение реальных физических свойств тел вместо математики тел в теоретической механике по [68] позволит создать работоспособное устройство, инерцоид для космоса. Однако очевидно, что здесь используют отклонение свойств параметров реального устройства от теоретической модели взаимодействия тел в механике (традиционной физике). И вряд ли величина этого отклонения будет большой, то есть возможен лишь тонкий (малый) физический эффект. Впрочем, и такой инерцоид может быть достаточно эффективным и интересным. Отметим, что для наземных условий, для наземного транспорта, вполне возможны двигатели на основе рассмотренных проектов, по крайней мере – части из них. Ведь подобные земные конструкции – инерцоиды – реально существуют и работают, однако в их работе решающее значение имеет сила трения с поверхностью и гравитация, поэтому физика работы таких конструкций резко отличается от работы в условиях космоса, невесомости или малого ускорения КА. И признавая обоснованность физических законов традиционной физики, отметим, что в замкнутой механической системе в условиях космоса и невесомости вряд ли возможно создание направленной силы тяги. Поэтому вряд ли в космосе будут работать (с созданием силы тяги) различного рода конструкции с дисками, маховиками, грузами и т.п. (99,9% из 100%, что эти конструкции не дадут силы тяги), хотя построить и испытать в космосе хотя бы часть таких конструкций (после успешных наземных испытаний) было бы интересно (вдруг получилось техническое «чудо»). Попробуем подойти к замкнутому циклу с точки зрения традиционной физики, так сказать, объединить «рабочую лошадку» (традиционную физику) и «трепетную лань» (мечту о замкнутом цикле двигателя). Для начала обратим внимание на существенную разницу в понятиях и терминах – двигатель с замкнутой системой и двигатель с замкнутым циклом рабочего тела. Дело в том, что есть взаимодей77 ствие с внешней средой, например, в разделе 3.1 рассмотрен двигатель в виде троса с током, взаимодействующим с космическим магнитным полем, и с точки зрения физики – это двигатель с замкнутым циклом рабочего тела, но это не замкнутая система. То же будет, если вместо троса будет ток из потока электронов и ионов (с магнитным полем взаимодействует ток, а не материал троса). Однако физически взаимодействие с внешней средой возможно не только как прямое силовое действие (ток с магнитным полем среды), но и как передача внешней среде (космосу) энергии от потока рабочего тела в виде теплового излучения. Условиями создания двигателей с замкнутым циклом рабочего тела (сокращенно – ДЗЦ) является (с точки зрения автора): 1) наличие 2 (и более) типов энергии рабочего тела с возможностью перехода их друг в друга (например, наличие кинетической и тепловой энергии) и изменением при этом импульса такого потока рабочего тела; 2) взаимодействие с внешней средой, как прямое силовое, так и косвенное – с резким изменением при этом параметров самого потока рабочего тела. Для наглядности рассмотрим пример модели импульсного теплового двигателя, находящегося в вакууме космического пространства и теплоизолированного от прочих элементов, согласно рис. 4.5. Рис. 4.5. Модель двигателя 1 – светопрозрачная камера нагрева; 2 – непрозрачное дно камеры; 3 – рабочее тело; 4 – выпускной клапан; 5 – источник нагрева; 6 – поток излучения. Такой двигатель имеет светопрозрачную камеру нагрева, в которой находится газообразное рабочее тело, а также имеется клапан для выпуска газа. Рассмотрим варианты работы такого двигателя: а) импульсом энергии (электрический разряд, импульс светового излучения и т.п.) нагрели рабочее тело в камере нагрева до Тr, (например, Тr ~ 3000 К) и тут же открыли выпускной клапан. Тогда рабочее тело в виде горячего газа истекает из камеры со средней скоростью Vr и создавая импульс силы Jr; 78 б) нагрели рабочее тело в камере нагрева до Тr и оставили его в камере. Тогда постепенно за счет теплового излучения (камера в вакууме, теплоизолирована) в виде потока электромагнитных волн рабочее тело охлаждается до Тх (например, Тх ~ 600 К). И только после этого охлаждения выпускной клапан открывается и холодный газ истекает в вакуум со средней скоростью Vr и импульсом силы Jx. Для газа соотношение скоростей и импульсов вилы пропорционально соотношению Т r Т х (в первом приближении), то есть в данном примере с Тr ~ 3000 К и Тх ~ 600 К импульс силы от горячего газа Jr в ~ 2,2 раза больше импульса силы холодного газа Jх. Все просто и логично. Однако здесь есть физический аспект, о котором обычно молчат. Тепловое излучение газа идет в виде электромагнитных волн, света, и скорость света с ~ 3·105 км/с, при этом импульс силы такого излучения Ju в ~ 2 с / V ~ 105 – 106 раз меньше импульса силы истекающего газа при одинаковой энергии. При охлаждении газа с Тr до Тх удаляется энергия пропорционально (Тr – Тх) в виде теплового излучения с Ju , причем имеем Jr > Jx, а Ju << Jx, и Jr – Jx >> Ju (разница в ~ 105 раз), или Jx < Jr – Ju, или Jx ≠ Jr – Ju. Таким образом, излучение энергии рабочим телом в космос в виде потока электромагнитных волн с ничтожно малым импульсом силы Ju приводит к значительно более мощному (на ~ 5 порядков) падению импульса силы рабочего тела с Jr до Jx. И такая картина при переходе 2-х энергий одинакова и не зависит от метода нагрева рабочего тела в камере, и значит, имеем физический парадокс ( а-у, где здесь закон сохранения количества движения). Этот парадокс можно трактовать как специфическое взаимодействие с внешней средой, с передачей ей энергии и импульса от излучающей газовой среды. Обратимся теперь к переходу тепловой энергии газового потока в кинетическую энергию. Возвращаясь к главе 2, имеем, что функция полного приведенного импульса z минимальна в критическом сечении; zкр = 2,0, и увеличивается в камере нагрева до z ~ 10 при малой скорости рабочего тела, или для сверхзвуковой части сопла плавно растет до z ~ 2,75, согласно рис. 2.1 и таблица 2.1. Возникает естественный вопрос: а как же закон сохранения импульса потока, если есть явная и четкая зависимость импульса (силы тяги) от геометрии камеры нагрева и сопла. Вообще-то, в случае строгого и четкого соблюдения закона сохранения импульса этот импульс (и величина z) должен быть одинаков в любом сечении по всей длине сверхзвукового сопла и камеры нагрева (собственно, в этом случае сверхзвуковое 79 сопло просто было бы не нужно). А в реальности – импульс зависит от геометрии сверхзвукового сопла, то есть имеем какой-то переменный и «гибкий» импульс истекающего потока рабочего тела. Значит, при переходе тепловой энергии потока в кинетическую энергию полностью сохраняется величина энергии (мощность потока), однако импульс потока переменный, изменяется по сравнению с импульсом для тепловой энергии в камере нагрева. Конечно, это относительно малый эффект, но он имеется, а это главное. Подчеркнем, что закон сохранения импульсов безусловно выполняется для материальных точек и идеальных тел, согласно механике, а также в ядерной физике при взаимодействии ядерных частиц. Однако это узкая область взаимодействия кинетических энергий частиц, идеальных тел и точек. И можно утверждать, что физики весьма вольно и весьма широко распространили этот закон на все взаимодействия и процессы в природе. В реальности, как показывают приведенные выше примеры, при использовании переходов различных видов энергии этот закон сохранения импульсов может и не выполняться. Заметим, что если подходить физически строго и четко, то физически любая система (в том числе и рассмотренные выше механические системы) взаимодействует с внешней средой в виде физического вакуума и структурой пространства. Однако для механической системы взаимодействие с внешней средой и, соответственно, – изменение параметров элементов ее конструкции незначительно (остается надеяться лишь на техническое «чудо»). Но для других систем принципиально возможно более сильное взаимодействие и сильное изменение параметров (прежде всего – энергии) потока рабочего тела. И с точки зрения соблюдения этих условий наиболее реальным является патент [85], с излучением тепловой энергии во внешнюю среду и переходом тепловой энергии в кинетическую, с изменением фазового состояния рабочего тела. Схема такого двигателя приведена на рис. 4.6. Правда («в качестве ложки дегтя в бочку меда»), отметим, что это изобретение четко описывает термодинамический цикл с его переходами, и весьма слабо – с точки зрения газодинамики. Особенно умиляет закладываемое в описании и формуле использование оптического излучения для создания силы тяги, так как для используемого потока пара с малой температурой теплоизлучение мало и создаваемая им сила тяги на несколько порядков 80 Рис. 4.6. Схема ДЗЦ 1 – парогенератор; 2 – сопло; 3 – газонепроницаемый баллон; 4 – насос; 5 – трубопровод; 6 – рефлектор; 7 – прозрачная стенка баллона меньше тяги Т (точнее, соотношение сил тяги при одинаковой мощности равно ~ 2 с/V ~ 106). Впрочем, термодинамический цикл у данной идеи вполне реален, и здесь есть шансы на создание работоспособной конструкции. 4.2. Физические основы создания двигателя с замкнутым циклом со сверхзвуковой струей Рассмотрим физическую возможность получения разности полного импульса потока при истечении в вакуум камеры ДЗЦ. То есть истекший из сопла поток рабочего тела должен изменить свой импульс (количество движения) при движении свободным потоком, струей в вакуумной камере, баллоне. Обращаясь к газодинамике потока, рассмотрим классическую формулу условия обращения воздействий [106]: dV dF dG 1 к 1 к М 2 1 2 dL 2 dQНАР dLТР ; (4.1) V F G а а а где dV/V – изменение скорости газа со звуковой скоростью а и числом Маха М; dF/F – изменение площади потока газа; dG/G – изменение массы потока; dL – сообщение потоку механической энергии; dQНАР – тепловой поток; dLТР – трение. Отсюда видно, что для движущейся в вакууме свободной струи газа имеют значение только изменение площади и отвод теплового потока от газа, и тогда (4.1) запишем: dV dF к 1 (4.2) М 2 1 2 dQНАР ; V F а При этом расширение канала и отвод тепла приводят к ускорению сверхзвукового потока или к замедлению дозвукового потока; а сужение канала и подвод тепла приводят к ускорению дозву- 81 кового потока и замедлению сверхзвукового потока. Здесь рассмотрим вариант со сверхзвуковым потоком [49]. При истечении в вакуум звуковой и сверхзвуковой поток только расширяется, что приводит к ускорению сверхзвукового потока. Физически это означает, что при истечении в вакуум происходит дополнительный переход тепловой энергии потока в кинетическую энергию потока. Также отметим, что низкомолекулярные газы типа Н2, О2 и другие имеют низкие излучательные способности при температуре 1000–40000К, поэтому тепловое излучение от газового потока незначительно (по сравнению с тепловой энергией). В вакууме сила тяги равна R mVС pС FС ; (4.3) где m – расход рабочего тела; VС, рС – скорость и статическое давление на выходе из сопла с площадью среза FС. Причем тяга в пустоте равна равнодействующей внутренних сил давления на стенки двигателя, его камеру и сопло. И физически это означает, что сила тяги появляется за счет воздействия атомов рабочего тела на стенки камеры и сопла, за счет давления газа на стенки [30]. Именно этим объясняется тот известный экспериментальный факт, что сила тяги двигателя (в вакууме) не зависит от движения вытекшей струи газа за пределами сопла, или, иначе, движение вытекшей струи за соплом никак не влияет на истечение газа из камеры и сопла. А это означает, что вышедший из сопла буквально на ~ 1 мм = 10-3 м поток газа никак не создает силу тяги на твердые стенки сопла и не влияет на течение газа внутри сопла. Иначе, истекший из сопла газ в виде струи живет по своим законам и никак не влияет на силу тяги в сопле и двигателе. Формула (4.3) записывается и в виде полного импульса потока J, аналогично (2.1): к 1 m aКР z ( ) ; (4.4) 2к где к – показатель адиабаты для газа со скоростью звука аКР; z(λ) – полный приведенный импульс, согласно (2.2). Рассмотрим движение газа внутри сопла. Здесь величина z(λ) не зависит от рода газа и показателя адиабаты, а имеет минимальное значение z(λ) = 2 при λ = 1, то есть в критическом сечении, и величина z постепенно возрастает, например, до z = 2,5 при λ = 2 [32]. И это известный экспериментальный факт: увеличение импульса газового потока на участке от критического сечения до выходного сечения сверхзвукового сопла! Именно на этом созданы все конструкции сопел ракетных двигателей: больше расширение J mT V pF 82 сопла – отсюда и больше скорость газового потока и больше импульс газового потока и создаваемая сила тяги. И с физической точки зрения это означает, что в силу внутренних процессов, происходящих в газовом потоке, в силу перехода тепловой энергии в кинетическую энергию потока, изменяется импульс газового потока с величины JКР (в критическом сечении) до JС в выходном сечении сопла. В самом деле, разве неподвижное сопло (массой в десятки-сотни килограмм) ускоряет и передает дополнительное количество импульса газовому потоку массой в десятки-сотни тонн?! Здесь твердые стенки сопла служат лишь оболочкой для происходящих внутренних процессов в газовом потоке, создавая условия для перехода тепловой энергии в кинетическую и изменения импульса газового потока. Еще раз подчеркнем, что именно в силу внутренних процессов в газовом потоке изменяется импульс газового потока J и создаваемая сила тяги. Отметим, что с точки зрения строгого выполнения закона о сохранении количества движения, этот экспериментальный факт является нарушением этого закона! При строгом и четком выполнении этого закона импульс и сила тяги двигателя с критическим соплом и сечением обязаны были быть одинаковыми с импульсом и тягой двигателя со сверхзвуковым соплом, и собственно, здесь сверхзвуковые сопла просто не потребовались бы вообще! Заметим, что импульс и сила тяги, кроме кинетической энергии, определяемой составляющей (mV), зависит также от составляющей (рF), определяемой тепловой энергией потока. При этом составляющая (рF) может не превышать 10% для сверхзвукового сопла с большим расширением, однако для сопел с критическим сечением эта составляющая от 36% до 50% (в зависимости от показателя адиабаты к для конкретного газа), и эта составляющая определяется по функции относительного статического импульса [32]: pF r λ ; (4.5) mV pF Таким образом, в критическом сечении значительная часть импульса определяется тепловой энергией, от которой зависит составляющая (pF), и в сверхзвуковом сопле происходит преобразование (pF) в кинетическую энергию потока с изменением импульса от JКР до JС. Однако здесь возникает естественный вопрос: да, стенки сопла являются идеальным средством – оболочкой для обеспечения расширения и ускорения газового потока, с изменением импульса этого потока. Однако газовый поток в вакууме также расширяется, и также обязано происходить изменение параметров потока. И 83 почему в условиях расширения свободного газового потока в вакууме должен быть неизменным импульс потока? Ведь в условиях вакуума истекающий из критического сечения сопла поток будет расширяться и ускоряться, а границы такого потока достаточно четкие и определяются скоростью звука, а также соотношением сверхзвуковой скорости потока и скоростью звука. Конечно, расширение, расплывание такого свободного потока в вакууме значительно больше, чем в сопле. Да, свободное расширение газового потока не дает идеального процесса расширения потока, в отличие от профилированного сверхзвукового сопла! Однако при истечении газового потока из критического сечения сопла поток имеет z = 2,0 и составляющая pF ~ 40–50%, и при движении свободной струи газа в вакууме происходит расширение и ускорение потока до z ≈ 2,5 и pF ~ 10% для сверхзвукового потока, как и в сопле. Да, несовершенство такого свободного расширения потока очевидно, как и очевидны потери на непараллельность неп, равные [30]: VС α неп 0,5 1 cos 2 ; (4.6) VС(α 0 ) 2 где VС – реальная скорость; VС(α =0) – идеальная скорость при строго осевом потоке и угле раствора сопла α2=0; α2 – угол раствора сопла. В применяемых конических соплах значение α2 = 15–200, что соответствует неп ≈ 0,99, или уменьшение удельного импульса изза потерь на непараллельность составляет до 1%. Для свободного потока, расширяющегося в вакууме, с z = 2,5 и λ ≥2,0, имеем сложную картину распределения скоростей по слоям, при этом по оси потока имеем максимальную осевую скорость, которая падает по мере приближения к границе потока. Поэтому в данном случае неп ~ 0,85 ÷ 0,95. Таким образом, при движении от критического сечения сопла потока с импульсом JКР в вакууме камеры для свободной струи газа происходит расширение струи и ускорение с увеличением импульса потока JВ. И именно этот физический процесс может служить основой создания ДЗЦ. И разница импульсов газового потока JКР и JВ создает силу тяги в ДЗЦ. Безусловно, только эксперименты могут определить реальное увеличение импульса потока при движении в вакууме свободного потока газа, истекшего из критического сечения сопла. Однако теоретически и физически это обоснованно и достаточно реально. Сверхзвуковой газовый поток движется в вакууме и натекает на преграду – плоское дно вакуумной камеры, баллона. Картина 2 2 84 натекания одиночной сверхзвуковой струи на преграду характеризуется сложной ударно-волновой структурой, чередованием сверхзвуковых и дозвуковых областей течения. Для случая взаимодействия недорасширенной струи с преградой (дном баллона), расположенной нормально к оси струи, наблюдаются 4 характерных режима, для которых установлен диапазон величины параметра «n» (отношение давления на срезе сопла рКР к давлению вакуума в баллоне) и h (расстояние от среза сопла до преграды). Таким образом, варьируя параметрами струи и вакуума, можно получить все эти 4 режима, и определить лучший из них для конкретного газа рабочего тела и параметров его газового потока. Наиболее просто использовать сверхпредельный режим взаимодействия, когда изменение параметра «n» не влияет на величину осевого отхода центрального скачка уплотнения и на величину относительного давления в центре преграды. Само же взаимодействие приводит к возникновению системы скачков – висячего, центрального и отраженного. Таким образом, сверхзвуковой поток натекает и воздействует на дно камеры, баллона, растекается по дну, создавая силу давления на дно и передавая ему свой импульс. Подчеркнем, что в силу закона сохранения количества движения потока величина силы на дно баллона определяется импульсом газового потока JВ c функцией z(λ ~ 2,0) = 2,5 (поэтому можно не рассматривать подробно параметры системы скачков). Таким образом, длина пути потока в камере должна обеспечить участок расширения сверхзвуковой струи до z ~ 2,5 при λ ≥ 2,0, и лишь затем должен идти участок взаимодействия с дном и системой скачков. Отметим, что изменение импульса ΔJ = JВ – JКР будет небольшим, соответствуя изменению Δz = z(λ) – zКР ≈ 0,5, или ~25% от JКР. В реальности, из-за потерь на непараллельность и других типов потерь, ожидаемая разница (JВ – JКР) составит 3…10% от величины JКР. Подчеркнем, что строго физически здесь истекший из камеры поток газа покидает двигатель и движется свободным потоком в вакууме внешней среды, причем движется динамично, расширяясь в вакууме (здесь вакуум – это внешняя среда, создающая условия для расширения и ускорения потока). И именно этот свободный измененный поток, физически являющийся внешним потоком по отношению к КА и системе сбора газа, и воздействует на дно баллона. Для примера приведем оценки параметров ДЗЦ с тепловой мощностью нагрева рабочего тела WТ = 106 Вт = 1 МВт. Произвольно выбираем газ СО2, с температурой нагрева ТК = 15000К, с полным давлением газа в камере рК = 1 МПа, тогда газ имеет скорость звука ~ 590 м/с, и истекает из критического сопла с площадью FКР ~ 2,6·10-3 м² и диаметром 85 сопла dКР ≈ 5,8·10-2 м. Для получения функции z(2) ≈ 2,5 при λ ≥ 2,0 необходимая площадь сечения газового потока в вакууме FВ ~ 20·FКР, или диаметр потока газа dП ~ 4,5·dКР ≈ 0,26 м, и для получения dП длина пути потока до 0,5 1 м. Для расхода газа mС ≈ 3,5 кг/с имеем для критического сопла для z(1) = 2,0 JКР ≈ 3800 Н, а для ускорившегося в вакууме потока с λ ≈ 2,0 и z(2) = 2,5 имеем JВ = 4750 Н, то есть создаваемая внутри вакуумной камеры, баллона, идеальная сила тяги R = ΔJ = JВ–JКР = 950 Н. С учетом реальных условий и потерь реальная величина силы тяги R = 10 500 Н. Заметим, что для замкнутого цикла рабочего тела совершенство организации рабочего процесса имеет пока второстепенное значение. И получение даже силы тяги R = 10 Н (по сравнению с JКР ≈ 3800 Н так мало, на первый взгляд) делает такой двигатель весьма перспективным для космических полетов. А получение силы тяги R = 100 Н делает такой двигатель самым перспективным, «на голову выше» любого двигателя с истечением рабочего тела в космос. Отметим, что изменение импульса потока, согласно (4.2), возможно и за счет интенсивного теплового излучения. При этом воздействие излучения может быть даже сильнее при использовании потока с температурой до 30 60 тысяч градусов, с быстрым и резким сбросом тепловой энергии в виде излучения на небольшом участке после выхода из сопла. Возможен и промежуточный вариант, когда изменение импульса за счет сочетания расширения потока и теплового излучения, при этом эти факторы примерно на одном уровне. Этот вариант осуществим для газового потока с температурой до 10–20 тысяч градусов, или для температуры до 30000К и с добавкой микрочастиц в поток для резкого усиления теплового излучения от потока. Однако эти варианты требуют более сложной конструкции. Например, при использовании газа с температурой до 30–50 тысяч градусов необходимо иметь высокотемпературную центральную область потока (электродуговой нагрев) в сочетании с относительно холодными областями вблизи стенок камеры нагрева и сопла, плюс обязательное принудительное охлаждение стенок сопла и камеры и т.п., то есть намного более сложный процесс и конструкция элементов двигателя. Схема ДЗЦ приведена на рис. 4.7. Здесь поток рабочего тела проходит через камеру нагрева и истекает через сопло с критическим сечением, с критической скоростью и импульсом JКР. В вакуумной камере большого объема (объем намного больше, до 10 100 раз, объема струи газа) происходит расширение потока и его ускорение до сверхзвуковой скорости и импульса JВ. Затем происходит соударение сверхзвукового потока с воспринимающей плитой дна вакуумной камеры (баллона) 86 и его замедление через систему скачков уплотнения до небольшой скорости (порядка λ ~ 0,1 0,3), а замедлившийся поток попадает в систему сбора газа (система труб). Затем поток попадает в компрессор системы подачи (или газовый насос), который повышает давление потока и подает его в камеру нагрева, и затем цикл повторяют. Рис. 4.7. Схема ДЗЦ 1 – камера нагрева; 2 – источник энергии; 3 – воспринимающая плита дна вакуумного баллона; 4 – вакуумный баллон, камера; 5 – система сбора газа; 6 – компрессор системы подачи; 7 – емкость рабочего тела; 8 – поток рабочего тела; 9 – поток через критическое сечение сопла; 10 – вакуумный насос При этом для компенсации случайных потерь газа вводят баллон, емкость с рабочим телом, из которого в случае необходимости подают газ, а кроме того, этот баллон обеспечивает и начальный запуск ДЗЦ, подавая порцию газа рабочего тела в камеру нагрева. Кроме того, имеется вакуумный насос, обеспечивающий вакуум внутри вакуумной камеры (баллона). А работоспособность вакуумного насоса, компрессора и камеры нагрева поддерживают за счет источника энергии длительного действия (источник электроэнергии и тепловой энергии разных типов). Заметим, что ДЗЦ имеет достаточно большую массу из-за относительно тяжелых элементов конструкции – объемная вакуумная камера (баллон), компрессор, вакуумный насос, источник энергии. Поэтому такой ДЗЦ достаточно тяжелый (до 5 30 т для WТ ≈ 1 МВт), и его невозможно использовать для старта с Земли или даже с Луны, то есть это чисто космический двигатель, применяемый для межорбитального буксира, для полетов КА к планетам и Луне при старте с орбиты вокруг Земли. 4.3. Физические основы создания двигателя с замкнутым циклом с дозвуковой струей Здесь рассмотрим еще более спорный и психологически сложный вариант ДЗЦ с дозвуковой струей. Если для ДЗЦ со сверх87 звуковой струей разность импульсов (JВ–JКР) возникает за счет ускорения в вакууме струи до большей скорости и увеличения JВ, то для ДЗЦ с дозвуковой струей все наоборот – импульс JВ падает по сравнению с JКР [88]. Для наглядности примера рассмотрим ДЗЦ с тепловой энергией струи газа WТ = 1 МДж = 106 Дж. Из зависимости (4.2) следует, что расширение канала и отвод тепла приводит к замедлению дозвукового потока. Таким образом, для дозвукового потока речь идет о «тепловом сопле» с отводом тепла, то есть струя газа в вакууме должна сбрасывать тепло – тепловую энергию во внешнюю среду, образуя взаимодействие с внешней средой, с падением статического давления и составляющей импульса (рF). Как известно, одно и двухатомные газы (типа Н2, N2, О2 и т.п.) даже при высоких температурах с Т ≤ 5000ºК не имеют заметного теплового излучения, и их относят к неизлучающим и теплопрозрачным. Это же относится и к 2-атомным газам типа СО. Значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию при Т ~ 1000–3000ºК обладают лишь многоатомные газы типа СО2, NН3, криптон, ксенон и вплоть до очень тяжелых UF6, Нf(ВН4)4 и др., и их число – многие десятки. При этом использование каждого газа имеет свои преимущества и недостатки. Отметим, что с точки зрения эксплуатационной надежности необходим газ, имеющий минимальное химическое взаимодействие с поверхностями конструкций двигателя, и одновременно – с максимальной температурой разложения газа. Кроме того, для повышения излучения струи газа обязательно используют добавки микрочастиц графита, или металлических тугоплавких соединений, или других материалов, имеющих высокую степень черноты. Такие частицы имеют диаметр менее 10-6 м, вплоть до нанометрических размеров, и их вводят в количестве от 0,1 до 10% от массового расхода газа. Такой запыленный газ резко, на один-три порядка повышает излучательную способность струи рабочего тела с относительно малой температурой, а малая масса добавок позволяет пренебречь, в первом приближении, их влиянием на газодинамику двигателя и ограничиться рассмотрением движения струи газа для получения оценки параметров двигателя. Отметим, что в случае струи с высокой температурой Т ≥ 2·104 К добавку микрочастиц можно не применять, так как сам газ имеет высокую излучательную способность. Дополнительно отметим достоинства тяжелого газа: − скорость звука мала, в несколько раз меньше, чем в обычных газах ЖРД, а расширение потока газа в вакууме после истече88 ния определяется именно скоростью звука, поэтому для тяжелого газа расширение сечения струи будет минимальным, а это позволяет уменьшить сечение и объем вакуумной камеры, куда истекает струя газа; − скорость звука мала, поэтому струя газа даже с критической скоростью движения для прохождения в вакуумной камере длины какого-либо участка (например, участок излучения) требует в несколько раз больше времени (по сравнению со струей легкого газа), а это обеспечивает излучение большей энергии от струи газа на одинаковой длине участка излучения, позволяя уменьшить и длину вакуумной камеры. Отметим, что в ДЗЦ скорость струи на выходе из сопла не имеет решающего значения, а главное – получение разности импульсов ΔJ = JВ – JКР, поэтому тяжелый газ вполне применим в качестве рабочего тела, как и легкий газ. Произвольно выберем в качестве рабочего тела инертный газ ксенон Хе, имеющий молекулярный вес μ = 131, с массой одной молекулы m1 = 2,17·10-25 кг, в нормальных условиях имеющий плотность ρН = 5,9 кг/м³. Подчеркнем, что этот газ выбран произвольно, без подробного анализа параметров этих тяжелых соединений и их сравнения, а лишь для иллюстрации и оценки характеристик. Принимаем температуру газа в камере нагрева ТК = 3000ºК. Для ксенона теплоемкость ср ~ 160 Дж/кг ºК, и для нагрева с начальной температуры холодного газа ТХ ≈ 600ºК это соответствует нагреву газа в камере на ΔТ = ТК–ТХ ≈ 2400ºК, и для WТ = 1 МДж имеем нагрев газа с массой М1 =2,6 кг. Выбираем давление газа в камере рК = 5·105 Н/м² = 0,5 МПа, тогда для ТК имеем плотность газа в камере ρК ≈ 2,7 кг/м³, и для газа требуемой камеры VК ≈ М1/ρК ≈ 0,96 м³ ≈ 1 м³. При этом скорость звука в газе для ТК составляет аКкр ≈ 450 м/с. Принимаем камеру нагрева с объемом VК = 1 м³ в виде цилиндра длиной LК = 4 м и диаметром dК = 0,56 м, то есть площадь сечения выходного отверстия камеры FК = 0,25 м². Схема такого импульсного ДЗЦ представлена на рис. 4.8. Такой ДЗЦ с начальной дозвуковой струей имеет импульсный режим работы. Выходное сечение камеры нагрева закрыто запорным устройством – клапаном (какой-либо конструкции). И при открытии клапана начинается импульсное истечение газа из камеры. Истечение газа может проходить через малое отверстие – сопло с диаметром значительно меньше dК, что значительно упрощает сам клапан. Однако здесь рассмотрим вариант, в котором выходное сечение камеры (и сечение клапана) равно внутреннему диаметру камеры dК, что позволяет более просто рассматривать процессы в этом истечении газа (пренебрегая здесь увеличением габаритов 89 клапана и усложнением условий его работы). И здесь при истечении газа создаваемая сила тяги воздействует на дно камеры и не воздействует на боковые стенки цилиндра камеры. Рис. 4.8. Схема импульсного ДЗЦ 1 – источник энергии; 2 – камера нагрева; 3 – запорное устройство; 4 – запорное устройство; 5 – светопрозрачная вакуумная камера (баллон); 6 – система сбора газа; 7 – вакуумный насос; 8 – емкость с рабочим телом; 9 – зона излучения газового потока Оценим процесс истечения газа из камеры. Здесь модель дозвукового истечения газа из сосуда постоянной емкости через отверстие постоянного сечения, которое рассчитывается по известной методике, например, [89]. И для выбранных параметров оценка дает величину времени истечения газа τ ≈ 1,4·10-2 с. Конечно, это упрощение – модель дозвукового потока, а с учетом более сложного характера в реальности имеем τ = (1 3)·10-2 с. Подчеркнем, что перед началом импульса истечения газ в камере нагрева не имеет направленной скорости потока, и имеет лишь хаотическое тепловое движение атомов. И при открытии камеры взаимодействуют несколько факторов. Очень сильный фактор – перепад давления между потоком в камере и вакуумом камеры, что заставляет поток ускоряться до звуковой скорости. Однако этому фактору противостоят несколько факторов: первый из них – инерция газового потока (тем более – для тяжелых атомов газа), ибо он не может мгновенно приобрести звуковую скорость, и линия перехода звуковой скорости находится на расстоянии до 25% от диаметра камеры для осевой части потока [90], что для примера с dК = 0,56 м соответствует расстоянию в ~ 0,14 м. Другой фактор – инерция пусть и субмикронных, но достаточно тяжелых частиц графита, намного более тяжелых и инерционных, чем атомы газа. Еще один фактор – мощное тепловое излучение потока, которое замедляет дозвуковой поток. Однако для теплового излучения более важно, что излучение позволяет 90 «сбросить» температуру газа с ТК = 3000°К до 2000°К буквально на длине ~ 0,05 м от выходного сечения камеры, а это уменьшает скорость звука с ~ 450 м/с до ~ 360 м/с. А уменьшение температуры в ~ 2 раза происходит на участке излучения с длиной ~ 0,1 0,15 м (то есть до перехода скорости звука, по крайней мере – по оси потока). Истекающий из камеры нагрева газ создает импульс силы потока, равный величине J К mVК рКср FК τ ; (4.7) где рКср – среднее давление в камере во время истечения газа; m – расход газа в импульсе, и здесь m = М1; VК – средняя скорость истечения газа за время истечения τ через сечение камеры с площадью FК. Для спада давления в камере по сложной криволинейной зависимости величина рКср составляет ~ 50 67% от суммы начального давления рК и конечного давления р2, и для примера рКср ≈ (2,5 3,4)·105 Н/м², или р Кср 3 105 Н / м 2 . Средняя скорость истечения VК также составляет ~ 50% 90% от скорости звука аКкр, то есть для примера VК ≈ 220–420 м/с, и среднем VК 350 м/с. Тогда для примера имеем величину силы импульса JК ≈ 1400–2300Н, в зависимости от реальной величины рКср, τ и VК. Следовательно, при каждом импульсе выброса газа из камеры нагрева будет создаваться импульс силы на камеру порядка в среднем J К 2000 Н (в наземных условиях стендовых испытаний). Истекший из камеры нагрева импульсный поток газа попадает в вакуум камеры, баллон, где происходит излучение тепловой энергии потока с изменением полного импульса потока газа. Подчеркнем, что внутри закрытого объема газа в камере нагрева получается равновесный тепловой режим (в конце этапа нагрева), при котором интенсивное тепловое излучение от неподвижного потока газа попадает на стенки камеры и в основном отражается назад (за счет светоотражающего покрытия и т.п.), или частично поглощается стенками, и затем возвращается назад в газ за счет теплопередачи от горячей стенки камеры к относительно холодному газа. Однако при истечении потока газа в вакууме камеры этот равновесный тепловой режим прекращает свое существование, и интенсивное тепловое излучение потока газа через светопрозрачные стенки камеры свободно уходит в космос, в окружающее пространство, охлаждая поток газа. Опуская оценочные расчеты по тепловому излучению запыленного газа, отметим, что в идеальном варианте падение температуры потока в камере баллона, в 1,5 раза, с 3000°К до 2000°К произойдет на очень коротком участке излучения с длиной 91 ~ 0,02–0,05 м, а уменьшение температуры потока в ~ 2 раза произойдет на участке излучения с длиной ~ 0,1–0,15 м. Конечно, в реальности здесь очень значительная часть энергии излучения частиц поглощается самими же частицами, а затем ими же переизлучается. Однако и части излучаемой энергии вполне достаточно для того, чтобы на участке излучения с длиной ~ 0,05–0,1 м уменьшить температуру в 1,5 раза, а на длине 0,1–0,2 м – снизить температуру в 2 раза (то есть на длине, соответствующей достижению скорости звука потоком, по крайней мере – на оси потока). При этом частицы интенсивно излучают тепловую энергию, охлаждаясь при этом, а атомы потока газа бомбардируют частицы, передавая им свою энергию и нагревая их, а частицы излучают передаваемую им энергию, «перекачивая» таким образом тепловую энергию атомов газа в интенсивное тепловое излучение частиц. Заметим, что принципиально возможно применение частиц из разных материалов, обладающих высокими излучательными свойствами. Например, вместо наиболее часто применяемого графита с ε = 0,78 0,86, возможен борид циркония, имеющий степень черноты ε = 0,91 0,95, и т.п. Резервом является и применение еще более мелких частиц, с нанометрическими размерами, что увеличивает поверхности частиц, тем самым позволяя еще больше увеличить тепловое излучение или при необходимости – снизить массу частиц до 0,1 1% от массы газа. Также возможно и повышение температуры потока до 3500–4000°К, с увеличением излучения, особенно при использовании для нагрева электроэнергии. Кроме того, на основе импульсного электрического нагрева (от электростанции) в центральной части камеры нагрева возможно достижение температуры 5000 20000°К, что также увеличивает излучение. Резервом является и подбор тяжелого газа с большой излучательной способностью (хотя использование микрочастиц намного, на порядки эффективнее, но и излучение газа надо использовать). Таким образом, и в реальности обеспечивается падение температуры газового потока в 1,5 2 раза на длине участка излучения до 0,05…0,2 м, за счет подбора параметров газового потока и микрочастиц с возможностью дальнейшего падения температуры и охлаждения потока на участке длиной до 1 м и более, с излучением до 70 80% тепловой энергии струи. В реальности поток газа из камеры нагрева в вакууме баллона истекает в виде конуса, так как поток в вакууме расширяется и граница потока расползается. Однако расширение потока не может идти со скоростью, большей скорости звука. Причем в связи с резким охлаждением потока на длине уже до 0,05 м происходит резкое падение температуры и скорости звука, что уменьшает расползание 92 потока. Да и быстрое охлаждение центральных областей потока (в 1,5–2 раза) уменьшает статическое давление и стремление потока к расширению. Поэтому конус здесь имеет угол раствора не более 10–60°, при этом увеличивается объем излучения и одновременно падает давление потока, что влияет на излучение газа. Однако здесь главным фактором эффективности излучения является излучение микрочастиц и не имеет значение объем потока и его излучение. Поэтому, в частности, излучение потока и в вакуумной камере, баллоне, в первом приближении, близко к рассмотренному выше варианту течения потока в виде цилиндра на выходе из камеры нагрева. Наиболее реальная ожидаемая физическая картина – истекший поток в вакууме представляет собой смесь областей – дозвуковых областей, прежде всего на центральной части – оси потока; звуковых областей – прежде всего на границе раздела поток-вакуум; а также небольших сверхзвуковых областей, с λ ~ 1,01–1,15, на периферии сечения потока, а в среднем, в первом приближении, в целом поток звуковой после прохождения участка излучения и начала воздействия на дно вакуумной камеры, баллона. Для газового потока в вакууме полный импульс J В mVВ рВ FВ τ ; (4.8) где рВ – статическое давление потока со скоростью VВ и сечением FВ, при расходе газа за импульс m = М1 и время истечения τ. Таким образом, быстрое падение температуры и статического давления потока в вакууме на участке излучения уменьшает величину рВ в 2–10 раз, и это уменьшение не компенсируется ростом величины FВ, и в целом составляющая рВ·FВ·τ уменьшается в 2 3 раза по сравнению с величиной рКср·FК·τ в выражении (4.7). Кроме того, быстрое падение температуры на начальном участке истечения из камеры нагрева (практически – на дозвуковом участке) приводит к быстрому падению скорости звука и даже в случае достижения потоком при расширении скорости звука VВ = аКР, получаем абсолютную величину аКР намного меньше, чем в камере нагрева аКкр. Например, при падении температуры в 2 раза для рассматриваемого примера с аКкр = 450 м/с имеем VВ = аКР ≈ 320 м/с. Тогда получаем величину JВ ≈ 1200 1500 Н, в среднем J В ≈ 1400 Н. Таким образом, между истекшим из камеры нагрева импульсом горячего потока газа с импульсом JК и холодным потоком газа в баллоне с импульсом JВ возникает разница импульсов ΔJ = JК–JВ, и здесь она составляет 200 1100 Н, а для средних величин ΔJ J К J В 600 Н . Следовательно, данный процесс обеспечивает появление силы тяги с импульсом ΔJ в вакуумной камере (баллоне). С учетом реальных условий и потерь реальная величина импульс93 ной силы тяги двигателя R ≈ ΔJ ≈ 50 500 Н. Подчеркнем, что строго физически здесь истекший из камеры поток газа покидает двигатель и движется свободным потоком в вакууме внешней среды, причем движется динамично, активно взаимодействуя с внешней средой (отдавая излучение и импульс). И именно этот свободный измененный поток газа и попадает в системе сбора газа, имея намного меньшую температуру и импульс, чем начальный горячий поток в камере. То есть, этот свободный измененный поток физически является внешним потоком по отношению к КА и его системе сбора. Отметим, что принципиально в общем случае сила тяги, помимо разницы импульсов ΔJ, определяется и частотой следования импульсов выброса потоков газа, а здесь для примера принимаем эту частоту равной 1, то есть один импульс в секунду, и тогда R ≈ ΔJ, а тепловая энергия нагрева в одном импульсе WТ = 106 Дж становится и тепловой мощностью в 106 Вт = 1 МВт. Заметим, что известен экспериментальный факт, что действительное давление в заторможенной струе газа обычно ниже полного давления набегающей струи. Коэффициент давления σ = р02/р01, и чем больше потери, тем ниже значение коэффициента давления и меньше полное давление в конце рассматриваемого участка струи [106], и здесь используемое «тепловое сопло» позволяет довести до максимально возможного перепад полного давления струи за счет быстрого сброса тепловой энергии и уменьшения статического давления. Фактически здесь доводится до логического конца задача получения максимальных потерь полного давления струи с целью получения разности импульса потока в вакуумной камере. Возвращаясь к схеме импульсного ДЗЦ по рис. 4.8, коротко рассмотрим элементы конструкции такого двигателя. В качестве источника энергии длительного действия – использование солнечных коллекторов с нагревом камеры нагрева (размещаемой в фокусе такой системы), солнечных фотоэлементов с нагревом электроэнергией. Однако интереснее использование высокотемпературного твердофазного ядерного реактора, как для непосредственного нагрева газа в камере, так и в качестве источника электроэнергии, используемой для последующего нагрева рабочего тела. Сама камера нагрева представляет собой цилиндрическую трубу из жаропрочного сплава. Истекший из камеры нагрева поток попадает в вакуумную камеру (баллон), стенки которой выполнены из кварцевого стекла, которое прекрасно пропускает излучение и работоспособно до 2000°К и даже более, не требуя охлаждения. Собственно, принципиально вакуумной камеры может и не быть, и тогда поток будет 94 истекать непосредственно в космический вакуум. Однако проблема в том, что молекулы в потоке имеют статистический характер распределения энергии и скоростей, и более «энергичные» атомы и молекулы смогут вылетать из потока в космос, что ведет к потере этих молекул, а это нежелательно. Поэтому проще ввести камеру для надежного удержания всего газа. При этом диаметр такой камеры намного больше диаметра потока газа, и для примера составит 2 3 м, с минимальным диаметром около камеры нагрева и максимальным диаметром ~ 3 м на конце участка излучения длиной ~ 1…2 м (камера коническая, однако возможна и цилиндрическая конструкция). Поток проходит участок излучения и уже остывшим попадает на дно баллона, камеры, в котором имеется входное отверстие трубы системы сбора газа (в примере – диаметром 2,5–3 м), куда и поступает поток. Сама труба имеет коническую форму, основание которой – у дна баллона, и постепенно уменьшается (до диаметра 0,3 0,5 м) в вершине конуса, где и соединяется с обычной цилиндрической изогнутой трубой (также входящей в систему сбора), подводящей газ к днищу камеры нагрева. Для времени истечения импульса потока τ ~ 1,4·10-2 с и средней скорости истечения VК ~ 200 350 м/с длина потока газа составит ~ 3,2 5 м. То есть, передний фронт потока еще не подойдет по изогнутой трубе ко дну камеры нагрева, а истечение из камеры уже прекратится. А это позволяет реализовать очень интересный и простой вариант подачи газа снова и прямо в камеру нагрева. Для этого после истечения газа из камеры с рК = 0,5 МПа и резкого падения давления в ней, до ~ 104 Па = 10 кПа, запорное устройство в виде клапана (аналогичного применяемым в пневматической технике или оригинальной конструкции) на выходном отверстии камеры нагрева закрывается и прекращает истечение остатков газа из камеры. И одновременно запорное устройство в виде клапана, установленное на трубе на входе около дня камеры нагрева, открывается (по команде) после закрытия клапана на выходном отверстии камеры. Отметим, что возможна установка в качестве запорного устройства и одностороннего клапана (называемого обратным), который не пропускает газ из камеры, но впускает газ через дно в камеру. Сам газ, даже остывший до 600–700°К, имеет давление и скоростной напор, обеспечивающие получение давления в камере нагрева до 90 110 кПа за время ~ 2·10-2 с, после чего клапан на дне камеры нагрева закрывается. И этого давления вполне достаточно, так как давление горячего газа с рК = 0,5 МПа достигается именно благодаря нагреву газа с 600–700°К и давлением ~100 кПа до температуры 3000°К (для примера). 95 Выбранные в примере соотношения температур и давления горячего и остывшего потока газа обеспечивают наиболее простой и оптимальный процесс работы ДЗЦ, в котором система сбора потока одновременно выполняет и функцию системы подачи газа в камеру. Однако в общем случае возможны и иные параметры температур и давления, и тогда принципиально потребуется ввод в систему сбора и дополнительной ступени в виде системы подачи газа, включающей известные конструкции (газовый компрессор или насос) или оригинальные устройства для повышения давления потока и его подачи в камеру нагрева. Отметим, что для поддержания вакуума в баллоне, с давлением ~ 1 10 кПа, установлен вакуумный насос, в связке с пневматическим аккумулятором для приема газа от насоса, откуда собранный газ поступает – при новом цикле работы и открытия клапана на дне – в камеру нагрева. Для запуска ДЗЦ и компенсации различного рода потерь газа (просачивание атомов газа через уплотнения и т.п.) установлена емкость, баллон с рабочим телом, газом и взвесью из микрочастиц, соединенный через редуктор с камерой нагрева. Естественно, это главные ключевые элементы конструкции, и здесь нет смысла рассматривать их подробно, а также рассматривать другие необходимые в работе вспомогательные элементы конструкции двигателя (система управления, конструкции уплотнений и т.п.). В перспективе, когда понадобится получать прирост скорости КА в сотни-тысячи километров в секунду, найдет применение ДЗЦ и на основе плазмы с температурой до 105-106 К. Это связано с тем, что при Т > 2·104 К даже водород обладает высокой излучательной способностью. И при Т ~ 105 К излучение очень велико, обеспечивая на участке излучения длиной всего до 0,1–0,2 м сброс температуры с Т ~ 105 К до ~104 К, что дает максимально возможную эффективность импульсного ДЗЦ. При этом используют магнитные камеры, в которые подают поток газа и нагрев осуществляют импульсами электрического тока, получая плазму, которую удерживают магнитным полем (как в термоядерных установках), а сами «клапаны» – это магнитные «пробки», магнитные поля, которые выпускают плазму из магнитной камеры за счет снятия магнитного поля «пробки» на выходе из магнитной камеры. Оценим движение КА с ДЗЦ. Здесь величина силы тяги носит сложный характер и зависит от прироста скорости КА при его ускорении. И для оценки движения КА проще воспользоваться энергетическим соотношением: 96 М КА 2 V2 V12 ; (4.9) 2 где WТ – тепловая энергия одного импульса потока; ТУ – время ускорения КА; f – частота импульсов ДЗЦ, и здесь f = 1 Гц; И – КПД перехода WТ в кинетическую энергию КА, и И 0,01 0,30 1 30% , здесь в среднем И ≈ 10%; МКА – масса КА при ускорении от скорости V1 до скорости V2. Величина начальной скорости V1 зависит от системы координат, однако логично считать перед началом работы ДЗЦ величину V1 = 0 (независимо от того, стартует КА с высокой орбиты от Земли с круговой скоростью ~ 5 км/с относительно Земли или имеет другую скорость относительно Земли или Солнца). Для рассматриваемого примера величина WТ = 106 Дж, при этом грубая оценка массы ДЗЦ на такую энергию дает величину 4…6 т = 4·10³–6·10³ кг, и тогда для оценки принимаем МКА =104 кг. Отсюда, подставляя цифры в (4.9), получаем WТ И ТУ f V2 V12 20 Т У 4,47 Т У ; (4.10) ΔV V2 V1 V2 Тогда для ТУ ≈ 6·105с ≈ 7 сут имеем ΔV ≈ V2 = 3,46 км/с; а для ТУ/ ≈ 2,6·106 с ≈ 30 сут = 1 мес имеем ΔV / ≈ V2 = 7,2 км/с, а для ТУ// ≈ 5,2·106 с ≈ 2 мес имеем ΔV// ≈ 10,2 км/с. Такой ДЗЦ с WТ = 106 Дж перспективен для межорбитальных перелетов, а также для полетов к Луне и планетам. При этом из МКА = 104 кг полезная нагрузка составляет от 40% массы, то есть ДЗЦ дает отличные параметры для космических полетов. Для сравнения отметим, что известный проект электроядерного буксира имеет ядерный реактор тепловой мощностью 2 МВт, а электрические генераторы позволяют получить полезную электрическую мощность 150 кВт, потребляемую плазменно-ионными двигателями с общей тягой 7,2 Н, и масса двигательной установки практически совпадает с примером ДЗЦ. И этот буксир обеспечивает прирост скорости ~ 4 км/с для КА с массой 8·10³ кг за 4,4·106 с ≈ 50 сут. Итак, подводя итоги, отметим, что создание ДЗЦ физически весьма спорно. Однако, как показывает анализ газодинамики двигателей, есть вполне реальные шансы получить силу тяги при свободном течении потока в вакууме за счет взаимодействия с внешней средой в виде сброса тепловой энергии. Подчеркнем, что импульсный ДЗЦ – это не замкнутая система, а есть взаимодействие с внешней средой в виде передачи излучения тепловой энергии рабочего тела, которое и движется по замкнутой траектории, с сильным изме97 нением параметров потока при взаимодействии с внешней средой. Снова подчеркнем, что здесь нет нарушения законов сохранения энергии и количества движения рабочего тела. Здесь просто нет погони за максимально достижимыми скоростями потоков рабочего тела. И просто используются известные экспериментальные факты в газодинамике применительно к конкретной цели – организации замкнутого цикла движения рабочего тела. И шансы получения ДЗЦ вполне реальны и физически обоснованы. 4.4. Физические основы создания двигателя на основе полей Еще одно спорное направление в создании двигателей – на основе полей, которое можно условно все-таки назвать двигателем с замкнутым циклом рабочего тела. Здесь используется определенная незавершенность и несоответствие теории электродинамики в классической физике по отношению к реальности. Конечно, классическая физика в целом уверенно описывает процессы с полями, но все-таки вопросы остаются. И можно сказать, что периодически идут атаки «еретиков» и диссидентов на классическую электродинамику. Из числа таких «еретических» работ, отметим, например, В.М. Дрюкова [91], с его «детскими» и «наивными» вопросами. Например, интересна мысль, что средняя скорость хаотического движения свободных электронов в металле составляет ~ 105 м/с = 100 км/с, а для меди с плотностью тока ~ 107 А/м² средняя скорость упорядоченного движения электронов равна ~ 7,8·10-4 м/с (меньше скорости улитки!), и при таком значении скорости и тока проводник умудряется сильно нагреваться! Еще один интересный «детский» вопрос – по отношению к электромагнитной волне, согласно рис. 4.9 (изображение, которое приводится в учебниках по физике). Рис. 4.9. Бегущая электромагнитная волна 98 Отсюда возникает «детский» вопрос – периодическое исчезновение электромагнитной волны на графике говорит о том, что существуют две точки за период, равный длине волны, в которых масса и энергия волны становится равной 0 (нарушение закона сохранения энергии), и внятного описания, где в этот момент находится масса и энергия электромагнитного излучения, классическая теория не дает. Еще один объект критики – закон Био–Савара–Лапласа, который говорит о подгонке теоретически полученного результата к экспериментально наблюдаемому. Отметим критическую и концептуальную работу Г.Н. Николаева [92], который напоминает, что еще Ампер выдвинул концепцию, что никакого особого магнитного поля и магнитных силовых линий в природе реально вообще не существует, и все новые обнаруживаемые эффекты и явления при движении зарядов связаны просто с динамическими свойствами электрических полей этих зарядов (и в своих формулах понятие «магнитного поля» Ампер не использовал). Кроме реально существующего у покоящего заряда электрического поля, никакого специального «магнитного поля» у движущегося электрического заряда не появляется, а есть это же самое электрическое поле заряда, но уже несколько деформированное и измененное (известные эффекты запаздывающих потенциалов) за счет его движения в среде физического вакуума. Следовательно, в исходных физических предпосылках электродинамики Максвелла (основы современной классической физики) есть ошибки. Однако даже при использовании уравнений Максвелла возникают проблемы. Так помимо токов переноса, им введены токи смещения, о физической сущности которых идут споры. И сейчас в классической физике магнитные поля движущихся зарядов определяют только через одни токи переноса, игнорируя токи смещения. Автор [92] выдвигает концепцию, что в любой точке пространства около движущегося электрического заряда существует два вида магнитного поля, а не один, как это предполагалось Максвеллом. То есть благодаря току смещения также имеется скалярное магнитное поле Н11 1 Н11 V Е ; (4.13) с где V – скорость заряда, в дополнение к классическому полю Н 1 V Е . Причем скалярное магнитное поле в пространстве с около движущегося заряда (а также от элемента тока) распределя99 ется в основном по направлению движения заряда и против (то есть по и против вектора V), где отсутствуют обычные векторные магнитные поля. Причем это скалярное поле не взаимодействует с обычными магнитными материалами. Это скалярное поле позволяет решить известный в физике парадокс с нарушением 3-го закона механики в электродинамике в случае взаимодействия двух движущихся по взаимно перпендикулярным направлениям электрических зарядов (или двух перпендикулярных элементов тока). Также такое скалярное поле позволяет объяснить известный парадокс – эксперимент, в котором два тороида, расположенные на одной оси (при наличии однонаправленных потоков в них), испытывают силы продольного магнитного притяжения. А в рамках классической физики, при отсутствии магнитных полей в пространстве вне тороида, эти два тороида взаимодействовать вообще не должны, а если даже допустить наличие в пространстве около тороидов магнитных полей рассеяния, то и в этом случае тороиды должны отталкиваться. Исключительно важными являются эксперименты, проводимые учеными, работающими в этой области. Так, согласно Авраменко Р.Ф. [93], [94] эксперименты доказывают, что индукционное (вихревое) электрическое поле в вакууме не существует, Еинд 0 (есть только электрическое поле свободных зарядов), а это значит, что уравнения Максвелла не описывают наблюдаемую реальность. Наблюдаемые в электродинамических опытах вокруг материальных тел электрические поля создаются зарядами (распределением плотности заряда), возникающими в этих телах, и полностью отсутствуют при отсутствии материального тела. Также утверждается, что эксперименты ряда авторов показали, что динамические эффекты электродинамики не описываются в терминах электромагнитного поля, характеризуемого тензором, ковариантным относительно группы Лоренца. И в результате отмечается отсутствие на сегодняшний день непротиворечивой, удовлетворяющей законам сохранения электродинамики движущихся сред. Большую экспериментальную работу проделал Р.Г. Сигалов [80], [81], создавший десятки опытных образцов различных конструкций, в которых реальные твердые тела (электродинамические подсистемы) перемещаются вследствие магнитного взаимодействия заряженных частиц, движущихся внутри этих тел. Причем можно получить и поступательное, и вращательное движение элементов конструкции. Например, любопытен поступательно движущийся соленоид (катушка) со скользящими контактами, или поступательно движущийся магнит, жестко связанный с отрезком провода со скользящими контактами; или конструкция в виде одновитковой и 100 многовитковой рамки (катушки), жестко соединенную с отрезком прямого провода и многие другие. Для получения вращательного движения используют другие конструкции, например, отрезок прямого токонесущего проводника, непрерывно вращающийся вокруг скрепленного с ним источника магнитного поля; или электромагнит, непрерывно вращающийся вследствие магнитного взаимодействия железного сердечника и токов, текущих в его обмотке, снабженной скользящими контактами и другие конструкции. Таким образом, теоретически и экспериментально доказано, что магнитное взаимодействие токов, текущих в твердом теле (в искривленном отрезке металлического проводника или в замкнутой проводящей цепи, скрепленной с отрезком проводника со скользящими контактами) может приводить это тело в поступательное и вращательное движение. Также намагниченные тела и жестко связанные с ними металлические проводники с током, подводимым через скользящие контакты, могут при надлежащей конструкции приходить в поступательное и вращательное движение вследствие их магнитного взаимодействия. Результаты этих экспериментов противоречат мнению многих физиков о том, что электродинамические силы взаимодействия токов, текущих в твердом теле, не могут являться причиной движения этого тела. Однако, по мнению Р.Г. Сигалова, это мнение не учитывает конкретной особенности магнитного поля, которое состоит в том, что силы магнитного взаимодействия перемещающихся частиц не являются центральными, а также не принимается во внимание и то, что электромагнитное поле может получать или отдавать некоторое количество движения при магнитном взаимодействии частиц. И для магнитного взаимодействия элементов тока наиболее применим закон Грассмана, а не формула Ампера. Иначе, здесь существенно проявляется обмен количеством движения тел с полем, и здесь сохраняется количество движения макроскопических тел и их поля. Собственно, классическая физика признает, что в рамках электродинамики по Максвеллу получается нарушение 3-го закона механики, и считается, что для взаимодействий, осуществляющихся посредством полей, соблюдение принципа равенства действия и противодействия не обязательно. В частности, для случая взаимодействия зарядов, когда скорости V1 и V2 взаимно перпендикулярны, и скорость V2 направлена вдоль вектора расстояния r12 между V1 и V2 , имеем В2 V2 r12 0 , так что F21 0 , а F12 0 [82]. Однако подразумевается, что в действительности это несоблюдение относится лишь к отдельному элементу, а в реальности имеет место движение по замкнутому контуру, и например, для замкнутого кон101 тура постоянного тока F12 F21 , то есть результирующие силы для замкнутых контуров удовлетворяют принципу действия и противодействия. Естественно, это правильно и для тока (как множества движущихся зарядов), и сила взаимодействия элементов тока также может не совпадать, и здесь имеет место нарушение принципа действия и противодействия, то есть F12≠F21, но в целом для замкнутых токов этот принцип не нарушается [95]. Любопытен вариант цилиндрического конденсатора, помещенного в однородное магнитное поле Н , параллельно его оси. И если разрядить конденсатор, то исчезнет как электрическое поле Е , так и электромагнитный момент количества движения К . На основании закона сохранения количества движения система конденсатор + магнит (возбуждающий поле Н ) приобретет в процессе разряда равный К момент механического количества движения. И если, например, магнит закреплен неподвижно, а конденсатор может свободно вращаться около своей оси, то в процессе разряда он должен приобрести угловую скорость вращения, равную ω = К /J, где J – момент инерции конденсатора относительно его оси. Таким образом, взаимодействие переменного электрического поля с магнитным полем способно вызвать появление механической силы [95]. Таким образом, в классической физике есть некоторая нечеткость, неопределенность, которая позволяет предлагать проекты двигателей на основе полей. Рассмотрим некоторые из таких проектов. Так, известен проект двигателей на основе явления электродинамического взаимодействия токов проводимости с электромагнитными полями (волнами), в частности, силовое взаимодействие электромагнитного поля с электрическим полем от стороннего источника ЭДС. [96]. Был разработан ряд конструкций с тягой от 2 до 100 мг, а в опытах было получено, что для тяги в 20 мг общие электрические затраты составили 2,4 Вт при КПД 30% (для сравнения – фотонный двигатель в 20 мг требует мощность ~ 60 кВт). Интересен проект двигателя, использующего взаимодействие движущихся по взаимно пересекающимся перпендикулярным траекториям электрических зарядов [97], то есть, прямо использующие известное неравенство F21≠F12 при V1 V2 . При этом один заряд или группа зарядов имеет колебательные перемещения, симметричные точке пересечения траекторий. А другой заряд или группа зарядов имеет колебательные перемещения, асимметричные и не пересекающие эту точку, причем фазы изменения направления перемещения зарядов совмещают, а для изменения направления тяги изменяют полярность совмещения фаз. Также предложены и основные эле102 менты конструкции, реализующие такой способ. Перспективен проект двигателя, в котором для создания силы тяги использовано взаимодействие переменных электрического и магнитного полей [98]. Схема реализации такого способа приведена на рис. 4.10. Рис. 4.10. Двигатель с переменными полями 1 – сердечник; 2 – металлические обкладки; 3 – источник питания; 4 – соленоид; 5 – дополнительный источник питания При этом сердечник выполнен из магнитного диэлектрического материала, магнетик. Здесь на соленоид подают переменное напряжение от дополнительного источника питания, а на металлические обкладки – от источника питания. И при подаче энергии синхронно или в противофазе изменяют величину магнитного поля и скорость изменения электрического поля. И при воздействии таких переменных полей появляются индуцированные электрическое и магнитные поля, которые будут действовать на элементы данной системы. В результате на такую замкнутую систему в целом будет действовать сила Fобщ – результирующая сил, и величина этой силы имеет вид: 1 dЕ Fобщ 2 М V ; (4.12) с dt где М – вектор намагничивания вещества сердечника; с – скорость света; V – объем магнетика (сердечника); dЕ/dt – скорость изменения электрического поля. Безусловно, только эксперименты непосредственно в космосе докажут работоспособность такой красивой и простой конструкции, позволят определить реальные параметры такой конструкции двигателя. Известен и проект электролета, содержащий герметичный 103 корпус (обтекаемой формы), на наружной поверхности которого расположены электроды в изоляторах для создания межэлектродного тока во внешней среде, а также имеется петлевая обмотка для создания магнитного поля, причем их геометрия такова, что создается взаимное отталкивание такой обмотки и тока разряда во внешней среде, с появлением силы тяги электролета [99]. Развитием этой идеи является проект электролета, где на наружную поверхность корпуса нанесен сверхпроводящий слой, а электрообмотка выполнена сверхпроводящей, включающей в себя установленное на наружной поверхности корпуса сверхпроводящее кольцо (установленное с помощью электроизоляторов), а на нем второе сверхпроводящее кольцо с электродами (также из сверхпроводника) и электрически параллельными им петлями этого сверхпроводящего кольца. Также на электродах смонтировано третье сверхпроводящее кольцо. Считается, что использование системы сверхпроводников в 3 4 раза увеличивает силу взаимодействия (отталкивания) на ток разряда между электродами, в сочетании с тем, что использование разряда между сверхпроводящими электродами повышает ток разряда в 10 100 раз и более, что резко увеличит силу тяги электролета [100]. Несомненно, создание двигателей на основе взаимодействия полей и заряженных частиц – интересное направление в создании двигателей для КА, и вопрос в их практической реальности, особенно при работе в условиях космического пространства. 4.5. Дискообразные летательные аппараты Еще одно спорное и экзотическое направление – создание дискообразных ЛА, «летающих тарелок», которые весьма условно можно рассмотреть как аналогичные конструкции к ДЗЦ. Существует достаточно большое количество идей подобных конструкций, однако большая часть из них использует традиционные двигатели (ВРД, ЖРД и т.п.). Причем за многие десятилетия в авиации исследовалась куча всяких экзотических аэродинамических форм летательных аппаратов, и собственно «летающая тарелка» с традиционными двигателями особого интереса не представляет. Заметим, что по описанию уфологами неопознанных летающих объектов (НЛО), включая их движение и места посадки и старта, отметим небольшие последствия даже от больших (и тяжелых?) НЛО для поверхности Земли (небольшое повышение уровня радиации и т.п.) по сравнению с «морем» огня и оплавленными стартовыми площадками (специально сконструированными! А это не обычная 104 почва под НЛО) при старте современных земных ракет. Кроме того, нет и наличия при движении НЛО теплового следа от струи горячего потока из двигателя (как от ВРД или ЖРД), легко фиксируемого наблюдателями и измерительной техникой. То есть при движении НЛО не используются традиционные схемы ВРД, ЖРД и т.п. Первая модель дискообразного ЛА (ДЛА) была создана немецкими инженерами (Шривер и Габермоль) еще в 1940 году, а испытана в феврале 1941 года. По конструкции она несколько напоминала лежащее велосипедное колесо: вокруг кабины вращалось широкое кольцо, роль «спиц» которого выполняли регулируемые лопасти. Их можно было поставить в нужную позицию как для горизонтального, так и для вертикального полета. Это ДЛА считается первым в мире ЛА вертикального взлета. Вторая модель, названная «вертикальным самолетом», представляла собой усовершенствованный вариант первой модели, так, увеличили ее размер, были усилены двигатели, увеличены запасы топлива. Скорость достигала до ~ 1200 км/ч ≈ 330 м/с. Первая и вторая модели остались на уровне опытных разработок. Наиболее совершенна 3-я модель, которую выполняли в двух вариантах: диаметром 38 м и 68 м. Машина получила кодовое наименование «Диск Белонце», она была окольцована установкой из 12 наклонных реактивных двигателей, а главный двигатель – разработка австрийского изобретателя В. Шаубергера, принцип действия которого так и остался неизвестным (известно лишь, что двигатель работал на основе взрыва воды и воздуха). В феврале 1945 года «Диск Белонце» совершил свой первый и последний экспериментальный полет. За 3 минуты летчики испытатели достигли высоты 15 км и скорости 2200 км/ч ≈ 610 м/с при горизонтальном полете. Он мог зависать в воздухе и летать назад - вперед почти без разворотов. В конце войны все опытные машины и документация по ним были уничтожены (как и большинство специалистов) [101]. Из подобных аппаратов отметим советский «ЭКИП» (создан под руководством Л.Н. Щукина). По форме напоминает НЛО, но физически – никакой фантастики. Вместо колесного шасси – воздушная подушка, по современной терминологии – это экранолет. Вся силовая установка разделена на 3 группы, и к первой относятся маршевые авиационные двигатели, ко второй – двухрежимные, которые создают повышенное давление под днищем ЛА и обеспечивают систему управления пограничным слоем на поверхности ЛА; к третьей группе – ЖРД стабилизации и управления на малых скоростях, взлете и посадке. При этом «ЭКИП» ЛЧ-2 имеет взлетную массу в 600 т и способен доставить груз в 200 т на расстояние 8600 км. Известно и о подобной конструкции в США, («неведомая 105 звезда»): это беспилотный разведчик, имеет дисковидный фюзеляж, летает на высоте свыше 13700 м, его скорость – до 550 км/ч, и он способен оставаться в воздухе в течение 8 часов [101]. Впрочем, там где военная техника – там все в тумане, достаточно неопределенно. Из материалов «желтой прессы» отметим интервью П.В. Полуяна [102], согласно его данным ДЛА используют принцип полета, основанный на создании уплотнения под вибрирующей плоскостью. Причем самолет-зонтик был испытан в 1911 году в США изобретателем Ч. Воутом, и этот аппарат – родоначальник «летающих тарелок». Самолетостроительная фирма Ч. Воута в конце 1940-х годов выпустила первые «летающие тарелки». Они используют одну или несколько огромных мембран, которые под действием импульсных электромагнитов колотили по воздуху с мегагерцевой частотой. Кроме того, здесь образуются кольцевые вихри (следуют через ~ 1 2 мксек), и каждый вихрь вовлекает во вращение значительный объем воздуха, создавая силу тяги на ДЛА. Схема работы такой «летающей тарелки» приведена на рис. 4.11. Рис. 4.11. Схема работы ДЛА. На снимке реальной тарелки видны четыре столба вихрей, на которых держится аппарат в воздухе Сейчас появились ДЛА с корпусом из керамики, а вибрация достигается за счет пьезоэлектрического эффекта. Такие аппараты делаются уже не только в виде тарелок, но и шаров, эллипсоидов и других объемных фигур, окруженных во время полета ореолом ионизированного газа. Например, известно, что американцы сконструировали темные НЛО, у которых светятся лишь небольшие зоны–активаторы вихрей, и здесь свет внизу – для полета, а сбоку – когда надо двигаться в сторону, при этом и создается впечатление, что загораются «иллюминаторы». Отмечается, что когда «тарелка» парит у поверхности, предметы, оказавшиеся в вихревой зоне, отрываются от земли и как будто «засасываются» [102]. Отметим, что рассмотренная выше концепция движения ДЛА 106 физически вполне реальна. У традиционных ВРД имеется сравнительно небольшой воздухозаборник, а камера сгорания нагревает поток газа до высокой температуры, и этот горячий поток с высоким давлением истекает в атмосферу, и благодаря большому перепаду давления горячий след потока от ВРД имеет большую дальнобойность и имеет высокий уровень шума. Здесь же, для ДЛА воздействие воздуха происходит на большой поверхности ДЛА (воздухозаборник – фактически поверхность ДЛА), причем перепад давления атмосферного воздуха с кольцевыми вихрями очень небольшой. Поэтому ДЛА – очень тихий ЛА, с высокой маневренностью, способный и неподвижно зависать над объектом, и имеющий большое ускорение при движении. В общем, вполне логичная конструкция ДЛА для военных разведывательных полетов. Однако любая конструкция имеет и недостатки, а здесь очевиден серьезный недостаток – сложность системы энергопитания, ограничения по мощности такого двигателя ДЛА. Не случайно говорят о разведывательных ДЛА. Однако когда сравнительно недавно те же американские военные создавали современный стратегический бомбардировщик В-2, невидимку, по технологии «Стелс», они вынуждены были принять за основу традиционную самолетную схему. А имей ДЛА серьезные преимущества перед традиционной самолетной схемой, вряд ли прагматичные американцы стали бы из-за секретности отказываться от бомбардировщика – ДЛА (на основе ДЛА). Ведь программа самолетов бомбардировщиков В2 обошлась США во многие десятки миллиардов долларов, и просто не верится, что прагматичные американцы истратили эти деньги на изготовление самолетов и организацию инфраструктуры для их обслуживания (базы, ремонт, и т.п.) лишь в качестве дымовой завесы, чтобы скрыть бомбардировщики – ДЛА. Еще один большой недостаток этих ДЛА – использование в качестве рабочего тела воздуха, то есть это принципиально атмосферный ЛА, до высоты полета ~10…50 км, который не может летать в космосе, в вакууме. Отметим и открытую красивую идею термодипольного способа полета [105], схема которого изображена на рис. 4.12. Здесь получают перепад давления в окружающей среде между сторонами ЛА за счет того, что на внешней поверхности одной стороны ЛА создают исток теплоты, а на внешней поверхности другой стороны создают сток теплоты, причем сток и исток теплоты создают путем перекачивания теплоты через ЛА от одной половины его внешней поверхности к другой. Для этого используют конструкцию на основе теплового насоса и тепловых труб (также делитель потока и другие элементы конструкции). 107 Рис. 4.12. Термодипольный полет а) – в горизонтальном направлении; б) – в вертикальном направлении; 1 – наружная оболочка эллипсоидальной формы; 2 – источник энергии; 3 – тепловой насос (ТН); 4 – тепловые трубы (ТТ); 5 – делитель (сумматор) потока; 6 – элемент энергопередачи За счет регулирования направления теплового потока в ЛА осуществляют полет в горизонтальном или вертикальном направлениях. По оценке в описании, такой ЛА в виде диска эллипсного сечения высотой 3м и диаметром 6м, при взлетном весе 40 т, в горизонтальном полете может иметь скорости до 6,4 км/с (?!), и при запасе топлива в 8,25 м³ (типа керосин, как у вертолета МИ-6А) имеет дальность полета до 69·10³ км (?!) (вместо 450 км у вертолета МИ-6А). Конечно, здесь имеет место рекламное преувеличение параметров способа, в частности, весьма сомнительна принимаемая в расчетах мощность теплового потока через ЛА (через тепловой насос), принимаемая больше в 10³ раз, чем мощность двигателя. Однако сам принцип, безусловно, интересен и может найти применение, например, для полета ЛА с высотой до ~ 50 км. Аналогичен принцип движения ЛА в атмосфере на основе эффекта вращающегося теплового поля, нагревающего слой атмосферы у поверхности «летающей тарелки» [107]. Там же дополнительно предлагается использование системы из 2 и более состыкованных аппаратов тарельчатого типа разного диаметра, при этом возможна небольшая «тарелка» в качестве индивидуального летающего устройства. Такой принцип нагревающего теплового поля вполне работоспособен для ЛА при полете до высоты ~ 50 км. Однако все эти двигатели применимы только в атмосфере, например, в качестве первой ступени при разгоне воздушно108 космического самолета. Отметим интересные идеи М.Г. Иванова, разработавшего оригинальную концепцию инверсии гравитационного поля, получаемой за счет вращения массы с возрастающим или спадающим линейным ускорением. Здесь используется конструкция из двух соосных дисков, вращающихся попеременно с возрастающим и спадающим ускорением в противоположных направлениях. При таком динамичном вращении (без участков с постоянной скоростью вращения, только ускорение) возникает сила инверсии (с подтверждением опытами на моделях), позволяющая компенсировать силу тяжести и перемещать ЛА. Утверждается, что при таком динамичном движении возникает эффект экранировки силы гравитационного поля Земли. Считается, что для передвижения такого ЛА в пространстве необходимо гравитационное поле, а эскиз подобного гравиплана показан на рис. 4.13. 1 Рис. 4.13. Эскиз гравиплана 1 – корпус 2 – вращающиеся диски . 2 Предложен и ряд идей для создания элементов конструкции (привод, конструкции дисков, управление) такого гравиплана [111]. Обратимся к двигателям ДЛА для космических полетов. Еще в монографии [34] рассматривался проект межпланетного дискообразного аппарата, диаметром 500 м и общей массой 1000 т, создающего магнитное поле с напряженностью ~ 1,1·108 А/м, также имеющий электрический заряд ~ 2·10³ Кл при электрическом потенциале ~ 5·1010 В. И при суммарной электрической мощности ~ 16 ГВт, с суммарной тепловой мощностью ~ 80 ГВт, такой ЛА имеет магнитную тягу 1,5·106 Н. Такой ЛА использует для движения исключительно внешние ресурсы массы и поля внешней среды. Очень серьезные параметры, пока еще не достижимые на современном уровне техники. Отметим и аналогичную идею электролета, представляющего собой герметичный корпус со слоем сверхпроводника, а на наружной поверхности смонтирована петлевая электрообмотка (с использованием электроизоляторов), причем она выполнена сверхпроводящей и по форме пространственной петли, охватывающей корпус (подобно шву теннисного мяча), и снабжена по всей длине секциями обычных трубчатых сверхпроводниковых электромагнитных экранов (с возможностью вывода из сверхпроводящего состояния). 109 При этом тяговая сила создается выталкиванием магнитным полем внешней среды (в воздухе – магнитным полем Земли) тока обмотки на ее неэкранированных участках (выведенных из сверхпроводящего состояния) [108]. Отметим и весьма экзотическую идею (физически очень спорную, близкую к двигателям по разделу 4.4) дискового аппарата, где диск по форме напоминает шестерню с очень глубокими 64 зубьями (или ромашку с вырванными через один лепестками), на «лепестках» диска 64 блока постоянных магнитов, на защитном корпусе столько же блоков электромагнитов по 2 электромагнита сверху и снизу по одной вертикальной линии. При этом особая конструкция диска дает возможность при помощи магнитных полей менять центр тяжести блоков постоянных магнитов, делает их прыгающими, и как следствие – «прыгает» и линия центробежной силы, и в итоге диск движется за счет управляемой центробежной силы [109]. Более реальна идея «всеядного» комбинированного двигателя, содержащего ускоритель заряженных частиц, источник ионизирующего излучения, источник плазмы, источник магнитного поля, причем создающего поле вне двигателя, хранилище ядерных зарядов и устройство их выбрасывания, также устройство для засасывания вещества внешней среды и другие системы. Такой двигатель позволяет захватывать газ атмосферы (а можно и жидкость), ионизировать его и использовать в качестве рабочего тела для создания силы тяги. В другом режиме можно использовать ядерные заряды, которыми взрывают небольшие астероиды, и продукты взрывов захватываются в магнитную ловушку и ускоряются. Возможны и другие режимы, то есть использование вещества в различных агрегатных состояниях [110]. Таким образом, вполне возможно создание «летающих тарелок» с различными типами двигателей, вопрос лишь в их соответствии потребностям космической техники. Реальны и интересны двигатели с использованием теплового нагрева слоя атмосферы около поверхности ДЛА, типа [105], [107], а в принципе возможно получение и плазменного слоя вокруг ЛА, с соответствующими интересными свойствами для движения ДЛА в атмосфере. При условии подтверждения реальности физических процессов очень перспективен проект гравиплана [111]. Для космоса физически достаточно реален «всеядный» плазменный двигатель [110], но все-таки он больше нацелен в перспективу (использование ядерных зарядов, вещества астероидов и т.п.). Интересно использование мощного магнитного поля на ЛА. Однако пока сложно получить малую массу магнитов при их большой энергии, необходимой для подъема с Земли и разгона для выхода на орбиту. 110 Отвлекаясь от двигателей, отметим и еще одну типичную публикацию «желтой прессы», например, согласно которой в «зоне 51» ведутся испытания сверхсекретных летательных аппаратов, в том числе «летающих тарелок», в частности, утверждается, что именно там США имели контакты с инопланетянами (до 1979 года), которые передали им некоторые конструкции различных механизмов [112]. Заметим, что даже если такие контакты и были, то инопланетяне не передали ничего существенного для создания серьезных интересных двигателей, так как американское космическое двигателестроение основано на тех же традиционных химических двигателях, как и их ракетные системы, типа «челнока». То есть, если что-то и было передано, то по мелочи, «бусы для папуасов» (впрочем, здесь главный вопрос – способна ли наша физика (основа создания двигателей) понять физику цивилизации, ушедшей на тысячелетия вперед. Тем самым, пока не видно какого-либо серьезного влияния инопланетян на развитие космического двигателестроения. Любопытно, что согласно [66], американцы сумели получить целым настоящий НЛО, а согласно [68] летом 2002 года американцы заявили, что ими открыт принцип передвижения «летающих тарелок». Это весьма интересно, однако неясно, кто заявил о раскрытии такого принципа – группа американских ученых, предлагающая какую-либо экзотическую физическую концепцию, и броско рекламирующая себя для выбивания из бюджета крупных грантов на исследовательские работы? или группа исследователей настоящего НЛО (а как же режим секретности и военные?) и сумевших всетаки понять принцип работы двигателя НЛО (тогда это действительно интересно)? Однако и здесь возникают вопросы. Заметим, что внеземные цивилизации, зная о существовании человечества, все-таки направляют поток настоящих НЛО через пространство Земли. А что мешает этим цивилизациям использовать структуру пространства Марса, других планет, или вообще физического вакуума космоса, тогда человечество ничего бы не знало и спокойно жило, не смущаемое загадками НЛО? Значит, вблизи Земли имеется отличная конфигурация структуры пространства, оптимальная для двигателей НЛО. Также понятно, что такие НЛО не могут проходить через вакуум космоса на границе измерений (по крайней мере, легко и свободно). Отсюда возникает вопрос об универсальности двигателей НЛО, обеспечивающих перемещение НЛО по определенной конфигурации структуры пространства (из другого измерения). Однако будут ли эти двигатели эффективно работать в обычном пространстве в нашем измерении вдали от Земли, насколько они оптималь111 ны в этом варианте использования? Заметим, что практически любые конструкции имеют свои достоинства и недостатки, а также оптимальные области применения. И весьма сомнительно, что развитые цивилизации используют единственный тип двигателей для всего – и для организации межпланетных полетов, и для межзвездных полетов. Безусловно, вполне логична позиция Полуяна [102], считающего ДЛА американскими разведчиками. Однако нельзя полностью согласиться с его мнением, что абсолютно все НЛО – это американские ДЛА (плюс остатки советских ДЛА?). Ведь различного рода преданиям, описаниям в летописях и другой информации об НЛО – много лет. Например, в Библии имеются описания «небесных колесниц», имеется и папирус, рассказывающий о появлении над воинами фараона Тутмоса «огненных дисков», о них упоминал в своих трудах и Аристотель. Также свидетельства появления странных «летающих кораблей» занесены во французскую хронику, и т.п. свидетельства на протяжении тысячелетий. И вряд ли логично и честно все отвергать по принципу «я лично не видел – значит, этого не может быть». Поэтому наиболее реально – да, до 90– 99% наблюдающихся НЛО – это американские ДЛА (с остатками советских ДЛА?). Однако наверняка есть и ~ 1% настоящих внеземных НЛО, причем в силу намного более высокого технического уровня эти настоящие НЛО как раз и менее заметны. Более того, непонятно, зачем цивилизации, совершающей межзвездные полеты, открыто зависать над объектами отсталой земной цивилизации и многими часами что-то там изучать, выяснять? Заметим, что современная земная измерительная техника позволяет производить подробнейшие наблюдения даже с космической орбиты (фотографирование с высоким разрешением, регистрация различных типов излучений и т.п.). И наверняка настоящие НЛО (с их мощнейшей энергетикой, обеспечивающей межзвездные полеты) вполне способны зависнуть, левитировать над исследуемым объектом на высоте 30…50 км и более, где их никто не увидит. Однако земная техника пока не может осуществить подобной левитации, и использование для левитации именно воздушной атмосферы вблизи поверхности Земли (с большой плотностью воздуха и силой тяги) – это признак прежде всего земных ДЛА. Больше похоже, что гравитационное поле Земли имеет значение для маневрирования настоящих НЛО в пространстве, служит Примечание: сейчас в России, да и в Европе в целом, нет политика, который решится приказать военным сбить американский разведчик – ДЛА. Вот они и висят над Россией и Европой, а поскольку признать этот факт – это расписаться в …, то в прессе и гуляют сказочки об инопланетянах, НЛО. 112 гравитационными воротами, «норой» для движения настоящих НЛО в структуре космического пространства (червячный вход в другое измерение, портал для перемещения НЛО). А отношение к людям и их цивилизации скорее всего – простое любопытство (им не интересны научные и технические достижения людей, вряд ли нужны полезные ископаемые (учитывая дальность доставки и энергозатраты), посмотреть, изучить развивающуюся земную цивилизацию. Также заметим, что даже уфологии ищут настоящие НЛО и их базы в труднодоступных и малонаселенных районах Земли (Антарктида, Бермудский треугольник, большие глубины океанов и т.п.). А это позволяет сделать вывод, что юридически, с точки зрения галактических законов и обычаев, именно мы, человечество, являемся законными владельцами Земли. И другие цивилизации не мешают развитию человечества (возможно, даже помогают неявно), используя лишь крошечную часть труднодоступных людям территорий. И логично считать, что подобное нейтральное отношение к людям будет продолжаться и дальше при условии, что человечество не будет мешать работе портала по перемещению НЛО между измерениями. Заметим, что, наиболее вероятно, настоящие внеземные НЛО используют двигатели на основе взаимодействия полей (по крайней мере – вблизи планет, вдали – с использованием вакуума), аналогичные, например, описанным в разделе 4.4 (и в целом – главе 4). Так что, создание двигателя для космических полетов дискообразного ЛА, аналогичного двигателю настоящего внеземного НЛО, пока еще впереди. 113 Глава 5 ТЕРМОЯДЕРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ 5.1. Общий обзор Термоядерные реакции и устройства для их реализации, а также возможные технические устройства на их основе, подробно описаны в научной литературе, и за 50 лет исследований объем такой литературы очень большой, пожалуй – в числе лидеров по объему среди всех направлений в физике, например, начиная от классической монографии [28] и заканчивая более поздними работами. И здесь нет смысла рассматривать их подробно, учитывая чисто потребительский интерес к таким системам – применительно к двигателям КА. Поэтому очень коротко приведем данные по таким термоядерным системам (скорее, в качестве напоминания), прежде всего – по российским работам. Подчеркнем, что отсутствие реальных термоядерных двигателей для КА позволяет смело отнести их к экзотическим типам двигателей. Управляемый термоядерный синтез (УТС) – процесс слияния легких атомных ядер, проходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых управляемых условиях. Для осуществления реакций синтеза реагирующие ядра должны сближаться на расстояние порядка 10-13 м, после чего процесс их слияния происходит с заметной вероятностью за счет туннельного эффекта. Для преодоления потенциального барьера сталкивающиеся легкие ядра имеют энергию ~ 10 кэв или ~ 108 К. Для УТС наиболее перспективны реакции синтеза: 1. d + d → t + p + 4,0 Мэв; σмакс = 0,16 барн 2. d + d → 3Не + n + 3,3 Мэв; σмакс = 0,09 барн 3. d + t → 4Не + n + 17,6 Мэв; σмакс = 5,0 барн (5.1) 3 4 4. d + Не → Не + р + 18,4 Мэв; σмакс = 0,71 барн 5. р + 11В → 34Не + 8,7 Мэв; σмакс = 0,6 барн При этом очень важной характеристикой для термоядерной плазмы является величина nτ – произведение концентрации плазмы на время ее удержания. И для плазмы имеем критерий Лоусона nτ ≥ 1015 см-3 с, Т ~ 109 К для реакции (d, d), а для реакции (d, t) имеем критерий nτ ≥ 0,5·1014 см-3 с, Т ~ 2·108 К, и этот критерий дает величину nτ, при которой реактор начинает работать как генератор энергии. Имеется целый ряд физических идей и технических устройств, пытающихся получить УТС. И здесь 2 крупных направления: первое – разработка квазистационарных систем с магнитным удержа114 нием плазмы; второе – предельно быстродействующие системы с инерциальным удержанием плазмы. Первое крупное направление соответственно делится на 3 основных направления: 1) открытые (зеркальные) магнитные ловушки; 2) замкнутые магнитные системы; 3) установки импульсного действия. При этом энергетический выход на уровне 10³ кВт/м³ достигается для (d – t) – реакций при плотности плазмы n ~ 1014 см 3 ≈ 1020 м-3 и температуре ~ 108 К. Поэтому для получения 1 ГВт (типичная мощность одного блока электростанции) размеры рабочей зоны реактора составляют ~ 1000 м³. В открытых ловушках плазма удерживается магнитным полем и за счет создания магнитных пробок на концах ловушки. В системах замкнутого типа (токамак, стеллатор) плазма удерживается магнитным полем сложной конфигурации. В установках импульсного действия (Z – пинч и θ – пинч) нагревание плазмы и ее удержание осуществляются сильными кратковременными токами, протекающими через плазму, при этом благодаря нарастанию магнитного давления (при протекании тока) плазма отжимается от стенок установки, обеспечивая ее термоизоляцию. В рамках исследований в различных странах были созданы многочисленные установки, и среди них – токамаки – безусловный лидер. Сейчас используют установки типа токамак: Т-10 (Россия), сферический МАSТ (Англия), НТ-7U (Китай), ТЕR (Франция), JЕТ (Зап. Европа, на нем получено термоядерное усиление Q = 0,65), многочисленные американские установки типа PLT, Alcator C-Mod, NSTX и другие типа TRIAM-1M, JT-60U, DШ-D, FIRE, ASDEX Upgrade, TEXTOR, отметим и сферический «Глобус-М» (Россия), и т.п., также разрабатывается демонстрационная термоядерная электростанция ДЕМО (Япония). Отметим, что подробные параметры интересного и типичного токамака Т-10 приведены, например, в [113]. И в настоящее время можно ожидать уверенной и надежной работы экспериментального международного токамака ИТЭР [103]. Реактор ИТЭР имеет большой радиус плазмы 8,1 м, малый радиус плазмы в средней плоскости 3 м, вытянутость сечения плазмы 1,6; тороидальное магнитное поле на оси 5,7 Тл, номинальный ток плазмы 21 МА; номинальная термоядерная мощность с ДТ топливом 1500 МВт. Другое большое направление – стеллараторы: NCSX, LHD, с винтовой осью (гелиак) TJ-11, сооружаемый Wendelstein 7-X (W 7-X) – альтернатива ИТЭР (Германия), сооружаемый квазиполоидальный QPS (США), «Ливень» (Россия), разрабатываемый проект квазиосимметричного CHS-qa (Япония) и т.п. Отметим и пинчи с обращенным полем TRE-RX, также 115 EXTRAP T2R, MST, GAMМА 10 и др., в частности, ловушку «Галатея-3» (Россия). Второе крупное направление УТС – сверхбыстродействующие системы с инерциальным удержанием. Здесь термоядерное топливо в виде мишени – крупинок подвергается быстрому нагреву и сжатию топлива. Наиболее продвинутое направление – нагрев с помощью лазерного излучения, например, это установки типа «Кальмар», «Дельфин» (СССР), «Вулкан» (Англия), «Шива–Нова-1», «Антарес-1» (США) и др. А наиболее продвинутые лазерные установки – NIF (США) и LMJ (Франция), с энергией импульса до 1,8 МДж. Исследуется и нагрев мишени от импульсных сфокусированных электронных пучков: это установки типа «Тритон», «Ангара-1», «Ангара-5» и др. Пытаются использовать для нагрева мишени пучки тяжелых или легких ионов, например, ускоритель PFBA-1, генерирующий мощный ионный пучок с током 0,4 МА [104], а также имеются и новые проекты установок на тяжелых ионах. Кроме того, в рамках исследований предложена схема Астрон – использование вращающихся ионных колец (из дейтронов) для взаимодействия с тритиевой мишенью [104]. Любопытной является попытка совместить эти методы, например, предложение ускорять пучок легких ионов (протоны, дейтерий, бериллий) с помощью излучения лазера [114]. Интересной, но пока отдаленной перспективой считается УТС с помощью процесса мюонного катализа. Суть в том, что при торможении отрицательно заряженных мюонов в плотной смеси изотопов водорода за время 10-12 с образуются мюонные атомы pμ, dμ и tμ. Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они свободно проникают сквозь электронные оболочки атомов и подходят на близкие расстояния к их ядрам. При этом происходят многообразные μ-атомные и μ-молекулярные процессы, например, pdμ → 3Не+μ─ ; ddμ → 3Не+n+μ─ , и освободившийся μ─ вновь может образовать мезоатом и повторить еще раз всю цепочку реакций dμ+p → pdμ → 3Не+μ─, и т.д., и в принципе число таких реакций ограничено лишь временем жизни мюона в 2,2 ·10-6 с. Однако в действительности часто происходит реакция «отравления катализатора», заключающаяся в «прилипании» μ─ к образовавшемуся ядру гелия pdμ → μ3Не+γ . При этом эксперименты показали, что один мюон дает до 160±20 циклов мюонного катализа в жидкой смеси дейтерия и трития. И сейчас интенсивные исследования мюонного катализа ведутся во многих лабораториях в мире [115]. Интересно, что в 1989 году был экспериментально получен холодный синтез, в котором реакции ядерного синтеза наблюдались при электролитическом насыщении дейтерием кристаллической 116 решетки палладия (а затем титана и др.). Предполагается, что появление этих реакций вызвано ускорением дейтронов в электрических полях, возникающих в микротрещинах решетки при электролизе или при внедрении в нее дейтронов из газовой среды под давлением [103] (более подробное описание [116]). Безусловно, за десятки лет исследований выдвинуто большое количество идей по термоядерным реакторам, правда, из них основная часть – по параметрам систем и элементам конструкций различных типов токамаков. Здесь упомянем лишь часть оригинальных идей. Это, например, идея использовать образующиеся нейтроны непосредственно в термоядерной плазме за счет ввода веществ (типа изотопов 6Li, 7Bе,10Ве и т.п.), взаимодействующих с нейтронами с положительным энерговыделением и образованием трития [117]. Любопытна идея осуществления реакций при взаимодействии пучков ионов дейтерия и трития с энергией 13–14 эв, с получением нейтральной резонансной плазмы, в которой правильное квантовое колебательное движение электрона прекращается, и электрон двигается беспорядочно относительно атома, что ведет к падению электрона на протон и образованию нейтроноподобной частицы, которая имеет возможность подойти к другим атомам на значительно более близкое расстояние и повышает вероятность осуществления реакций синтеза [118]. Еще одна идея – предложение инжектировать в реактор не скомпенсированный по заряду пучок ускоренных частиц – реагентов – причем образовывать в реакторе зону повышенной концентрации частиц, называемую виртуальным эмиттером, для повышения выхода энергии [119]. Также известна идея по обжатию топлива импульсным магнитным полем, причем предварительно создают условия для развития в топливе магнитогидродинамической перетяжки (например, за счет изменения радиуса топлива) [120]. Еще одно направление – использование лайнера для импульсного нагрева плазмы, которое предложил в 1962 году Linhart, при этом импульс тока через цилиндрическую оболочку – лайнер создает давление магнитного поля, используемого для сжатия плазмы. Более совершенные конструкции для реализации такого способа были предложены позднее, например [121], а сама технология для изготовления более совершенного лайнера – например [122], отметим и достаточно экзотическую идею использования в качестве системы инжекции мишени автоматической пушки или ракетной установки, стреляющие мишенями с лайнерами [123]. Продолжаются попытки усовершенствовать и процесс холодного синтеза дейтерия, например, за счет технологии подготовки образцов и использование для насыщения образцов смеси газов на 117 основе дейтерия, с подбором параметров потока газа и скорости нагрева образца [124]. Это и идея осуществления реакций синтеза на границе раздела электрод – жидкость, для чего периодически переключают полярность импульсного низковольтного напряжения, причем на поверхности электродов генерируют коллапсирующие микропузырьки с парами атомов легких элементов при воздействии импульсного высоковольтного напряжения [125], и с этой идеей в какой-то степени совпадает предложение использовать кавитацию полостей, заполненных смесью дейтерия и трития [126]. Разновидностью такого направления является и идея разгона жидкого дейтерия до высокой скорости в криволинейном канале с последующей организацией кавитации в реакционной камере [127]. Весьма экзотичной и любопытной является идея низкотемпературного ядерного синтеза ядер дейтерия и трития в кристаллической решетке соединения (типа UВe13, CeAl3 и др.), обеспечивающего при температуре эффекта ~ 0,5 0,90К появление эффекта «тяжелых электронов» – «тяжелых фермионов», с увеличением эффективной массы электронов в десятки раз, что увеличивает и скорость реакций синтеза [128]. Продолжается усовершенствование и лазерного метода нагрева мишеней. Так, появились предложения по мишени, названной «парник», в которых излучение лазера подается в слой малоплотного вещества. Также появилась идея «быстрого поджига», где идет «разрыв» процессов сжатия и нагрева – поджига сжатой мишени очень коротким импульсом. Большие надежды возлагаются на полупроводниковые лазеры, обеспечивающие полный КПД до 30–35%. Кроме того, очень перспективны в будущем лазеры, обеспечивающие режим генерации сверхкоротких импульсов фемтосекундного диапазона, и уже рассматривается возможность построить лазер с энергией до нескольких сот килоджоулей, а такие очень короткие импульсы позволяют рациональнее использовать энергию лазерного излучения [129]. Также для концепции импульсного нагрева таблеток можно отметить и достаточно новые и интересные идеи, например, использование дейтериевых таблеток со спин-поляризованными дейтронами, которые обстреливают пучками дейтронов, поляризованных так же, как и таблетки [131], а также аналогичную идею по использованию поляризованных водородных таблеток с их обстрелом пучками поляризованных субатомных частиц типа протонов или электронов [130]. Любопытна концепция возбуждения реакций синтеза в низкотемпературных потоках за счет внешнего воздействия на поток электрическим или магнитным полем (или их сочетанием), с возбуждением в объеме участка потока индуцированной продольной 118 составляющей электрического поля, при этом происходит перевод среды в реакционной зоне в состояние с избыточным электрическим зарядом и создание условий для возникновения процесса релаксации к условиям внутреннего равновесия. При этом вероятность реакций в начальный момент релаксации очень велика [132]. Отметим, что достаточно активно разрабатывается и концепция получения реакций синтеза во встречных пучках. Это, например, интересная идея многоканального реактора с ускорением и движением заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля с минимумом величины напряженности в центральной части рабочего объема, при этом в реакционном объеме происходит столкновение встречных плазменных струй [133]. Разновидность такого реактора – идея встречных пучков, в виде порций, находящихся в аксиальном постоянном, общем для обоих пучков в магнитном поле, а в период столкновения пучков вводят дополнительное импульсное сжимающее магнитное поле [134]. Любопытным развитием такого направления является идея прохождения реакций в кристаллах, используемых в качестве фокусирующей среды для встречных пучков ионов, при этом использован эффект каналирования частиц вглубь кристалла вдоль его оси или плоскостей, а плоскости кристалла создают фокусирующий эффект для частиц [135]. Выделяется и весьма перспективная идея осуществления реакций синтеза путем столкновения дипольных молекул, содержащих дейтерий, при этом дипольные молекулы разгоняют и придают вращательное движение воздействием электромагнитных полей [137]. Отметим проект амбиполярного Д–3Не-реактора (И.Н. Головин с сотрудниками), имеющий реактор в виде гофрированного соленоида длиной около 100 м с одинарными концевыми пробкотронами и термобарьерами длиной по 10 м. Магнитное поле в пробках – до 20 Тл, вакуумное поле – 6 Тл, погонная термоядерная мощность – 34 МВт/м. Коэффициент усиления мощности реактора – 15 и более, при термоядерной мощности 3400 МВт [138]. Считается, что для демонстрации осуществимости амбиполярного Д-Т-реактора с зажиганием термоядерной плазмы рационально построить экспериментальный реактор с укороченным центральным соленоидом ядерной мощностью ~ 700 МВт (коэффициент усиления 4). Длина соленоида 34 м, длина ловушки около 60 м. Такие реакторы используют электрические амбиполярные барьеры, размещаемые в пробках на концах длинной соленоидальной ловушки [138]. Особняком стоит идея совмещения реакций деления и синтеза, в которой делящееся вещество в виде плазмы (или газа) помещают в магнитное поле и в поле тепловых нейтронов, вышедших из замедлителя, а в центральную область вращения делящегося веще119 ства вводят изотопы водорода, в которых под действием продуктов деления инициируют термоядерные реакции с испусканием нейтронов синтеза. При этом выделяют полученный из Д-Дреакции первичный гелий-3, который смешивают с дейтерием и снова подают в центральную область магнитной ловушки для совместного сжигания по реакции (D-3Не), с постепенным увеличением доли энергии от этой «чистой» реакции [139]. И на этом можно закончить очень краткий обзор разработок российских ученых и изобретателей. Подчеркнем, что Россия, как преемник СССР, в области термоядерных исследований (пока еще по инерции) – один из ведущих центров в мире, по крайней мере – в области идей (реализация требует денег, а это уже другая проблема). Поэтому эти идеи, учитывая международное сотрудничество ученых и обмен информацией, достаточно реально показывают уровень и мировых разработок. А пласт разработок и патентов в зарубежных странах также очень велик, но автор и не ставит перед собой цели полного обзора мировых разработок в области термоядерных исследований. Однако заметим, что, согласно обзорам научно-технической информации, за рубежом (как и в России) подавляющий поток информации – по разным типам токамаков, стелларатов и системам с инерциальным удержанием (чаще всего – лазерный УТС), по конструкции элементов таких реакторов, и лишь очень малая часть – по оригинальным направлениям УТС. Рассмотрим проекты термоядерных двигателей (далее – ТД). Заметим, что NASA еще десятки лет назад вело проекты по ТД, и статей, особенно – популярных, по ТД достаточно много. Интересен проект VISTA (межпланетный космический транспортный аппарат), разрабатываемый в Ливерморской национальной лаборатории им. Лауренса (США), с термоядерной лазерной установкой, где шаровые топливные мишени из Д-Т массой по 50 г подаются с частотой 30 Гц в тяговую камеру. С помощью системы зеркал на мишени фокусируются лучи лазеров, инициирующих термоядерную реакцию. Удельная мощность оценивается в 2·104 МВт/г, уд. импульс – 17000 с, тяга 240 кН при расходе рабочего тела 1,5 кг/с, что позволяет доставить на Марс полезную массу 100 т при стартовой массе 6000 т, при этом масса радиационной защиты оценивается в 200 т. Полет на Марс и обратно продлится 100 суток. Автор просмотрел РЖ «Авиационные и ракетные двигатели за 1979–2004 годы, и не нашел в СССР и России разработок по ТД, то есть если и были оценки параметров двигателей, то они так и остались в виде технических отчетов в архивах, не получив отражения в научно-технической информации. Параметры ТД в США приведены согласно аннотациям в РЖ. 120 Известен проект ТД на основе открытой ловушки, где ракета имеет длину около 107 м и радиус около 7 см = 0,07 м, в которой Д-Т плазма имеет плотность 2·1015 см-3 и температуру 10 кэв. И такой ТД может иметь уд. импульс на уровне 1,3·105 с и тягу около 3 кН, обеспечивая полет к Марсу и обратно за ~ 4 мес. Имеется и программа экспериментальных исследований NASA по созданию модели перспективного ТД типа GDM – с газодинамическим магнитным зеркалом для изоляции высокотемпературной плазмы. Ранее исследования в этой области были проведены в Новосибирском институте ядерной физики (Россия), где использовался модуль GDM длиной 9 м. NASA разрабатывает такой модуль меньшей длины и мощности применительно к созданию ТД для КА. Уд. импульс тяги будет достигать 106 Нс./кг, причем предполагается, что разработка ТД типа GDM будет проще, чем термоядерной электростанции. Заметим, что в связи с планированием полета на Марс при Льюисском исследовательском центре открыто Управление по ядерному двигателю NPO для изучения проблем, связанных с созданием ТД, и планируется разработка габаритного макета ТД к 2010–2015 году. Принципиально в ТД наиболее часто используют 2 конструктивных подхода: непрерывно работающий ТД с нагревом водорода и сверхзвуковым истечением, при уд. импульсе от 1500…2000 с; и импульсный открытый ТД – микровзрывы, действующие на плиту – экран – толкающую КА, с уд. импульсом до 15000 с. Считается, что в ТД имеется три оптимальных варианта топлива: Д – Т, Д – 3Не и р – 11 В. Из российских разработок отметим идею комбинированного двигателя (применение [139] для двигателя), использующего сочетание реакций деления делящегося вещества (вводимого в виде плазмы внутрь магнитной ловушки) и реакций синтеза дейтерия и гелия-3 [140]. Также комбинированным двигателем является идея с использованием дейтерия и лития-6, взаимодействующего с нейтронами от ядерного источника нейтронов, в сочетании с электрическим ракетным двигателем [141], [142]. К импульсным ТД относится идея многоступенчатого КА, при этом периодически осуществляют микровзрывы порций термоядерного топлива [143], а также идея по использованию (применение [123] для двигателя) в системе инжекции мишеней автоматической пушки или реактивной установки, стреляющей лайнерами с мишенями из топлива [144]. Из немногочисленных зарубежных патентов упомянем ТД, основанный на фокусировании импульсной вспышки света на замороженном шарике тяжелой воды, с импульсным осуществлением 121 реакций синтеза [145], а также ТД на стационарном реакторе [146]. Заметим, что, как ни странно, но американских патентов по ТД очень мало, и это в общем-то логично – если нет реальных термоядерных реакторов, то какие уж тут ТД. Таковы основные разработки по ТД, без учета и упоминания ряда других идей, сознательно опущенных автором по ряду причин (типа американского патента за 1984 г., в котором с помощью системы из блока цилиндров, поршней и маховика хотят нагреть гелий до ~ 55 млн. К для ядерной реакции), прежде всего – в силу явной физической сомнительности. 5.2. «Дьявол кроется в деталях» Безусловно, заставляет задуматься тот реальный факт, что за многие десятилетия исследований практически еще не удалось создать работоспособного промышленного термоядерного реактора. Для сравнения – в 1949 году СССР провел опытный ядерный взрыв, а уже в 1954 году появилась опытная атомная электростанция в Обнинске, а ведь термоядерный взрыв осуществили еще в 1953 году. Причем в СССР и других странах мира термоядерные исследования – приоритетное направление (историческая – на сотни лет, перспектива для энергетики!), и финансирование было нормальным (различных установок всяких типов в мире создали многие десятки). Конечно, эти исследования не пропали даром, в частности, произошло становление физики плазмы, и подробно изучены многие аспекты и зависимости в широких диапазонах параметров плазмы, мишеней, магнитных систем и т.п. (объем научной информации очень велик). Казалось бы, элементарный на первый взгляд технический процесс: нагрел смесь изотопов до высокой температуры – и пожалуйста, получай на выходе термоядерные реакции и энергию. Но… но… фига! И здесь вспоминается поговорка «дьявол кроется в деталях». И именно детали, технологические тонкости осуществления таких процессов не позволяют получить термоядерный реактор, несмотря на обилие различных типов установок и идей по осуществлению реакций синтеза. Для крупных исследовательских реакторов большой проблемой является устойчивость плазмы, которая весьма склонна к появлению различных неустойчивостей и колебаний. В частности, для токамаков остается проблема «большого срыва», при которой плазменный токовой шнур сначала стягивается к оси камеры, затем ток прерывается и на стенки камеры сбрасывается большая энергия, при этом камера испытывает тепловой и механический удары. Проблемой остается и образование пучков быстрых электронов, приводя122 щее к сильному возрастанию потоков тепла и частиц поперек поля. Еще одна трудность – проблема примесей. Для чисто водородной плазмы энергетические потери на энергомагнитное излучение в случае (d – t)-реакций перекрывается ядерным энерговыделением уже при температурах выше 4·107 К. Однако даже малая добавка чужеродных атомов с большим Z приводит к резкому возрастанию излучения плазмы выше допустимого уровня. И требуются чрезвычайные усилия (непрерывное усовершенствование вакуумных насосов; применение устройств для улавливания атомов примесей; использование тугоплавких и труднораспыляемых материалов в элементах конструкции и т.п.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже допустимого уровня (≤ 0,1%). Для сверхбыстродействующих систем УТС с инерциальным удержанием имеются свои трудности, например, трудность осуществления устойчивого сферически-симметричного сжатия мишеней. Также – образование группы быстрых электронов в плазменной короне, окружающей мишень, и эти электроны успевают преждевременно нагреть центральные зоны мишени, препятствуя достижению необходимой степени сжатия и последующего запрограммированного протекания ядерных реакций. Это и проблема предотвращения перемешивания вещества сжимающей оболочки с термоядерным топливом на конечных стадиях сжатия. В принципе, в основе этих трудностей лежит необходимость удовлетворить главные физические факторы – требование высокой концентрации плазмы, а также необходимость преодолеть отталкивание ионов в плазме, в сочетании с малым сечением термоядерных реакций (на ~ 2 порядка меньше сечения деления ядер в атомных реакторах). Конечно, это большой успех – выход на достаточно реальный и работоспособный экспериментальный международный реактор ИТЭР. Да и установка NIF (США) с лазерным облучением мишеней вполне обеспечит эффективное прохождение УТС. Главная проблема в другом. Установка NIF имеет 192-пучковую лазерную систему на неодимовом стекле с энергией в 1,8 МДж в каждом импульсе наносекундного диапазона и для обеспечения работы такой сложной системы расположена в семиэтажном корпусе, длина которого превышает длину двух футбольных полей. Аналогично, ИТЭР – это конструкция из многих систем с общей массой около 30 тысяч тонн. Безусловно, для земной техники и энергетики – это вполне допустимые параметры. Однако для космической техники NIF и ИТЭР – это монстры с массой, которые никак не могут служить основой для двигателя КА. Даже при мощности в 1 ГВт такие монстры неконкурентоспособны по сравнению 123 с ядерными двигателями или ЭРД с ядерной энергоустановкой. Причем ведь в этих установках нет лишних систем, которые можно исключить при создании двигателя для КА. Таким образом, можно уверенно утверждать, что на современном уровне техники такие термоядерные реакторы могут найти применение в космосе лишь в качестве источника энергии для какой-либо стационарной станции (размещенной на высокой орбите над Землей). Однако такие реакторы не могут быть сейчас основой для создания термоядерного двигателя, устанавливаемого на разгоняющийся КА. При этом считается, что после строительства ИТЭР будет сооружаться демонстрационная термоядерная электростанция. А первая промышленная станция, по расчетам специалистов, появится лишь к 2050 году, ее предполагаемая мощность составит ~ 1,5 ГВт. Конечно, по мере усовершенствования элементов конструкции, шаг за шагом, будут улучшаться характеристики реакторов (например, за счет усовершенствования конструкции мишени для лазерного синтеза и применения лазеров фемтосекундного диапазона и т.п.). И вполне возможно, к середине – концу 21-го века, когда массы термоядерных установок (на основе токамака и лазерного синтеза) упадут до уровня в сотни тонн, появятся и термоядерные двигатели на основе таких реакторов, устанавливаемые на разгоняющемся КА. Отметим, что ИТЭР и NIF используют реакции (d–t), а эта реакция дает мощный поток быстрых нейтронов, ~ 10–12 нейтронов на выделяемую энергию ~ 180–200 Мэв, которая соответствует выделению энергии при делении 1 ядра 235U, с выделением ~ 2,5 быстрых нейтронов на 1 акт деления. А быстрые нейтроны – это большая-большая проблема для радиационной защиты на КА, поэтому для термоядерных двигателей с (d – t)-реакциями радиационная защита по массе будет одного уровня с радиационной защитой ядерного двигателя на 235U. Для примера отметим, что в американском проекте марсианского полета с использованием ядерного двигателя с твердофазным реактором (на уране) общая масса КА на околоземной орбите составит 817 тонн, из них 21 тонна – система радиационной защиты [147]. А для американского проекта КА VISTA с термоядерной лазерной установкой с мишенями (Д–Т) при стартовой массе 6000 тонн масса радиационной защиты оценивается в 200 тонн. Отметим, что согласно оценкам, в термоядерном Д – Т-реакторе радиационные повреждения материалов стенки, обращенной к плазме (первой стенки), ограничивают срок ее службы в 3–6 лет. Замена стенки на новую каждые 3–6 лет в реакторетокамаке будет очень сложной, длительной и дорогой. Причем разработка материалов стенки с многократно повышенной радиацион124 ной стойкостью представляется маловероятной [138]. Именно поэтому для термоядерных двигателей на КА предлагается использовать «чистые» реакции типа (d – 3Не) или (р – 11В). Однако реакция (d – 3Не) имеет сечение 5 ~ 7 раз меньше по сравнению с (d – t), и для осуществления (d – 3Не) требуются куда более высокие параметры плазмы и увеличенный критерий Лоусона, которые пока еще не достигнуты в экспериментах (собственно, сейчас только-только зацепили нижнюю границу осуществления реакции (d – t), и все!). В частности, необходимо иметь более высокую рабочую температуру (60 70 кэв), с соответствующим ростом излучения плазмы, а скорость термоядерной реакции Д – 3Не при этом в ~ 5 раз ниже. Считается, что такой реактор вряд ли возможен на основе токамака (с магнитными полями, как в ИТЭР), если в нем не будет существенно повышена величина β (отношение давлений плазмы и магнитного поля) [138]. Более реальными представляются амбиполярные реакторы, однако даже в демонстрационном реакторе на ~ 700 МВт общая масса сверхпроводящих катушек с бандажами около 300 т, и это без массы других многочисленных систем. Причем имеются большие сомнения, что можно ограничить массу такого реактора, например, получить легкий реактор с массой ~ 200 т и мощностью < 100 МВт вряд ли сейчас возможно. Кроме того, пока что объем проведенных исследований плазмы по удержанию в амбиполярной ловушке существенно меньше, чем в токамаке [138]. А это значит, что при осуществлении таких реакторов вполне реально появление неучтенных препятствий. Поэтому появление реакторов с (d – 3Не)-реакцией где-то там далеко, и это еще более высокий уровень сложности и технологических трудностей для физики плазмы, поэтому создание таких реакторов на основе токамака или лазерного синтеза сейчас просто нереально. При этом в перспективе возникает и проблема получения больших количеств гелия-3, а сейчас предлагаются разные варианты необходимых систем. Это и достаточно подробно разработанные проекты добычи за счет переработки поверхностного грунта Луны, например, проект мощного комплекса со сбором и нагревом многих тысяч тонн грунта в сутки и получением в год до 40 кг гелия-3 [149], или более скромный проект добывающеперерабатывающего комплекса на базе атомной теплоэлектростанции электрической мощностью 1 МВт [151]. Также предлагается перерабатывать грунт астероидов с помощью транспортно- энергетического комплекса, например, для варианта электрической мощности ядерной установки 2,5 МВт и общей массе комплекса 64 т за 1 год предполагаемая добыча гелия-3 составит до ~ 0,13 т [152]. Известны и предложения по добыче гелия-3 из атмосферы Юпитера, 125 например, вариант на основе «плавающего» в атмосфере Юпитера атомного аэростата, с электрической мощностью ядерной электростанции 2,5 МВт и суммарной массой добывающего комплекса ~ 160 т (сухая масса ~ 70 т) [153]. Наиболее простой вариант – улавливание потока солнечной плазмы мощным магнитным полем диффузора (масса ~ 100 т, радиус захвата плазмы ~ 100 км, мощность электростанции 0,01 – 0,1 МВт), размещаемого на высокой орбите Земли (вне магнитного поля Земли), с последующим выделением гелия-3, например, согласно [154], [17]. Конечно, добыча гелия-3 – это решаемая проблема, но все-таки это лишнее дорогостоящее препятствие на пути его использования. Однако для реактора с (d – 3Не) возникает и другая проблема, состоящая, согласно (5.1), в одновременном прохождении параллельных реакций (d – d) с образованием трития и нейтронов, причем максимальное сечение этих реакций ~ (0,16+0,09) = 0,25 барн всего в ~ 3 раза меньше сечения в ~ 0,71 барн для реакции (d – 3Не). При этом и образующийся тритий имеет сечение реакции (d – t) больше, чем (d – 3Не). Таким образом, в условиях стационарной работы реактора – токамака или стелларатора, при использовании «чистой» реакции (d – 3Не) все равно возникает мощный поток нейтронов, который составит (в зависимости от оценок) в среднем до ~ 10% от числа нейтронов при использовании только реакции (d – t). Конечно, уменьшение в 10 раз нейтронного потока для (d – 3Не) по сравнению с реактором на основе (d – t) тоже весьма положительно, например, благодаря этому срок службы первой стенки реактора возрастет вплоть до ~ 100 лет. Однако и в этом случае радиационная защита реактора будет очень серьезной, так как замедление и поглощение быстрых нейтронов требует определенной длины пробега и толщины защитной стенки для этого (независимо от величины потока нейтронов). Поэтому уменьшение нейтронного потока в ~ 10 раз не означает уменьшения толщины защитной стенки для КА (защиты экипажа) в 10 раз, хорошо – если в 2 3 раза, то есть радиационная защита на КА уменьшится лишь на небольшую величину. И возникают большие сомнения в возможности использования токамаков и аналогичных конструкций, даже на (d – 3Не), в качестве основы создания «чистых» термоядерных двигателей. Возможно, это реально лишь на основе чистой реакции (р, 11В), где сечение параллельной реакции (р, р) ничтожно. Кроме того, возможно, что при импульсном режиме осуществления реакции (d – 3Не) (с помощью сжатия шариков топлива импульсным лучом) удастся уменьшить нейтронный поток за счет того, что образовавшийся тритий в (d – d)-реакции просто не успеет прореагировать с d (мало время прохождения реакций в сжатом шарике). 126 Поэтому можно утверждать, что несмотря на успехи физики, на современном этапе все еще актуален поиск и новых идей, новых концепций осуществления УТС, особенно для (d – 3Не)-реакций, поиск тех технологических тонкостей, которые позволят все-таки в ближайшие десятилетия создать эффективные и легкие термоядерные двигатели для КА. Касаясь критического анализа проектов ТД, можно отметить следующее. Конечно, комбинированные двигатели на основе сочетания реакций деления и синтеза физически намного реальнее, чем чистый ТД, однако при этом происходит усложнение рабочего процесса по сравнению с чистым ТД или ЯРД, а это всегда влечет появление и каких-либо новых нежелательных проблем (типа сложности регулирования и т.п.). Что касается импульсных ТД, то их проблемы давно известны – это низкая эффективность использования топлива при взрыве, обычно меньше 20%, остальное – потери, практическая невозможность организации истечения полученного потока и отсюда большие потери на непараллельность потока и низкое φнеп и т.п., хотя, конечно, при желании они вполне могут быть реализованы. 5.3. Концепция термоядерного наноструйного реактора и двигателя Рассматривая и оценивая различные идеи по осуществлению УТС, отметим, что термоядерные реакции проходят в веществах любого агрегатного состояния, будь то высокотемпературная плазма, поток заряженных частиц, поток молекул – диполей, холодный синтез в электролите или холодная жидкость при мюоном катализе. Вопрос прежде всего в энергии частиц, обеспечивающих прохождение реакций. Более того, плазма не обязательно связана с высокими температурами. В частности, сейчас исследуется низкотемпературная плазма, типа плазменно-пылевой структуры при криогенных температурах, и в ВЧ-плазме низкого давления получают сверхплотные упорядоченные плазменно-пылевые структуры [155]. Кроме того, возможно получение ультрахолодных ионов гелия, охлажденных до температуры 20 мк = 2·10-2 К, согласно новому методу охлаждения, разработанному учеными, пока – для научных целей [156]. Рассмотрим идеальный термоядерный реактор (далее – ТЯР), применительно к использованию в двигателях. И в качестве экзотической идеи можно предложить идею наноструйного реактора. В этом реакторе осуществляют подачу смеси изотопов в виде потока жидкости (криогенной) через отверстия с диаметром 10-2 100 нм = 10-11 10-7 м, то есть наноструйки. Причем поток подают строго и точно по магнитным силовым лини127 ям постоянного магнитного поля [158]. Рассмотрим параметры такого наноструйного реактора. Схема такого реактора приведена на рис. 5.1. Рис. 5.1. Схема наноструйного реактора 1 – система подачи; 2 – мембрана с наноотверстиями; 3 – емкость с компонентами топлива; 4 – камера реактора; 5 – ионизатор; 6 – ускоритель; 7 – магнит; 8 – постоянное магнитное поле от магнита; 9 – пучкинаноструйки; 10 – зона реакций (горения); 11 – зона сброса частиц; 12 – источник дополнительного электрического поля В качестве наиболее простого варианта подачи в емкости смешивают и тщательно перемешивают жидкие изотопы, смесь d и t, или d и 3Не. Жидкости находятся под давлением 10 100 МПа, а после перемешивания их подают к мембране, и затем через наноотверстия поток смеси изотопов истекает в вакуум камеры реактора. При этом смесь состоит, в зависимости от температуры, или из смеси жидкого дейтерия и пара насыщенного 3Не при температуре ~ 200К, или из смеси жидкого гелия с нанокрупинками при температуре ~ 4°К, или смесь жидкостей d и t при ~ 20 30°К. При этом смесь проходит через наноотверстия благодаря малой вязкости, которая для жидкого гелия в ~ 600 1000 раз меньше вязкости воды, а для жидкого водорода вязкость в 50 100 раз меньше вязкости воды [136]. Рассмотрим для примера и наглядности единичную наноструйку (d – 3Не) с диаметром dс = 1,0 нм = 10-9 м. Для жидкого гелия скорость скр ~ 180 220 м/с [136], в среднем скр ~ 200 м/с. Тогда верхний предел секундного расхода можно оценить величиной mc1 ≈ ρср·скр·Fс = ρср·скр·πdс2/4 (5.2) 3 где ρср ≈ 0,1·10³ кг/м³, средняя плотность смеси (d – Не), тогда имеем mс1 ~ 1,5·10-14 кг/с. Естественно, для жидкой смеси реальная скорость истечения меньше скр1 и mс1 ~ (0,5 1,5)·10-14 кг/с. Концентрация молекул жидкости nс ~ 2·1028 м-3 = 2·1022 см-3, и для наноканала с dс = 1,0 нм = 10-9 м = 10-7 см и длиной lс = 0,1 см = 10-3 м = 106 нм 128 имеем объем канала ~0,78·10-15 см³ = 7,8·10-22 м³, что соответствует числу молекул в канале ~1,5·107 мол/кан, или среднее число молекул на 1 нм длины канала ~15 мол/нм. Истекающая из отверстия мембраны наноструйка движется направленной струей, при этом в силу малого числа молекул по сечению струйки расходимость в вакууме минимальна. При этом начинается ускорение молекул струйки до необходимой энергии, и для этого возможны различные схемы ускорения. Первая и традиционная схема ускорения включает ионизацию наноструйки и ускорение плазмы. Возможны различные схемы ионизации. Это использование известной технологии ВЧ-разряда, аналогичное получению низкотемпературной плазмы при криогенной температуре исходного вещества [155]. Это и использование технологии и конструкции известного источника ускоренных нейтральных частиц [160]. Это и использование технологий, аналогичных применяемым в УТС для получения ускоренных потоков нейтральных частиц, впрыскиваемых затем в реактор. Это, например, и создание облака электронов или ионов у поверхности мембраны, обеспечивающего ионизацию наноструйки. Отметим, что в качестве одного из определений плазмы используется формулировка: ионизированный газ называется плазмой, если дебаевская длина мала по сравнению с размерами объема, занимаемого газом. Поэтому для наноструйки с dс, которое меньше дебаевского радиуса rD, нельзя строго говорить как о плазме. Наноструйка – это молекулярный пучок, превращенный в ионизированный и ускоренный пучок. Подчеркнем, что обычная плазма характеризуется частыми столкновениями частиц, что «перемешивает» энергию хаотического движения частиц в разных направлениях и приводит к изотропному давлению плазмы. Здесь же, для наноструйки плазмы нет частых столкновений частиц, и в силу разного ламоровского радиуса rЛ практически образуется два слоя частиц – электронов и ионов, и в этом случае частицы «связываются» самосогласованным электрическим полем. То есть здесь вариант бесстолкновительной плазмы, при этом давление различное в продольном рII и перпендикулярном р направлениях по отношению к постоянному магнитному полю. Причем это достигается за счет того, что давление р определяется в основном энергией и температурой ионизации молекул на выходе из отверстия мембраны, например, Тio ≈ Тео ~ 0,2 1 эв ≈ 2200 1100°К. А давление рII определяется энергией и температурой ускоренных частиц, ионов, с помощью электрического поля системы электродов, с четко направленным полем вдоль магнитных силовых линий маг129 нитного поля и вектора скорости движения истекшей наноструйки. При этом электрическое поле ускоряет именно ионы (электрическое поле электродов заряжено отрицательно), и после ускорения имеем Тi ~ 108 – 109 К и электроны с Те ~ 2,5·105 К. То есть, на выходе из отверстия мембраны ионы попадают в зону электрического поля от системы электродов, которое ускоряет ионы именно и прежде всего вдоль магнитных силовых линий, в продольном направлении с получением рII >> р (и лишь малая часть энергии электрического поля идет на р ), и рII на 3–7 порядков больше р . Именно анизотропия плазмы позволяет обеспечить высокую концентрацию плазмы, а постоянное магнитное поле с В = 5–15 Тл, удерживает давление наноструйки плазмы с р , а сама плазма для осуществления реакций имеет давление рII и концентрацию n > 1026 1027 м³. Отметим, что такое высокое давление рII не позволяет практически создать эффективной магнитной «пробки» для отражения столь концентрированного потока плазмы и его повторного использования, поэтому сейчас это одноразовый процесс прохождения плазмы и осуществления реакций. В этом способе подачи смеси компонентов электрическое поле ускорителя разгоняет изотопы р, 2Н. 3Н, 3Не, 11В в одном поле с примерно одинаковой силой (для одинакового электрического заряда). При этом 2Н или р приобретают в силу меньшей массы большую скорость, чем тяжелые 3Не, 3Н или 11В, то есть возникает относительная скорость ионов компонентов с легкими и тяжелыми атомами. Второй схемой подачи компонентов термоядерного топлива является подача компонентов через одни и те же нанометрические отверстия (каналы) мембраны системы подачи поочередно, импульсами, с длительностью каждого импульса от 10-5 с до 10-2 с, например, с помощью системы насосов (типа двигателя внутреннего сгорании с несколькими цилиндрами). Такое время соответствует длине каждой порции компонента от 10-3 м до 1 м, которую и ускоряют полями ускорителя. При этом порции одного компонента с большой скоростью догоняют порции другого компонента с меньшей скоростью, и при их столкновении происходит взаимодействие с осуществлением реакций синтеза. Причем в качестве одного из варианта такого способа подачи возможно усложнение системы ускорения. Например, на постоянную составляющую ускоряющего поля накладывают дополнительную импульсную составляющую ускоряющего поля, причем эту составляющую синхронизируют именно с моментом подачи в ускоритель легких атомов (иначе – частота подачи легких атомов равна частоте подачи импульсной составляющей ускоряющего по130 ля). И это обеспечивает более быстрый разгон легких атомов и увеличивает их абсолютную скорость, что позволяет уменьшить скорость тяжелых атомов для получения необходимой относительной скорости. Например, при увеличении импульсной составляющей ускоряющего поля в 3 раза на легкие ионы (атомы) дейтерия по сравнению с полем на тяжелые атомы 3Не или 3Н, ускорение 2Н в ~ 4,5 раза больше ускорения тяжелых атомов. Безусловно, такой вариант импульсной порционной подачи компонентов в сочетании с импульсами составляющей ускоряющего поля требует усложнения конструкции, что нежелательно. Однако здесь есть и достоинства, и такая конструкция может быть создана, и она соответствует современному уровню техники. Оценим необходимый уровень ускорения частиц. Уровень скоростей определяется элементарной арифметикой: Vdoт Vd Vt , не ; V V V Р В poт (5.3) где Vdот – относительная скорость атома (иона) d, для (d, t) и (d, 3Не); Vd – абсолютная скорость атома (иона) d; Vt – абсолютная скорость трития для реакции (d, t); Vне – абсолютная скорость 3Не для реакции (d, 3Не); Vрот – относительная скорость иона (атома) протона, имеющего абсолютную скорость Vр1 для реакции (р, 11В); VВ – абсолютная скорость иона (атома) 11В. При этом условие получения термоядерной реакции: Vdoт Vdо ; V V poт ро (5.4) где Vdo – оптимальная скорость d для получения максимального сечения реакций (d, t) или (d, 3Не), получаемая для варианта с Vdoт Vdо , и Vt = Vне = 0 (тяжелая частица неподвижна); Vро – оптимальная скорость р для получения максимального сечения реакции (р,11В), получаемая для варианта с V poт V ро и VВ = 0 (тяжелая частица неподвижна). Для сравнения параметров частиц в различных реакциях и для 2 способов подачи – общей смесью и порциями с импульсным дополнительным полем (3-кратное увеличение силы ускорения легких атомов), сведем их (опуская арифметические выкладки) в таблицу 5.1. Таким образом, наиболее простое ускорение (и система подачи) в общей смеси компонентов имеет хорошее соотношение энергии ускоренных атомов к выделяемой энергии реакций для реакции (р, 11В) и удовлетворительное (~ 2 Мэв при энерговыделении реак131 ции 17,6 Мэв) для реакции (d, t), и явно неудовлетворительное для реакции (d, 3Не). Таблица 5.1 Реакция синтеза Параметр Vdo км/с Тdo Vto Vd кэв км/с км/с Тd кэв Vt км/с 10800 1170 7200 (d, t) 3600 130 Vdo км/с 0 4630 212 1030 Тdo Vне Vd кэв км/с км/с Тd кэв Vне км/с 20550 4230 13700 (d, Не) 3 6850 470 Vрo км/с 0 8810 777 1960 7900 Трo VВ Vр кэв км/с км/с 625 Тр кэв 1050 VВ км/с 12760 817 1160 11960 717 360 (р, 11В) 11600 675 0 Тt вариант способа кэв ускорения общей смесью 780 компонентов порциями с импульс16 ным дополнительным полем Тне вариант способа кэв ускорения общей смесью 2820 компонентов порциями с импульс58 ным дополнительным полем 16,6 дипольные молекулы ТВ вариант способа кэв ускорения общей смесью 74 компонентов порциями с импульс7,1 ным дополнительным полем Более сложный вариант ускорения с подачей компонентов порциями и наложением импульсного дополнительного ускоряющего поля обеспечивает более высокие соотношения энергий, при этом становятся выгодными все реакции, включая и (d, 3Не). Большой интерес, особенно для реакции (d,3Не), представляет 3-й способ ускорения наноструек, с общей смесью компонентов (с простой системой подачи), в виде ускорения диполей, поляризованных молекул 2Н и 3Не. Поляризация – упорядоченное смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля (положительные заряды смещаются по направлению вектора напряженности поля Е, а отрицательные – против него). В результате поляризации каждая молекула становится электрическим диполем, при этом в молекуле индуцируется электрический момент. Причем жидкие водород и гелий имеют достаточно высокую диэлектрическую проницаемость (молекулы сильно реагируют на электрическое поле), составляющую для 2Н εв ≈ 1,28 [161] и для 3Не имеем εre ≈ 1,035 [162]. В результате поляризации индуцируется электрический момент 132 р = ql = αЕ ; (5.5) где Е – напряженность электрического поля; α – поляризуемость частицы [82]. Используя известные физические зависимости поляризации Р от р и N – числа поляризованных частиц в единице объема, а также зависимость диэлектрической проницаемости ε0 [82], объединяя их, получаем оценку параметров в виде зависимости: N в рв N E 0,28 0 0 ; (5.6) N re рr N 0,035 0 0 E отсюда при одинаковом электрическом поле Е возникающий электрический диполь водорода рв имеет момент в ~ 8 раз (соотношение рв к рr) больше, чем на диполь 3Не. Однако известно, что в неоднородном электрическом поле сила воздействия на электрический диполь E ; (5.7) Fp x где Е х – градиент электрического поля [82]. И учитывая еще и большую массу 3Не – в 1,5 раза, это значит, что диполь 2Н будет ускоряться в ~ 8·1,5 = 12 раз быстрее, чем диполь 3Не. Учитывая несовершенство таких процессов и грубый оценочный характер такого расчета, примем среднее увеличение ускорения 2Н в ~ 7,5 раз (то есть, в реальности это увеличение составит 7,5±4 раз), и этот вариант ускорения диполей для реакции (d, 3Не) приведен в таблице 5.1 как вариант «дипольные молекулы». Здесь общая сумма энергий ускоренных молекул ~ 642 кэв и намного меньше энерговыделения реакции в 18,4 Мэв, что делает выгодным такое ускорение. Однако отметим и другой исключительно важный фактор. Для точечных диполей, дипольные моменты р1 и р2 которых направлены вдоль соединяющей их прямой, имеется сила взаимодействия F 6 p1 p2 / r 4 ; (5.8) где r – расстояние между диполями. При этом диполи притягиваются, если они обращены друг к другу противоположно зараженными концами, и отталкиваются в противном случае [82]. Кроме того, диполь в целом нейтральная частица, поэтому и на дальних расстояниях нет отталкивания, нет кулоновского барьера, который составляет порядка ~ 200 кэв (сейчас термоядерные реакции с температурой ~ 10 кэв происходят лишь благодаря туннельному эффекту, просачиванию частиц под кулоновским барьером). А это значит, что для диполей при реакции (d, 3Не) вместо Тdo ≈ 470 кэв 133 можно уменьшить энергию до Т do/ ~ 270 кэв, с Vdo/ ≈ 5190 км/с, и для / получения относительной скорости Vdoт ≈ Vdo/ общая сумма энергий ускоренных дипольных частиц составит ~ 370 кэв, что делает очень интересным дипольное ускорение. Собственно ускорение диполей, молекул осуществляют системой электромагнитных полей, как это делается в проекте термоядерного реактора на основе диполей [137]. Большой интерес представляет способ и устройство для ускорения диполей, которые предложил американский изобретатель J. Cox [163], причем им был проведен многолетний этап разработок и опубликован ряд статей, и, по его оценкам, наибольшая эффективность ускорения диполей обеспечивается именно при низкой, криогенной температуре ускоряемого вещества. И применительно к наноструйкам необходимо лишь обеспечить вращение молекул с нанометрическим радиусом вокруг магнитной силовой линии, вдоль которой движется поток компонента (необходим экспериментальный подбор сочетания параметров полей). Заметим, что на электрический диполь в неоднородном электрическом поле действует сила, стремящаяся втянуть диполь в область более сильного поля, и, например, это используют в источниках молекулярных пучков для воздействия на траекторию пучка. Поэтому принципиально возможно для наноструек использовать для ускорения непосредственно неоднородное поле. Понятно, что ускорение таких поляризованных молекул значительно менее эффективно, чем ускорение заряженных частиц. Однако здесь требуется ускорение молекул до 10 1000 кэв, и существующие системы даже электростатическим полем могут обеспечить такую энергию. Заметим, что зависимость (5.8) делает интересным наложение небольшого электрического поля на всю зону прохождения реакций (зону горения), причем именно с целью получения нужной ориентации диполей и обеспечения притяжения диполей. Здесь электрическое поле в зоне реакций от системы электродов (источник дополнительного поля) заставляет молекулы 2Н и 3Н двигаться вперед именно ионами, вынуждая электроны (их область траектории) смещаться назад, прятаться в «тень» иона от электрического поля, которое отталкивает электроны, и лишь электрическое поле иона удерживает электрон. И при движении быстрого диполя 2Н, нагоняющего медленный диполь 3Не, взаимодействие между диполями идет между ионом диполя 2Н и электроном диполя 3 Не, то есть диполи притягиваются друг к другу. Это приводит, фактически, к увеличению сечения взаимодействия этих частиц. Более того, это должно снизить и необходимую энергию частиц для 134 обеспечения реакции (d, 3Не). Естественно, это относится и к другим реакциям в случае дипольного ускорения, типа (d, t) или (р, 11В). Это фактор – большое достоинство и преимущество такого способа ускорения частиц для УТС. Для единичной струйки, в которой проходят реакции, имеем: q = n1·n2· ; (5.9) где q – число реакций, происходящих в единице объема за единицу времени; – среднее значение для данной температуры; n1 = nd, концентрация дейтерия: n2 – концентрация ³Не или ³Н. Для идеального варианта за произвольное время t при полном осуществлении термоядерных реакций имеем: qt = nd·n2· t = n2; (5.10) и учитывая дороговизну ³Не или ³Н, и необходимость их максимально полного использования, принимаем избыток дейтерия в 20%, то есть nd 1,2 n2 ; (5.11) отсюда получаем 1 n 2 t ; (5.12) 1 , 2 n d t И например, для реакции (d, t) при относительной скорости Vdo ~ 3600 км/с ~1,5·10-15 см³с-1 имеем nt ≈ 0,6661015/t, а для реакции (d, 3Не) при Vdo ~ 6850 км/с величина ~ 5·10-16 см³с-1 [103], тогда имеем nне ≈ 2·1015/t. Согласно таблице 5,1, для дейтерия с Vd ~ 10800 км/с и Тd ~ 1170 кэв, для выбранной длины зоны горения – эффективного взаимодействия d – t реакций Lэф = 10 м время осуществления реакций в этой зоне горения t Lэф Vd (5.13) -6 и для (d, t) имеем t ~ 10 с. Для реакции (d, 3Не), именно для дипольного ускорения имеем оценку Vd ≈ 7900 км/с и t ≈ 1,2·10-6 с. Тогда для реакции (d, t) имеем по (5.12) концентрации nt ≈ 6,6·1020 см-3 = 6,6·1026 м-3 и nd = 8·1020 см-3 = 8·1026 м-3, при общей концентрации nз = (nt + nd) ≈ 1,5·1021 см-3 = 1,5·1027 м-3. Для реакции (d, 3Не) имеем nне ≈ 1,8·1021 см-3 = 1,8·1027 м-3 и nd = 2,1·1021 см-3 = 2,1·1027 м-3, и общая концентрация nз ≈ 4·1021 см-3 = = 4·1027 м-3. При концентрации молекул жидкости nс ~ 2·1022 см-3 = 135 = 2·1028 м-3 это означает, что для реакции (d, t) запас по концентрации nс/nз равен ~ 13, и, например, можно говорить о допустимом увеличении площади диаметра плазменной наноструйки в вакууме в ~ 13 раз. Для реакции (d, 3Не) запас по концентрации nс/nз равен 5, то есть реально для дипольного ускорения молекул холодной жидкости. Таким образом, параметры наноструйки вполне обеспечивают прохождение реакций (d, t) или (d, 3Не), (а также (р, 11В) на длине ~ 10 м, а в случае необходимости возможно и увеличение длины зоны горения Lэф до 20…50 м (как в известных проектах). Здесь расход 1 наноструйки mс1 ~ 10-14 кг/с, что соответствует расходу ~ 5·1011 молекул 3Не или 3Н и 6·1011 молекул 2Н, при этом в идеальном варианте выделяемая мощность в стационарном режиме работы составляет ~ 1,5 Дж/с = 1,5 Вт на 1 наноструйку. И учитывая разброс параметров расхода жидкости через наноотверстие, можно оценить энерговыделение в одной наноструйке 2Н – 3Не или 2 Н – 3Н величиной 1…2 Вт. Для получения мощности 1 МВт необходимое число наноструек составит ~ 106 отверстий, а для мощности 1 ГВт необходимо ~ 109 отверстий, что вполне реально. Отметим, что 109 с dc = 1 нм имеют общую площадь отверстий ~ 8·10-10 м², что эквивалентно одному отверстии с диаметром ~ 3,1·10-5 м. Такой реактор представляет собой сочетание большого числа наноструек и множества частиц от термоядерных реакций, движущихся в магнитном поле по винтовым траекториям. В первом приближении можно считать распределение энергии частиц примерно равномерным в пространстве и по площади. Тогда для 109 отверстий с dс = 1 нм общая площадь отверстий составит 8·10-10 м², и даже с учетом расплывания в пространстве общая площадь наноструек до 10-9 – 10-7 м². Значит, если принять радиус реактора равным 2 м и площадь ~ 12,5 м², то соотношение площадей плазмы частиц и наноструек равно 10-9–10-7/12 ≈ 10-10–10-8. То есть, наноструйки получат от частиц ~ 10-10–10-8 от энергии плазмы частиц, и для 1 ГВт это соответствует энергии ~ 0,01–10 Вт. Уровень такой энергии соответствует небольшому нагреву жидкости, то есть жидкое холодное состояние наноструйки сохранится практически на всей длине реактора, до конца зоны горения термоядерного топлива. Впрочем, в случае необходимости для уменьшения подвода энергии к наноструйкам возможно и дальнейшее увеличение радиуса реактора. Поток термоядерных частиц, образовавшихся при термоядерных реакциях, а также остатки непрореагировавших ионов и молекул из зоны горения истекают в зону сброса частиц. При этом энергия истекающих частиц может использоваться непосредственно в двигателях, тогда частицы истекают сразу в 136 космос, создавая силу тяги на реактор. Однако возможен и вариант энергетического реактора, в котором частицы в зоне сброса попадают, например, на дно реактора, на горячую стенку, нагревая ее, для последующего использования тепловой энергии – преобразование в электрическую энергию и т.д. Отметим, что в реакторе в зоне горения используют однородное магнитное поле, которое в зоне сброса частиц резко падает (магнитные силовые линии расширяются в пространстве), то есть имеем магнитное сопло, градиент поля, которое не позволяет основной массе частиц из зоны сброса попадать назад в зону горения. В принципе, в дальнейшем, вполне физически и технически реально создание прямого преобразования энергии плазмы в зоне сброса в электрическую энергию, аналогично известному магнитоплазменному электрическому генератору. Подчеркнем, что возможно использование и традиционной схемы со встречными пучками, использующей наноструйки. Такая схема позволяет использовать более низкие энергии, чем в реакторе с единой наноструйкой из смеси компонентов по схеме на рис. 5.1 (подробно рассмотренной выше), соответствующие энергиям Vdo и Tdo в таблице 5.1, и обеспечить более высокие энергетические характеристики реактора. Однако при этом резко возрастают технологические трудности. И прежде всего – необходимость строго стабильного в пространстве и времени постоянного магнитного поля в объеме между мембранами 1-го и 2-го компонентов. Главная проблема – каждая пара наноструек 1-го и 2-го компонентов должна находиться строго на одной магнитной силовой линии между наноотверстиями мембран 1-го и 2-го компонентов. В принципе это достижимо, например, при использовании для получения наноотверстий тяжелых заряженных частиц (одна частица – одно отверстие), которые последовательно пропускают через обе тонкие мембраны по одной магнитной силовой линии. Все это возможно, но очень-очень сложно технологически. Рассматривая собственно термоядерный двигатель, отметим, что схема реактора для единых наноструек из смеси изотопов более удобна для применения в двигателях, чем реакторы со встречными наноструйками. Отметим и такой факт, что для реактора с едиными наноструйками из смеси изотопов, собственно нет потерь энергии в двигателе, так как ускоренные ионы или молекулы наноструйки создают силу тяги, как и в обычных ионных и плазменных ЭРД. И здесь термоядерные реакции в зоне горения позволяют лишь значительно увеличить энергию и силу тяги струи из двигателя. Подчеркнем очень важное достоинство реактора с едиными наноструйками, которое заключается в том, что частицы 2Н (ионы, молекулы) ускоряются и затем движутся только в одну сторону, поэтому разница скоростей частиц 2Н ничтожна и практически невозможно па137 раллельное прохождение реакций (d, d). Поэтому для реакций (d, 3Не) возможно получение именно «чистых» реакций, с ничтожными следами реакции (d, d). А это позволяет резко, на порядок и больше, снизить массу радиационной защиты реактора. Для варианта единичной наноструйки с дипольным ускорением молекул (2Н, 3Не) с расходом mс1 ~ 1,5·10-14 кг/с, при скорости Vd ~ 7900 и Vне ~ 1050 км/с имеем силу тяги Fн1 ≈ 0,44mс1·Vd + + 0,56·mc1·Vне ≈ 6,1·10-8 Н. Итак, единичная наноструйка из смеси ускоренных молекул 2Н и 3Не (молекул 2Н на 20% больше, избыток) создала бы силу тяги Fн1 ~ 610-8 Н, и для 109 наноотверстий Fн ~ 60 Н. Для термоядерной реакции (d, 3Не) получаем частицы 4Не с энергией 3,6 Мэв и скоростью Vтне ~ 1,3107 м/с и протоны р с энергией 14,7 Мэв и скоростью Vтр ~ 5,3·107 м/с. Тогда при полном использовании молекул ³Не имеем идеальную силу тяги Fт1и m( 4Не) Vт не m( Н ) Vт р m( 2Н ) Vd ; (5.14) где m(4Не) – масса 4Не, равная для примера ~ 1,12·10-14 кг/с; m(Н) – масса протонов, равная для примера ~ 0,28·10-14 кг/с; m(2Н) – масса дейтерия (избыток в наноструйке). Тогда для примера с данными параметрами имеем Fт1и ≈ ≈ 14,4·10-8 Н + 14,7·10-8 Н + 0,87·10-8 Н ≈ 30·10-8 Н. А для 109 наноотверстий, при мощности ~ 1 ГВт, сила тяги составит ~ 300 Н. Таким образом, благодаря осуществлению термоядерных реакций сила тяги увеличивается в ~ 5 раз, а энергия потока частиц в 20–25 раз. В реальности термоядерные частицы движутся по винтовым линиям, поэтому нет строгой параллельности вектора скорости частиц относительно оси зоны горения при их вылете в зону сброса частиц, поэтому в реальности сила тяги увеличится лишь в 3–4 раза (энергия – в 20–25 раз). Схема термоядерного двигателя с непосредственным использованием энергии частиц представлена на рис. 5.2. Рис. 5.2. Схема термоядерного двигателя 1 – хранилище термоядерного топлива; 2 – система подачи топлива; 3 – ускоритель; 4 – источник энергии; 5 – множество нанопучков; 6 – реактор; 7 – магнит; 8 – магнитные силовые линии; 9 – зона сброса частиц Здесь источник электроэнергии обеспечивает ускорение нано138 струек из смеси изотопов в ТЯР, и истекающий из зоны горения в зону сброса поток высокоскоростных частиц создает силу тяги, для реакции (d, 3Не) ~ 200–250 Н на 1 ГВт мощности термоядерных реакций, при мощности источника электроэнергии ~ 40–50 МВт. Однако такой высокоскоростной поток не является оптимальным для большинства полетов КА внутри Солнечной системы. Поэтому для перехода к оптимальным – более низким – скоростям истечения необходимо использовать другие схемы двигателей. И наиболее просто использование традиционной схемы двигателя, в котором ТЯР используется как источник тепловой энергии, которую преобразуют в электрическую (в магнитоплазменном генераторе или другим способом). И затем полученную электроэнергию подают на ЭРД, плазменный или ионный, который и создает силу тяги с оптимальной скоростью истечения рабочего тела. Возможна и другая схема двигателя, приведенная на рис. 5.3 (включающая как один из вариантов – и электрический генератор энергии) [164]: Рис. 5.3. Схема термоядерного двигателя 1 – хранилище термоядерного топлива; 2 – система подачи топлива; 3 – бак с рабочим телом; 4 – система подачи рабочего тела; 5 – источник энергии; 6 – ускоритель; 7 – множество нанопучков; 8 – реактор; 9 – магнитные силовые линии; 10 – магнитная система; 11 – тепловая камера нагрева; 12 – плазма; 13 – генератор электроэнергии; 14 – магнитное сопло При этом необходимое условие увеличения силы тяги – переход кинетической энергии потока заряженных частиц в тепловую энергию высокотемпературной плазмы и затем повторный переход энергии в кинетическую энергию истекающей плазмы. И в этой схеме двигателя в тепловую камеру нагрева подают поток холодного рабочего тела (водород, гелий), и налетающий на него из реактора поток заряженных частиц тормозится, передавая свою кинетическую энергию рабочему телу, нагревая его до температуры 105–108 К, в зависимости от массы подаваемого рабочего тела и соотношения с массой потока частиц. После этого плазма рабочего тела (с добавкой потока частиц) истекает из двигателя с помощью магнитного поля (магнитное поле внутри камеры нагрева плюс 139 магнитное сопло), со скоростью 50–1000 км/с, в зависимости от получаемой температуры плазмы. При этом в первом приближении оценка силы тяги такого плазменного двигателя R21 Fт1и V1т V2 n ; (5.15) V F m 1т т1и с1 7 где V1т ≈ 2·10 м/с, средняя эквивалентная скорость потока термоядерных частиц наноструйки; V2n – скорость истечения плазмы, равная 50–1000 км/с; Fт1и ≈ 30·10-8 Н, сила тяги наноструйки при расходе mс1. Тогда сила тяги плазменного двигателя на 1 наноструйку со/ // / 60 10 7 Н при 1,2 10 4 Н при V2 n 50 км/с и до R21 ставит от R21 V2//n 10 3 км/с. При мощности 1 ГВт это соответствует диапазону силы тяги от ~105 Н до 6000 Н при изменении V2 n 50 1000 км/с. Такой плазменный двигатель, с регулируемой скоростью истечения рабочего тела, обеспечивает оптимальные скорости рабочего тела для абсолютного большинства полетов КА, начиная от полетов к Луне и кончая скоростными полетами к дальним планетам. В заключение заметим, что создание работоспособного термоядерного реактора и на его основе – двигателя, задача весьма сложная, хотя и весьма соблазнительная. И если предлагаемая экзотическая концепция наноструйного реактора поможет созданию термоядерных реактора и двигателя, то это будет великолепно. Если эта концепция окажется лишь шагом в долгой истории идей по созданию термоядерных устройств, то что же, такова жизнь. Однако, несомненно, затянувшуюся на долгие десятилетия эпопею с термоядерными устройствами надо как-то завершить. Космонавтика не может ждать и еще долгие десятилетия надеяться только на появление легкого и мощного термоядерного двигателя. Или в ближайшие годы выяснится четкая и однозначная перспектива быстрого создания легкого двигателя, или, согласно пословице «лучше синица в руке, чем журавль в небе», просто забыть (на несколько десятков лет) об этом типе двигателя и сосредоточить усилия на полностью реальных различных двигателях на основе ядерных реакторов деления, например, традиционных типов [165], [1], [2], или нетрадиционных ЯРД, типа [150]. И лишь когда термоядерные реакторы из энергетики по мере усовершенствования смогут устанавливаться на земных мощных морских кораблях, можно будет вернуться к вопросу о создании термоядерного двигателя для космической техники. 140 Глава 6 ДВИГАТЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ 6.1. Двигатели Коротко рассмотрим проекты двигателей с рабочим телом, имеющим большую энергию. Давно и широко известны проекты двигателей на основе аннигиляции «протон – антипротон», работающие на основе источников продуктов аннигиляции, движущихся со световой скоростью, называемые обычно фотонными двигателями [166], [34]. Однако, оценивая их с точки зрения совершенства рабочего процесса двигателя, отметим их существенные недостатки. Так, в создании силы тяги участвует только осевая составляющая скорости истечения (обычно совпадающая с вектором ускорения КА), поэтому для двигателей и существует коэффициент потерь на непараллельность вектора скорости истечения φнеп потока рабочего тела из сопла, согласно зависимости (4.6), и например, для ЖРД с профилированным соплом Лаваля φнеп ≈ 0,99 [30]. Однако для хаотического процесса аннигиляции и случайного характера вектора скорости при испускании заряженных частиц или квантов света φнеп ≈ 0,33 0,5. При этом даже ввод магнитного сопла не спасет положение, так как попадающие в магнитное поле хаотически движущиеся частицы будут двигаться по случайным винтовым линиям, и нужно буквально техническое «чудо», чтобы хоть как-то улучшить такую ситуацию. То же относится и к проекту с потоком световых квантов, где самая совершенная конструкция зеркала не позволить получить высокий φнеп для хаотичного движения квантов. Кроме того, при попытке осуществления аннигиляции между сколько-нибудь плотными струйками антивещества в космическом вакууме, реакция аннигиляции, начавшись на соприкасающихся поверхностях, приведет к мгновенному разбрасыванию остальной части топлива, поэтому антивещество должно подаваться в весьма разреженном состоянии с плотностью порядка 10-7 кг/м³ [166]. А для таких условий до 50% энергии аннигиляции достается нейтрино, которое практически невозможно использовать, то есть коэффициент использования энергии аннигиляции φа не превышает 50%. И с учетом лишь только φнеп и φа получаем эффективность двигателя φД ~ ~ φнеп φа ~ 0,25 = 25%. И это без учета других потерь – на разбрасывание и разбрызгивание антивещества при аннигиляции, его неполное использование и другие потери. Значит, в данных проектах, не141 смотря на их внешнюю привлекательность и простоту, абсолютная часть антивещества используется неэффективно. Однако доля энергии нейтрино может быть уменьшена за счет организации аннигиляции в плотной среде, где заряженные пионы успевают затормозиться до распада, а их тормозной пробег становится равным распадному пробегу пиона (~ 20 м) при плотности среды ~ 5·10 -5 кг/м³. И при аннигиляции в такой достаточно плотной среде возможно осуществить условия, в которых нейтрино унесут ~ 9% энергии, а остальные ~ 90% можно удержать в этой среде, расположенной в какой-либо технической установке [167]. Отсюда возникает интерес к обычной традиционной схеме двигателя, включающей источник электрической энергии (в котором источник тепла – аннигиляция), питающая энергией ЭРД, и истекающий из ЭРД поток ионов ускоряет КА. При этом используют супермощный магнитоплазменный электрический генератор (можно – с несколькими ступенями преобразования), в котором нагрев осуществляют за счет реакции аннигиляции с φа ~ 0,9 = 90%, а сама эффективность получения электричества составляет φэ ≈ 70 80%. Эффективность ускорения ионов φи в ЭРД достигает 90% (естественно, высокотемпературные сверхпроводники и другие конструкции для повышения эффективности), при этом величина φнеп ≈ 0,95 – 0,99. Значит, традиционная схема дает эффективность двигателя и использования антивещества φДТ ≈ φа·φэ·φи ≈ 0,6 − 0,63 = = 60−63%. Таким образом, традиционная схема более эффективна в 3 4 раза, чем проекты с непосредственным истечением продуктов аннигиляции или квантов света. И при необходимости именно традиционная схема может быть положена в основу двигателей на антивеществе для межзвездных полетов. Безусловно, здесь возникает естественный вопрос: что проще и дешевле? – изготовить в ~ 3 раза больше антивещества и запасти его на борту КА при относительно простом аннигиляционном двигателе, или создать мощнейший и достаточно легкий электрогенератор для преобразования энергии аннигиляции при относительно небольшой запасаемой массе антивеществ на борту КА? Интересный вопрос, но решать его не нам, и не в 21 веке, а жизнь покажет. Сейчас, на начальном этапе разработки и создания аннигиляционных двигателей представляет большой интерес использование электрон-позитронной аннигиляции в качестве источника энергии. Ряд проектов, в том числе с различными типами тепловых двигателей, на основе такой аннигиляции подробно рассмотрен в [150]. 142 Однако для перспективных высокоскоростных КА надо использовать не простые ионные двигатели, а релятивистские ионные ЭРД (РИ ЭРД) с энергией протонов до 5 20 Гэв и более (при энергии покоя протона 0,938 Гэв). Это позволяет резко, в 5 20 раз уменьшить запасаемую на борту КА массу покоя рабочего тела, что уменьшает затраты энергии и массы антивещества на разгон запасаемого рабочего тела, и главным становится именно расход антивещества (вместе с аннигилируемым веществом) в энергоустановке. Такой РИ ЭРД представляет собой линейный ускоритель, естественно – сверхпроводящий, с оптимизацией режимов ускорения, с обеспечением минимального уровня потерь энергии. В принципе достижимы и более высокие энергии ионов – до 100–1000 Гэв, однако такие высокие энергии требуют кольцевых ускорителей, которые пока что имеют невысокие характеристики, более сложны конструктивно, более тяжелые, имеют меньшую энергетическую эффективность для ускорения ионов. РИ ЭРД оптимально использовать, как и аннигиляционные фотонные, только для высоких скоростей КА, более 10³ км/с. Интересным является и поиск возможностей для эффективного использования высокоскоростных ионных потоков: с энергией 1–10 Мэв, для обеспечения полетов КА с относительно невысокой скоростью полета. В качестве одного из вариантов повышения эффективности возможно использование известного принципа, аналогично известному многократному использованию электромагнитного излучения [18], например, поток ионов движется многократно, пульсирует между магнитными полями, магнитными зеркалами, образуемыми с помощью катушки, соленоида с радиусом распространения магнитного поля rn ~ 500–1000 км. При этом два таких соленоида ориентируются в пространстве относительно друг друга, из них один соленоид (катушка) – базовый – движется по высокой орбите (вне магнитного поля Земли) вокруг Земли, а другой – диффузор – размещен на ускоряемом КА. При этом поток ионов из двигателя КА или базовой катушки (размещенной на разгоняющей станции), движется многократно между магнитными полями, обеспечивая переход 30…50% энергии потока ионов в кинетическую энергию ускоряемого КА. Отметим, что идея релятивистского ионного ЭРД, как и далее рассматриваемая идея релятивистского аккумулятора энергии, были выдвинуты автором в 1980 г. в докладе «Перспективные методы ускорения космических аппаратов» на тематическом заседании «Космонавтика начала 21 столетия», проводившемся в рамках 15 чтений памяти К.Э. Циолковского в г. Калуге, однако этот доклад не был опубликован. 143 Интересным развитием этого принципа является использование в качестве базового поля магнитного полюса Земли. При этом КА выводится на суточную, геостационарную орбиту вокруг Земли и точно над магнитным полюсом Земли. После этого начинает работать ионный двигатель на КА или установленный на поверхности Земли в районе магнитного полюса мощный источник ионов, с энергией 1…100 Мэв. При этом такое магнитное поле Земли обеспечивает отражение ионов, как и сейчас оно это делает для отражения ионов, поступающих из космоса, а физика отражения ионов магнитным полем Земли достаточно проста [27], [47]. В перспективе можно представить такой старт и от других планет, обладающих мощным магнитным полем, таких, как Юпитер, Сатурн, и технология такого старта будет аналогична старту от магнитного полюса Земли. Отметим, что при старте в очень мощном поле Юпитера возможно использование и релятивистских ионов от РИ ЭРД. 6.2. Релятивистский аккумулятор энергии Релятивистский аккумулятор энергии (РАЭ) представляет собой систему из чередующихся замкнутых электронных и ионных колец – пучков, с релятивистской энергией электронов и ионов, имеющих самофокусировку и вращающихся в магнитном поле. Здесь в расчете на 1 кг запасаемая энергия релятивистских частиц определяется величиной γ (отношение энергии частиц в пучке к их энергии покоя), и например, для γ = 35 составляет для протонов величину Е13 ≈ 3,1·1018 Дж/кг, что соответствует аннигиляции ~ 35 кг антивещества и вещества. То есть, как ни странно на первый взгляд, однако процесс аннигиляции не является самым энергоемким в классической традиционной физике. И имеется более энергоемкий процесс – это релятивистские пучки ионов и электронов. Отметим, что и для РАЭ с запасаемой энергией Е З/ 31015 Дж достижимы полеты КА со скоростью 50–100 км/с, при этом запасаемая масса частиц до 10-3 кг = 1 г. Однако в настоящее время, для современного уровня техники, реально величина ЕЗ = 3·1014 Дж, что соответствует числу электронов и протонов Nез = Nрз = Nз = 5,97·1022. Такой РАЭ основан на известных идеях и конструкциях из ускорительной техники. Давно еще, например, Г.И. Будкером [168] была выдвинута и теоретически обоснована идея электронного кольца – стационарного состояния кольцевого пучка релятивистских электронов с при- 144 месью некоторого количества положительных ионов, достигаемое благодаря самофокусировке. Необходимое условие имеет вид: Nе > Ni > Ne/γ2 ; (6.1) где Nе – число электронов в кольце; Ni – число ионов; γ – отношение энергии электронов в пучке к энергии их покоя. При соблюдении условия (6.1) будет происходить самофокусировка, то есть сжатие сечения кольца до тех пор, пока существенное влияние на размеры сечения не станут оказывать квантовые флуктуации. Такое равновесие сил наступает при сечениях порядка микрона (образуется «будкеровское кольцо»). Физически явление самофокусировки пучка релятивистских частиц основано на использовании магнитной силы взаимодействия параллельно движущихся частиц с зарядом одного знака, существенно ослабляющей кулоновское расталкивание зарядов одного знака, и это ослабление происходит в γ² раз. И за счет добавления в пучок покоящихся частиц с противоположным знаком заряда силы кулоновского расталкивания могут быть не только скомпенсированы, но и поменять знак, то есть расталкивание превратится в стягивание пучка. Заметим, что и в общем случае для пучка из произвольных частиц необходимое условие имеет аналогичный вид N1 > N2 > N1/γ2·z ; (6.2) где z – заряд частиц. Здесь в случае N1 = Nе и N2 = Ni и z = 1 зависимость (6.2) переходит в (6.1). При этом стягивание такого кольца за счет сил самофокусировки прекращается только при сечениях кольца ~ 10-6 м ≈ 1 мкм [29]. Полученное таким способом состояние кольцевого тока является стационарным. Интересным применением такого электронного кольца является его использование для ускорения ионов. Подобный ускоритель был предложен в ОИЯИ (Дубна) в 1967 году, и затем там же и создан.[173]. Инжектором электронов служит индукционный линейный ускоритель, позволяющий получать относительно высокие импульсные токи электронов (несколько кА) с малым разбросом частиц по энергиям, что удобно для получения плотных сгустков. Инжекция и захват электронов на замкнутую орбиту происходят в магнитном поле адгезатора – адиабатического генератора заряженных тороидов. В адгезаторе формируется компактное кольцо электронов за счет адиабатического (медленного по сравнению с периодом обращения электронов) сжатия в растущем магнитном поле. Для конкретного ускорителя после сжатия в адгезаторе: Nе ≈ 1013, радиус 145 кольца R= 3 см = 0,03 м; γ = 35, при этом электрическое поле на границе кольца 106 В/см = 108 В/м. В этом состоянии источник нейтральных атомов (например, водорода) формирует их поток сквозь электронное кольцо. И электроны ионизируют проходящий сквозь кольцо газ, и образовавшиеся ионы автоматически попадают в потенциальную яму электронов. Оптимальное соотношение для числа протонов и электронов составляет 0,01, что для конкретного ускорителя с Nе = 1013 соответствует Ni = 1011. При этом все условия удержания выполнены, и дальше такой сгусток ускоряется во внешнем электрическом поле (точнее, ускоряются электроны, а ионы ускоряются и удерживаются полем электронного сгустка). Для РАЭ этап ускорения ионов электронным кольцом также нужен, но для РАЭ используется уже стационарный пучок уже ускоренных частиц, в том числе ионов внутри кольца. Таким образом, благодаря современной ускорительной технике, можно утверждать, что физически вполне обоснована и доказана экспериментально возможность получения замкнутых релятивистских колец из электронов, а теоретически – и из ионов. Отметим, что из известного прототипа ускорителя – электронного кольца, можно оценить плотность электронов на единицу длины кольца: nед N е 2πR ; (6.3) 13 и при Nе = 10 и длине кольца в ускорителе R = 0,03 м имеем величину nед = 5,3·1013 м-1. Энергия покоя электрона равна 0,511 Мэв, тогда плотность энергии электронов на единицу длины кольца Еед = nед · γ · 0,511 · 106 ; (6.4) и при γ = 35 имеем Еед ≈ 89,4·1019 эв/м ≈ 140 Дж/м. В случае варианта аналогичного кольца из ионов, протонов с z = 1 (такое же электрическое поле) при одинаковой плотности ионов на единицу длины кольца (с одинаковым радиусом кольца) nei = nед ≈ 5·1013 м-1, плотность энергии ионов на единицу длины при энергии покоя протона 938 Мэв имеем Еiд = nei · γ · 938·106 ; (6.5) 24 5 и при γ = 35 имеем Еiд = 1,64·10 эв ≈ 2,6·10 Дж/м. Сразу проверим минимальный радиус кривизны траектории, согласно [47], в магнитном поле Еi = 300 · Н · ρ (СГС) ; (6.6) 6 5 6 и при Еi = γ · 938·10 эв, Н = 10 э ≈ 8·10 А/м (соответствует В = 10 Тл) получаем радиус ρ ≈ 1,1·103см = 11 м. Тогда получаем энергию одного кольца 146 Еек Еед 2πR ; (6.7) Е Е 2 πR iд iк и принимая для примера радиус кольца для РАЭ R = 30 м, получаем величины Еiк = 4,9·107 Дж и Еек ≈ 2,6·104 Дж. Таким образом, в зависимости от требуемой запасаемой энергии в РАЭ, число колец ионов и электронов может иметь уровень до миллиона и более. Поэтому возникает естественное желание уменьшить число колец, что вполне достижимо за счет использования более мощных и совершенных источников частиц. Принципиальная схема РАЭ представлена на рис. 6.1 Рис. 6.1. Принципиальная схема РАЭ. 1 – электронное или ионное кольцо; 2 – магнитное поле; 3 – магнит; 4 – устройство для получения энергии; 5 – торцевой ограничитель Здесь множество электронных и ионных колец с самофокусировкой, чередующихся друг с другом, размещенных в магнитном поле сверхпроводникового магнита. Также имеется торцевой ограничитель – силовой элемент, не позволяющий крайнему кольцу вылететь из магнитного поля (под действием силы отталкивания от другого кольца), а в целом – удерживает систему колец в магнитном поле в определенном месте и объеме. И наиболее простая конструкция – металлическая плоскость (для экранирования от конструкции КА) с диэлектрическим покрытием, имеющим электростатический заряд, причем этот заряд имеет тот же знак, что и частицы крайнего кольца. Причем торцевые ограничители на обоих концах магнита соединены силовыми элементами, типа штанг, воспринимающих силы от крайних колец на торцевые ограничители (возникает сила растяжения на штанги) и удерживающие эти торцевые ограничители в необходимом положении. При этом каждое кольцо в силу отталкивания токов (компенсирующих кулоновское притяжение ионов и электронов в соседних кольцах) находится в равновесии между соседними кольцами. Также имеется устройство для получения энергии, которое воспринимает энергию от колец и преобразует эту энергию в электричество, которое подается потребителю, например, ЭРД. Учитывая начальный этап рассмотрения РАЭ, пока бессмысленно подробно рассматривать физику и конструкцию такого устройства для получения энергии 147 (собственно, она достаточно проста, учитывая, что кольцо – это мощнейший ток заряженных частиц). Из проблем РАЭ, которые необходимо решать, отметим проблему радиуса электронного кольца. Суть в том, что надо иметь большой радиус кольца электронов, и оптимально – кольца электронов и ионов должны иметь примерно одинаковый радиус. Однако при одинаковом радиусе колец и одинаковой величине γ (в примере γ ≈ 35) для удержания и поворота электронов требуется магнитное поле в ~ 1800 раз меньше, чем для кольца ионов. То есть, необходимо обеспечить резкое ослабление магнитного поля РАЭ на сравнительно небольшом расстоянии, например, радиус кольца ионов – 30 м, а радиус кольца электронов – 27…29 м, или наоборот (больше, чем у ионов) – 31…35 м. Также отметим, что внутри кольца электронов имеются протоны, порядка 1% и более от числа электронов, а в силу значительно большей массы протоны в целом могут иметь больше энергии, в 10…100 раз, чем сами электроны. И движение такого кольца электронов с внутренними высокоэнергетичными протонами имеет более сложный характер, в том числе по радиусу поворота и необходимому магнитному полю, – по сравнению с электронным кольцом с примесью протонов с низкой энергией. И все эти вопросы оптимизации параметров колец и магнитного поля необходимо исследовать теоретически и экспериментально. Схема получения РАЭ изображена на рис. 6.2. Рис. 6.2. Схема получения РАЭ 1 – электронное или ионное кольцо; 2 – магнит с магнитным полем; 3 – ускоритель ионов; 4 – источник ионов; 5 – накопительный элемент; 6 – стационарный источник питания; 7 – ускоритель электронов; 8 – источник электронов; 9 – накопительный элемент; 10 – адгезатор ионов; 11 – адгезатор электронов В настоящее время существует целый ряд мощных источников электронов. Например, создание линейного ускорителя на 10 Мэв со средней мощностью пучка до 200 кВт = 2105 Вт в корпорации РNС. Здесь клистроны обеспечивают выходную мощность 4,5 МВт в импульсном режиме, при импульсном токе 100 мА для длительности импульса 4 мс и частоте следования импульсов 50 Гц. Интересно использование и магниконов, также и реготрона, имеющие выходную мощность 5–10 МВт в непрерывном режиме. Есть и оригинальный проект электронного источника МАТРЕШКА, для получения 148 ВЧ-генератора большой мощности – до 500 МВт, и здесь электронный пучок ускоряется до 5 Мэв при токе до 200 А, причем габариты такой установки оцениваются как 15х22х12 м³. [150]. Появляются и новые интересные проекты. Для РАЭ очень перспективны импульсные сильноточные ускорители, электронные пушки с использованием взрывной электронной эмиссии с высокой плотностью тока, при этом импульс тока J ~ 104–107 А, при плотности тока 1010-1012 А/м². Для РАЭ оптимальная длительность импульса и 2R с ; (6.8) где R – радиус кольца в РАЭ; с ≈ 3·108 м/с, скорость релятивистских частиц, примерно равная скорости света. Тогда для выбранного примера с R = 30 м получаем τи = 6,3·10-7с ≈ ≈ 0,6 мкс. Тогда имеем верхний предел с J ≈ 107А при τи ≈ 0,6 мкс, при частоте импульсов 1 Гц (один импульс образует одно кольцо в РАЭ), и это соответствует числу электронов за импульс Nе = 3,75·1019. И при Nе3 ≈ 5,97·1022 общее число электронных колец Nк N к N е3 N е ; (6.9) имеем, что Nк ~ 1,6·10³. При этом, согласно (6.3), максимум nедм ≈ 2·1017 м-1, и согласно (6.4), получаем Еедм ≈ 3,6·1024 эв/м ≈ ≈ 5,7·105 Дж/м. Тогда, согласно (6.7), энергия одного электронного кольца Еек ≈ 108Дж. Таким образом, источники электронов обеспечивают высокие параметры РАЭ. Причем и линейные электронные ускорители имеют достаточно высокие характеристики, вполне удовлетворяющие РАЭ. И можно сделать вывод, что получение релятивистских пучков – колец электронов полностью соответствует современному уровню техники, хотя и потребует большого объема работы по разработке и экспериментальной доводке систем такой большой мощности. Значительно более сложные проблемы возникают при организации ионных релятивистских колец. Известны сильноточные импульсные ионные источники, с импульсным током ионов J ~ 1 МА и напряжением ~ 1 МВ, при эффективности источников 50–60% [173]. Отметим, что известны различные типы источников мощных ионных пучков, типа магнито - изолированных диодов, пинч-диоды и др. [104]. Они использовались для исследований по ионнопучковому инерциальному управляемому термоядерному синтезу, предусматривающему получение и фокусировку на термоядерной мишени нескольких десятков ионных пучков с суммарными мощностями порядка сотен ТВт (плотность энергии более 30 ТВт/см2) и 149 энергозапасом до десятков МДж. Например, ускоритель PFBA-1 представляет собой ускорительный комплекс, состоящий из 36 источников, каждый из которых работает на уровне мощности 1 ТВт и генерирует мощный ионный пучок с током 0,4 МА и напряжением 2 МВ, используемое для последующего облучения термоядерной мишени [104]. Кроме того, в рамках исследований по термоядерному синтезу предложена схема Астрон – использование ионных колец (из дейтронов) для взаимодействия с тритиевой мишенью, в частности, рассматривается вариант такого кольца: энергия протонов 100 Мэв, ток протонов – 46 МА, количество протонов – 2·1017; кинетическая энергия кольца – 3,2 МДж [104]. И в общем-то РАЭ – это увеличенный на несколько порядков вариант ионных колец для термоядерных установок, в которых главным является энергия самих накопленных ионов. При этом требование общей нейтральности РАЭ определяет и условие равенства разных по знаку заряда частиц – электронов и ионов. Причем оптимальное условие – каждое электронное или ионное кольца должны иметь примерно одинаковое число частиц в каждом кольце, что упрощает сохранение колец РАЭ. Действительно, принципиально можно сделать одно мощное электронное кольцо (на основе J ~ 107 А) и вокруг него ~10 ионных колец (на основе J ~ 106 А), однако динамика такой системы сложна (разница сил на ионные кольца в зависимости от расстояния от мощного электронного кольца). А возможность длительного равновесия менее очевидна, чем в случае одинаковых колец. Таким образом, более скромные параметры ионных источников ограничивают и параметры электронных источников. То есть, условие равенства импульсных токов (при одинаковом времени импульса) в ионном и электронных источниках ограничивает и электронные источники применением импульсного тока с уровнем ~ 106 А. И лишь по мере появления ионных источников на ~107 А можно будет использовать существующие электронные пушки на ~ 107 А. Таким образом, современный уровень источников на импульсный ток ~ 106А соответствует Nе = Nр = 3,75·1018, и для электронов параметры nед ≈ 2·1016м-1, Еед ≈ 5,7·104 Дж/м, и Еек ≈ 107Дж. А для ионов имеем nei ≈ 2·1016 м-1, Еiд ≈ 6,5·1026 эв ≈ 108 Дж/м, а Еiк ≈ 2·1010 Дж. Самые большие проблемы возникают при получении ионных релятивистских пучков. Большая энергия ионов, в рассматриваемом примере – протонов с энергией до 30–35 Гэв, резко усложняет систему создания РАЭ. При этом в ускорительной технике на такой уровень энергии 150 обычно используют синхрофазотрон (вплоть до энергии 500 ГэВ), который не рассчитан на мощные потоки протонов (собственно – они и созданы для проведения физических экспериментов), при этом для получения энергии ~ 30 Гэв диаметр установки до 200–260 м. Интересно и кольцо в ЦЕРНе со встречными протонпротонными пучками на энергию 2х25 Гэв, при токе протонов в кольце около 40 А. Интерес вызывают протонные резонансные линейные ускорители, прежде всего, мезонные фабрики или мезонные генераторы, например, в Лос-Аламосе (США), имеющие средний ток 500 мкА при энергии 800 Мэв (при длине ~ 800 м). Однако в целом выбор ускорителей невелик. И это вполне понятно, так как для экспериментов в ядерной физике, да и в других отраслях техники, просто не требуются такие мощные пучки ионов и ускорители. В сущности, мощный ускоритель для ионов – это самое узкое место в процессе получения РАЭ. И именно ускоритель для ионов определяет и ограничивает возможности создания РАЭ. Необходимость подвода большой энергии к большому току, например, все-таки приводит к мысли об отказе от кольцевого ускорителя – синхрофазотрона, пусть и самого эффективного и относительно простого в области высоких энергий ионов. И представляется, что необходим физический, конструкторский и изобретательский поиск решений, которые позволят создать протонные линейные ускорители до энергии 30–35 Гэв. То есть, существующие мезонные фабрики с мощным током и энергией до 800 Мэв должны стать работоспособными вплоть до энергии 30–35 Гэв. Такой протонный линейный ускоритель, с длиной до 5–15 км, должен иметь различные ступени для разгона протонов с различной энергией. При этом по длине ускорителя располагают накопительные элементы, вплоть до 10–100 штук, питающие энергией отдельные участки и ступени ускорителя ионов. Подчеркнем, что создание мощных ускорителей для ионов с физической точки зрения полностью реально, и речь идет лишь об увеличении масштабов (прежде всего, по энергии мощного пучка). Это потребует новых технических решений, изобретений, создания новых конструкций, но это именно вопрос техники, и больших денег. Заметим, что сейчас появилось новое направление в ядерной энергетике, называемое релятивистской тяжелоядерной или ЯРТ – энергетикой, в котором с помощью ускорителя получают поток релятивистских ионов и им бомбардируют уран – 238, сжигая его напрямую, не переводя в плутоний. Для этого требуются ускорители на большие потоки ионов и энергии. Возможно, по мере развития этого направления энергетики появятся мощные ускорители ионов, которые найдут применение и для РАЭ. 151 Безусловно, масса системы для получения РАЭ составит тысячи тонн. Однако сам РАЭ, который и будет состыковываться с ускоряемым КА, для энергии ЕЗ = 31014 Дж будет иметь массу на уровне 50–100 т, что вполне нормально. При этом возможны различные варианты, например, система для получения РАЭ располагается в космическом пространстве на высокой околоземной орите (это очень перспективно с точки зрения развития космической техники), а в качестве источника энергии выступает мощная атомная (в перспективе – термоядерная) или солнечная электростанция, мощностью 1–10 ГВТ. В принципе возможно размещение системы для получения РАЭ на поверхности Земли с ее энергопитанием от земной энергосистемы, что резко снижает затраты на создание такой системы, однако при этом возникают сложности с транспортировкой РАЭ на околоземную орбиту (нужно использовать объемный высотный аэростат или дирижабль для подъема на высоту 20–30 км, а затем постепенное ускорение крупного РАЭ, то есть это достаточно сложно). С учетом энергопитания системы электрической мощностью ~ 1 ГВт, можно также оценить параметры системы и самого РАЭ. Так, для эффективности использования энергии ηэ = 30% мощность, передаваемая ускоренным ионам, составит 0,3 ГВт = 3108 Вт (ηэ = 30%, принимаемая средняя величина, в реальности возможно ηэ от 1 2% до 50–60%). При Jи ~ 106 А с числом протонов в кольце Nр ≈ 3,751018 энергия одного кольца Еiк ≈ 21010 Дж. Таким образом, при мощности ~ 1 ГВт требуется примерно ~ 67 сек для накопления энергии в накопительных элементах, после чего следует импульс, с τи ~ 0,6 мкс, с последующим получением импульса протонов с ~ Nр и ускорением, а затем организацией одного ионного кольца. Для электронных колец энергия в ~ 1840 раз меньше, что резко облегчает и упрощает получение электронных колец. Для получения энергии Е3 = 31014 Дж необходимое число колец Nк = 1,5104, и для их получения необходимое время ~ 106 с ≈ 11,6 сут. При использовании более мощной электростанции, например, на основе известного проекта солнечной электростанции с мощностью 10 ГВт [174], время накопления энергии для каждого импульса уменьшится до ~ 6,7 с, с временем получения РАЭ до 105 с ≈ 1,26 сут. Параметры РАЭ определяются и излучением частиц, при этом мощность излучения Р определяется известной зависимостью 2 се 2 Р 2 3 R где с – скорость света; 152 4 Е 2 е 2с 4 2 2 3 R m с о ; (6.10) е – электрический заряд частиц; Е – энергия частицы; R – радиус орбиты; mос2 – энергия покоя частицы; γ – релятивистский фактор (приведенная энергия). Здесь видна определяющая роль синхротронного излучения для пучка электронов, при сравнительно небольшом излучении протонов и ионов [175]. Эта общая зависимость применительно к электронам записывается по известной формуле через потери энергии электрона за оборот ∆Роб [176] Ее4 Роб 88 ; (кэВ) ; (6.11) R где Ее – энергия электронов, Гэв; R – радиус орбиты электрона, м. Тогда за единицу времени один пучок кольцо электронов излучает полную мощность Рn [178]: с Рn Роб N е ; (6.12) 2R где Nе – число электронов в пучке. Для выбранных параметров одного электронного пучка с γ = 35 и Ее = 17,9 Мэв, R = 30 м, получаем ∆Роб = 310-7 кэв, и для варианта с Nе = 1 получаем излучение за 1 сек одним электроном Рn1 ≈ 480 эв/с, тогда в грубом первом приближении время излучения электроном запасаемой энергии Ее (без учета переменного во времени Ее): Е изл е ; (6.13) Рn1 отсюда имеем τизл ~ 3,7104 с ~ 10 час. Однако протоны также излучают, и при длительном хранении частиц этим излучением нельзя пренебречь, при этом согласно зависимости (6.10), излучение зависит от γ и не зависит прямо от массы протона, поэтому излучение протона ∆Робпр примерно равно излучению электрона, то есть ∆Робпр ≈ ∆Роб ≈ 310-7 кэв, а полная мощность соответственно и для протона Рn пр 1 ~ 480 эв/с. Отсюда получаем, аналогично и согласно (6.13), что для протона с Еn = 35 Гэв и γ = 35, приближенное грубое значение времени излучения протоном запасаемой энергии τизл пр ≈ 7,3107 с ≈ 2,4 года. Таким образом, излучение протонов ограничивает ресурс работы РАЭ (для выбранных параметров γ и R) временем Траб ≈ 1÷1,5 года, что вполне удовлетворяет требованиям к полетам КА со сравнительно высокой скоростью. 153 Более сложной и неприятной проблемой является излучение электронов. Энергия одного электронного кольца Еек≈107Дж, при энергии одного протонного кольца Еiк = 21010 Дж. И для времени τ = 3107с излученная энергия составит Еизл1 = Рnτ = 1,441010 эв ≈ 2,310-9 Дж, а для числа электронов одного кольца Nе = 3,751018 это соответствует излучению за 1 год Еизл1N ≈ 8,6109 Дж, что составляет до 43% от энергии протонного кольца. И эту проблему необходимо решать, если требуется уменьшить излучение электронных колец. Один из вариантов решения данной проблемы – это само электронное кольцо. При этом необходимо более внимательно отнестись к ионной составляющей в электронном кольце, которая предназначена для обеспечения условия удержания кольца. Ионы в электронном кольце составляют оптимально до 1% от числа электронов, однако вполне можно достичь и уровня числа протонов до 10%. При этом в силу значительно большей массы протонов при примерно одинаковой скорости частиц (протоны ускоряются в электронном кольце) энергия протонной составляющей до 10–150 раз больше энергии самих электронов. И этой энергии протонов в самом электронном кольце достаточно для обеспечения τизл до ~ 106 – 5106 с ≈ 10 60 сут. Однако самый простой вариант – это переход на более низкую энергию электронов с одновременным повышением доли протонов до 10–30% от числа электронов в кольце. При этом снижение γ для электронов с γе ≈ 35 до γе ≈ 17,5 согласно зависимости (6.10) уменьшает излучение в 24 = 16 раз. При этом уменьшается соответственно и время излучения τизл до ~ 160 час ≈ 6,6 сут. А использование энергии протонной составляющей в самом электронном кольце может обеспечить время удержания такого кольца до 1 года, что достаточно для работы РАЭ. Еще один вариант – это постоянная подпитка энергией, ускорение электронных колец за счет ввода специального ускорителя, питаемого энергией от электростанции. А такая электростанция для электронов с γ = 35 имеет мощность до 40 МВт, обеспечиваемых или за счет атомного реактора и электрического генератора, или за счет устройства по отводу электрической энергии от протонных колец, а для электронов с γе ≈ 17,5 необходимая мощность падает до ~ 2,5 МВт. Подчеркнем, что даже в случае уменьшения энергии электронов в электронных кольцах до γе ≈ 17,5, энергия протонов в протонных кольцах остается неизменной, с γ ≈ 35 (выбранной здесь для примера), а именно протонные кольца и определяют запасаемую энергию РАЭ. 154 Отметим, что динамика поведения большого количества электронных и протонных колец абсолютно неизвестна и не исследована даже теоретически (об экспериментальных исследованиях и говорить нет смысла). Поэтому, возможно, удастся поддерживать энергию электронных колец за счет взаимодействия с протонными кольцами (через магнитное поле и т.п.). Вполне возможно, что появятся и другие решения, которые позволят увеличить ресурс работы электронных колец и их длительное удержание. В более далекой перспективе, когда понадобится создавать РАЭ со временем эксплуатации в десятки лет, помимо подбора параметров ионного кольца, произойдет переход от электронов к антипротонам. При этом количество требуемого в РАЭ антивещества минимально, в десятки раз меньше, чем в случае чисто аннигиляционных двигателей (на основе аннигиляции вещества и антивещества). Причем в РАЭ требуются именно ионы, антипротоны, которые не требуется охлаждать и получать электрически нейтральное антивещество, хранимое при криогенной температуре. Однако представляет интерес вопрос – а что РАЭ дает? Здесь высочайшая концентрация энергии, причем экологически чистой (то есть минимальная радиационная защита КА, нет загрязнения внешней среды даже в случае аварии и т.п.). При этом для рассмотренного примера с m3 ≈ 10-4 кг и γ = 35 запасаемая энергия ЕЗ ≈ 31014 Дж, что достаточно для осуществления межпланетных полетов КА к Марсу, Венере. Причем связка из солнечной электростанции мощностью до 10 ГВт и системы для получения РАЭ принципиально обеспечит получение более 100 штук РАЭ в год, то есть обеспечит большой грузопоток, например, к лунной базе, к Марсу. Впрочем, учитывая ограниченность нынешней космонавтики, можно даже уменьшить мощность солнечной электростанции до уровня 1 – 2 ГВт. В перспективе (причем – в ближайшей, были бы деньги) возможно создание РАЭ и на уровень Ез ≈ 31015 Дж, что обеспечит межпланетные полеты КА внутри Солнечной системы со скоростью 50–100 км/с. А постепенное увеличение энергии Ез до ~1017–1018 Дж обеспечивает любой скоростной полет к любой планете солнечной системы. Где-то там, далеко, запас ускоряемой массы m3 = 10³ кг с выходом энергии ЕЗ до уровня ~ 31021 Дж обеспечит и полет к ближайшим звездам со скоростью ~ 50000–100000 км/с. При этом величина энергии для m3 = 10³ кг соответствует аннигиляции ~ 3510³ кг = 35 т, то есть соответствует десяткам тонн антивещества. И что более реально – создание РАЭ на уровень m3 ~ 10³ кг 155 или создание производства антивещества на уровень в десятки тонн? Это большой-большой вопрос! Очевидно, что сложности на пути создания РАЭ очень большие, но и создание других новых типов двигателей и систем (например, система производства антивещества и аннигиляционные двигатели или термоядерные реакторы и двигатели) также очень сложно и дорого и, скорее всего, на одном уровне с РАЭ. Таким образом, РАЭ обеспечит полеты внутри Солнечной системы, а в перспективе – РАЭ в сочетании с РИ ЭРД (из раздела 6.1) обеспечит высочайшие характеристики, достаточные для любых полетов, в том числе и межзвездных. В сущности, если удастся создать РАЭ, работоспособный и достаточно легкий для размещения на КА, то в сочетании с системой на основе солнечной электростанции мощностью 10 ГВт, проблема полетов КА внутри солнечной системы будет решена. И тогда, вообще говоря, не понадобятся ни антивещество и аннигиляционные двигатели, да и термоядерные реакторы и двигатели также станут не нужны. Заглядывая далеко вперед, отметим и такой интересный аспект, достаточно спорный с физической точки зрения. Дело в том, что в РАЭ окружная скорость ионов Vок значительно больше продольной скорости ионов Vпр , направленной перпендикулярно к круговой орбите иона и самому кольцу. Отсюда следует, что и динамические массы, направленные по векторам Vок и Vпр , где Vок >> Vпр, также не равны, и mок >> mпр, вплоть до разницы в γ. И если при ускорении КА его скорость VК совпадет с вектором Vпр , то здесь величина разгоняемой массы будет соответствовать mпр. Так, если в РАЭ разгоняемая масса покоя mз = 10³ кг, то для γ = 100 имеем mок ≈ 105 кг, а для mпр ≈ mз ≈ ≈ 10³ кг = 1 т, и при массе конструкции КА mк= 2105 кг = 200 т полная разгоняемая масса по направлению вектора VК , совпадающего с Vпр : mКА = mк + mпр ≈ mк + mз; (6.14) и получаем mКА= 20110³ кг = 201 т. Хотя, на первый взгляд кажется, что полная масса КА должна составить mКА = mк + mок = = 30010³ кг = 300 т. То есть РАЭ позволяет реализовать достаточно любопытную физически ситуацию, где замкнутое кольцо ионов ставит вопрос: что будет ускоряться? – масса покоя ионов mпр в направлении ускорения КА с VК и Vпр ? – или уже ускоренная и замкнутая в себе, в кольце, динамическая масса ионов mок, не имеющая составляющей на вектор VК , и вектор скорости которых Vок перпендикулярен к вектору ускорении КА VК ? Вопрос доста156 точно интересный, хотя и не имеющий сейчас практического смысла. Сейчас наибольший интерес представляет изучение возможности создания РАЭ с массой mз ≈ 10-4–10-3 кг и γ ~ 35, на энергию 31014–31015 Дж, достаточную для осуществления полетов КА в пределах Солнечной системы. 6.3. Система на основе релятивистского аккумулятора энергии РАЭ может использовать 3 составляющих вида энергии: главный – кинетическая энергия протонов (ионов) и электронов; постоянное магнитное поле, создаваемое кольцами из частиц (виток с током); электромагнитное излучение от электронов и протонов. Для большей наглядности оценим получаемые параметры для примера РАЭ из раздела 6.2, имеющий Е = 31014 Дж, γ = 35; радиус R = 30 м, в каждом кольце число частиц Nе = Nр = 3,751018, а число колец Nк = 1,5104. Частота обращения частиц с о ; (6.15) 2R А частота излучения по известной зависимости [178]: изл о 3 ; (6.16) и для выбранных параметров имеем ωо = 1,6106, а ωизл = 1,61010 с-1, что соответствует миллиметровым радиоволнам. Излучение можно оценить и по другой зависимости длины волны, являющейся максимумом спектра излучения [176] П 3 м ; кМ ; (6.17) кМ где П – длина орбиты, равная 2πR. И тогда для r =30 м и γ =35 имеем λм ≈ 4,410-3 м = 4,4 мм, то есть миллиметровые радиоволны. При этом излучение имеет резкую пространственную направленность, когда практически все излучение сосредоточено в узком конусе с углом раствора γ-1 около направления мгновенной скорости электрона. Поэтому излучение колец направлено по касательной к траектории частиц. Радиоизлучение от ионных и электронных колец принимается и отражается в необходимом направлении антеннами самых различных известных конструкций (антенными решетками и т.п.). Оценим параметры магнитного поля. Общий ток Jр колец РАЭ можно оценить по зависимости 157 Jр = 1,610-19 N ωо Nк ; (6.18) где N – число частиц в каждом кольце. Для упрощенной модели РАЭ как кругового витка с током магнитное поле в центре этого витка Jр Jр В р 0 ; Нр ; (6.19) 2 R 2 R и для выбранных параметров РАЭ имеем JРАЭ ≈ 2,881010 А, а Вр ≈ 600 Тл и Нр ≈ 4,8108 А/м. Мощнейшее магнитное поле! Однако сейчас в импульсном режиме получают и на порядок более мощные магнитные поля, так что это магнитное поле вполне соответствует современному уровню техники. Такой виток с током как магнитный диполь имеет поле в плоскости витка: Нр Rп R 3 . (6.20) Нп И для магнитного поля, захватывающего солнечную плазму и межпланетную среду, принимаем критическое поле Нпк = Нп = 102 А/м. При этом пространственное магнитное поле, захватывающее внешнюю среду, имеет радиус Rп = 1,09105 м = 109 км, что соответствует площади захвата Sп ≈ 3,751010 м² ≈ 3,74104 км². Такие параметры РАЭ отлично подходят для реализации известной идеи прямоточного космического двигателя с захватом внешней среды [34]. Схема такой системы приведена на рис. 6.3. При этом антенна (антенная решетка и т.п.) воспринимает излучение от колец РАЭ в виде миллиметровых радиоволн и отражает их, создавая конус из потока этих волн. Такой поток электромагнитных волн нагревает атомы внешней среды, ионизирует их, что обеспечивает надежный захват такой плазмы магнитным полем колец РАЭ. И захваченный поток внешней среды попадает внутрь системы колец и в двигатель. Рис. 6.3. Схема прямоточного двигателя с РАЭ 1 – система колец РАЭ; 2 – поток электромагнитных волн от колец РАЭ; 3 – антенна; 4 – устройство для получения энергии из колец (электростанция); 5 – двигатель; 6 – поток электромагнитных волн от антенны; 7 – магнитное поле колец РАЭ; 8 – внешняя среда; 9 – сконцентрированный поток внешней среды; 10 – ускоренный поток При этом в прямоточном двигателе возможно прохождение и термоядерных реакций, как в известной идее [34]. Однако вполне 158 возможен и обычный вариант ускорения плазмы с помощью электрических и магнитных полей (например, мощный плазменный электрический двигатель). При этом подвод энергии к ускоряемому в двигателе потоку осуществляют от электростанции – устройства для получения электрической энергии из протонных колец РАЭ. Другой схемой использования РАЭ является двигатель с использованием только электромагнитной энергии, излучаемой антенной в виде узкого цилиндра, то есть это один из вариантов фотонной ракеты. При мощности излучения ~ 5106 Вт это соответствует стационарной силе тяги фотонного двигателя ~ 1,710-2 Н, то есть это двигатель малой тяги для длительной работы. Еще одним вариантом использования РАЭ является двигатель, использующий рабочее тело, запасаемое на КА, а РАЭ используется только как источник энергии. Здесь возможны различные схемы, и одна из них приведена на рис. 6.4. Рис. 6.4. Схема теплового двигателя с РАЭ 1 – система колец РАЭ; 2 – поток электромагнитных волн от колец РАЭ; 3 – антенна; 4 – электростанция, устройство для получения энергии из колец; 5 – двигатель; 6 – поток электромагнитных волн от антенны; 7 – зона концентрации электромагнитных волн; 8 – запас рабочего тела (для двигателя) При этом поток электромагнитных волн от колец концентрируется антенной (сложной формы) в зону концентрации, находящейся в двигателе, где эти волны поглощаются и нагревают тепловой элемент (твердый, жидкий, газообразный или плазменный) двигателя. И из бака с запасом рабочего тела подают в двигатель поток этого тела (водород), нагревающийся и истекающий из двигателя с созданием силы тяги. Более универсальной и традиционной схемой двигателя с РАЭ является схема с электростанцией на основе излучения (на рис. 6.4 вместо двигателя – тепловая электростанция). При этом электромагнитное излучение концентрируется антенной на поверхности электростанции, где излучение поглощается и нагревает тепловой элемент, до температуры 1000–3000 К. И эта теп159 ловая энергия преобразуется в электрическую энергию традиционными известными методами. И для примера РАЭ с электромагнитным излучением ~ 5 МВт получается источник электрической энергии мощностью 1–3 МВт (в зависимости от совершенства преобразования энергии), которая и используется для питания двигателя, традиционного ЭРД, для длительной работы с относительно малой силой тяги. Заметим, что в этой схеме остается и электростанция, использующая энергию протонных колец. При этом эта электростанция используется как пиковая, для кратковременной подачи большой мощности на двигатель и получения большой тяги, например, при старте КА с орбиты около планеты и быстрого разгона. Возможны и другие схемы использования РАЭ. Например, интересно попытаться создать ЭРД, использующий ускорение разреженной плазмы непосредственно потоком электромагнитных волн. Отметим, что нет особого смысла подробно оценивать параметры получаемых систем, в том числе и достижимый уровень силы тяги, так как главный элемент такой системы – РАЭ – пока еще не получен, и его характеристики (в том числе и массовые) пока не понятны и их сложно определить с достаточно высокой точностью. И главная задача на современном уровне техники – реально получить РАЭ, а затем и выйти на уровень энергии ~ 31014 Дж, а там уже можно будет точно оценить характеристики систем, их конкурентоспособность по сравнению с двигательными системами на ЭРД или ЯРД. Сейчас же можно говорить о потенциально высокой перспективности РАЭ для космических полетов, в том числе для высокоскоростных полетов внутри солнечной системы. 6.4. Двигатели КА на основе электромагнитного излучения Коротко рассмотрим фотонные двигатели – на основе электромагнитного излучения, установленные на борту ускоряемого КА, упомянутые в начале раздела 6.1 (на основе аннигиляции частиц и античастиц). Такие фотонные двигатели известны давно и считаются перспективными для межзвездных полетов КА [166]. Достаточно подробно такие двигатели рассмотрены в классической монографии [34]. При этом тяга создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения. Квантовая тяговая система – например, прожектор с зеркалом и высокоинтенсивный источник света, или плазменный источник с применением цилиндрического зеркала. При этом сила тяги на 1 кВт излучаемой мощности равна 160 R1 КВт = 3,310-6 Н, при идеальной параллельности фотонной струи (φнеп = 1,0). Источник фотонов различной энергии – твердая нагретая поверхность, или изотопы, или реактор деления, или плазма, в том числе высокотемпературная на основе реакций синтеза, или реакция аннигиляции вещества и антивещества. При этом главная проблема – фокусировка истекающей струи квантов, сопряженная с принципиальными трудностями, так как хорошо сфокусировать можно только длинноволновое или световое излучение, и уже ультрафиолетовые лучи (λ < 0,35 мкм) от металлических поверхностей отражаются плохо, и то же относится ко всем коротким волнам, включая рентгеновский диапазон. В качестве варианта для отражения коротких волн предлагается использовать электронное дискообразное зеркало. Очень интересна идея электромагнитного резонаторного двигателя [18], в котором имеется система из 2 зеркал, одно из которых – вне ускоряемого КА, и поток электромагнитных волн многократно отражается от зеркал, и за счет многократного воздействия импульса фотонов на зеркала достигается высокий коэффициент преобразования энергии потока фотонов в кинетическую энергию КА. Отметим идею создания светопроизводящего реактора путем прямого (сцинтилляционного) способа преобразования ядерной энергии (главным образом – кинетической энергии осколков деления ядер) в свет. Такие реакторы, оснащенные эффективными системами светособирания и световывода, позволят создать фотонные двигатели на основе реактора [179]. Подобные фотонные двигатели на основе ядерного реактора позволяют достичь намного большую скорость, чем КА с традиционным солнечным парусом, и могут использоваться дл дальних полетов, например, к Плутону. Такие двигатели, использующие преобразование тепловой энергии в энергию направления потока волн с помощью секций излучателя, выполненных в виде параболических зеркал, достаточно эффективны и применимы в космосе [180]. Для получения направленного потока квантов предлагают использовать лазерный луч, например, с помощью мощного импульсного лазера [181]. Заметим, что использование лазерного луча активно изучается, особенно варианты подачи лазерного луча от внешнего неподвижного мощного лазера через космическое пространство на ускоряемый КА, и этот лазерный луч воздействует или непосредственно на парус, или фокусируется и подается в двигатель КА для нагрева рабочего тела с его истечением и созданием силы тяги. И известно достаточно большое количество разработок по таким системам. Однако здесь они не рассматриваются, так как в данном 161 разделе речь идет именно о фотонном двигателе, установленном на борту ускоряемого КА. И рассматривая физические возможности получения мощного потока электромагнитного излучения, отметим, что сейчас физические исследования и известная экспериментальная техника обеспечивают получение потоков квантов с различными длинами волн при использовании синхротронного излучения электронных колец [157]. Собственно, физика источников синхронного излучения (сокращенно – СИ) хорошо изучена, да и сами технические устройства источников СИ в технике и физических исследованиях существуют реально. Вопрос лишь в масштабах излучения (и связанных с этим проблемах) и в особенностях применения в двигателях. Такой фотонный двигатель на основе СИ представляет собой электронное кольцо, и согласно примеру из раздела 6.2, при радиусе одного кольца электронов R = 30 м, с γ = 35 и Ее = 17,9 Мэв излучаемая за год энергия составит Еизл 1N = 8,6109 Дж, или мощность Nизл 1N = 280 Вт, при этом длина волны максимума излучения СИ λм = 4,410-3 м = 4,4 мм, то есть миллиметровые волны. Отметим, что в разделе 6.2 рассматривался пример для РАЭ, исходя из необходимости уменьшения потери энергии для обеспечения длительного хранения энергии. В фотонном двигателе задача прямо противоположная, и требуется максимальное излучение. Согласно зависимости (6.11), потери энергии электронов за оборот ∆Роб пропорциональны энергии электронов Ее4 и обратно пропорциональны R, а согласно (6.17) частота излучения электрона обратно пропорциональная γ³. Таким образом, переход от λм = 4,4 мм к световому излучению с максимумом при λм/ ~ 440 нм = 4,410-4 мм позволяет увеличить γ в 21,5 раз, до γ/ ≈ 21,535 = 752, или увеличить ∆Роб в ~ 2105 раз, и тогда N /изл1 ≈ 56 МВт с одного электронного кольца. Таким образом, для получения высокой мощности СИ, от 1 ГВт и более, необходимо или использовать множество электронных колец (как и в РАЭ), или перейти к более короткому излучению. Так, переход к мягкому рентгеновскому с максимумом излучения при длине волны λм// ~ 4,410-2 нм, позволяет получить величину излучаемого СИ N//изл 1 ~ 107 МВт ≈ 104 ГВт с одного электронного кольца при использовании электронов с γ ~ 15000 (это соответствует Ее// ~ 7,5 Гэв). Таким образом, подбирая параметры электронов и кольца, можно получить широкий диапазон длин волн и излучаемой энергии, в том числе от 1 ГВт и более. Для примера отметим, что накопитель (электрон-позитронный) ВЭПП-4 дает максимальное излучение на длине волны λ ≈ 0,047 нм = 162 = 4,710-2 нм при Е = 5,5 Гэв для радиуса R = 14,0 м и токе 20 мА. Однако имеются накопители и до Е = 19 Гэв (PETRA), то есть варьируя радиус, можно получить различные длины волн для максимума излучения СИ. Отметим и накопитель ВЭПП-3, имеющий Е = 2,2 Гэв при радиусе R = 6,15 м и мощнейшем токе до 1000 мА [157]. Особенность СИ, делающая его весьма перспективным для использования в двигателях, как отмечалось выше в разделе 6.3, в том, что излучение колец направлено по касательной к траектории частиц, причем сосредоточено в узком корпусе с углом раствора γ-1 около направления мгновенной скорости. А это резко упрощает направление такого потока, и схема такого фотонного двигателя на СИ представлена на рис. 6.5. Рис. 6.5. Схема фотонного двигателя на СИ 1 – источник энергии; 2 – ускорительная система; 3 – электронное кольцо; 4 – зеркало кольцевое; 5 – поток СИ от кольца; 6 – поток СИ в пространство При этом энергия от источника идет на ускоритель, поддерживающий энергию электронного кольца на определенном уровне. Источник энергии – или электростанция на основе аннигиляции вещества с антивеществом, или протонные кольца РАЭ, или иной мощный источник энергии. Использование оптического диапазона СИ обеспечивает отражение зеркалом более 90% излучения, что упрощает такой двигатель. При этом СИ имеет высокую параллельность потока и обеспечивает практически идеальные условии истечения потока фотонов, и коэффициент потерь φнеп ≈ 0,99. Для рентгеновского диапазона СИ возникает проблема отражения фотонов, и наиболее подходящим выглядит известное электронное дискообразное зеркало. Кроме того, любопытным выглядит сочетание 2 электронных колец разного диаметра, при этом внутреннее кольцо малого диаметра расположено внутри наружного кольца с большим диаметром. При этом внутреннее кольцо излучает СИ рентгеновского диапазона, которое идет очень узким конусом и попадает на наружное кольцо, которое и 163 отражает в пространство поток СИ от внутреннего кольца. А излучение от наружного кольца (в том числе и энергии, поглощенной от отраженного потока от внутреннего кольца) происходит в оптическом диапазоне и отражается обычным зеркалом (твердая поверхность или жидкое зеркало из расплава щелочных металлов и т.п.), с отличным отражением потока фотонов. Отметим, что в известном проекте электронного дискообразного зеркала происходит удержание электронов с не очень высокой энергией с помощью магнитного поля. А предлагаемое электронное кольцо, помимо магнитного поля, прежде всего удерживается внутренними силами взаимодействия релятивистских электронов, и также электронное кольцо способно выдержать намного больший по мощности поток фотонов от электронного кольца (в том числе, и рентгеновского диапазона), чем известное электронное дискообразное кольцо. Другой возможной схемой фотонного двигателя для рентгеновского диапазона длин волн СИ является конструкция на основе метода «короткого» магнита. Здесь релятивистский электрон движется по длинным прямым линиям (в поле магнита), а затем следует резкий поворот по короткой дуге окружности в магнитном поле, и после этого электрон снова продолжает свободное движение по прямой линии, а затем снова короткий поворот по дуге и повторный выход на прямую линию, и так много раз [157]. При этом на прямых участках излучения электронов практически нет, и все излучение сосредоточено на 2 поворотах по коротким дугам окружности. Схема такого двигателя изображена на рис. 6.6. тель СИ Рис. 6.6. Схема фотонного двигателя на СИ 1 – источник энергии, 2 – ускорительная система; 3 – магнит; 4 – поток электронов; 5 – поток СИ от электронов; 6 – отража- Здесь 50% рентгеновского СИ уходит сразу в космическое пространство от одного из поворотов без всякого зеркала, и только 50% СИ требуется отражать, что, в частности, упрощает охлаждение зеркала или иной системы охлаждения, а также уменьшает по- 164 тери СИ при отражении зеркалом. Правда, здесь возникают потери тяги из-за непараллельного потока СИ. Заметим, что решение подобных проблем возможно за счет различных подходов. Например, можно предложить V-образный магнит, где поток электронов проходит ускоритель на прямой траектории движения, а излучение электронов с короткой длиной волны осуществляется в вершине магнита с малым радиусом поворота, а после этого поток движется по обратной прямой траектории до магнита с большим радиусом поворота. Схема такого двигателя приведена на рис. 6.7. Рис. 6.7. Схема фотонного двигателя на СИ 1 – источник энергии; 2 – ускорительная система; 3 – малый поворотный магнит; 4 – большой поворотный магнит; 5 – обратный прямой магнит; 6 – электрогенератор. Здесь радиус малого поворота RМ на 1÷ 4 порядка меньше радиуса большого поворота RБ. это вполне реально для космических условий, где нет ограничений на габариты систем двигателя. При этом на 1÷ 4 порядка уменьшится и длина волны λМ от СИ, согласно зависимости (6.17). Заметим, что возможно и дальнейшее усложнение данной схемы за счет установки электрического генератора на обратном прямом пути электронов от малого к большому магниту, который отбирает энергию от пучка электронов и передает в ускорительную систему, при этом отбор энергии на ~ 50% и соответствующее уменьшение γ в ~ 2 раза позволяет в ~ 8 раз уменьшить λМ, согласно (6.17). Тогда, для примера, имеем в малом магните СИ в виде ультрамягкого рентгеновского излучения, а при изменении λМ на 2 порядка в большом магните имеем видимый свет. А для варианта с изменением λМ на 4 порядка возможно иметь в малом магните жесткое рентгеновское излучение, а в большом магните – видимый свет. При этом рентгеновское излучение в малом магните от пучка электронов сразу уходит в космическое пространство и не требует какого-либо отражающего зеркала. И лишь видимый свет СИ в большом магните требует отражения с помощью известной зеркальной поверхности (имеющей высокую эффективность). Отметим, что вариант V-магнита позволяет вместо полного поворота электронов на 180º по радиусу использовать движение электронов только по сегменту радиуса малого магнита, например, использовать только 10% - 30% от длины поворота малого магнита. 165 Этот вариант уменьшает потери силы тяги на непараллельность потока СИ. При этом для сегментного малого магнита для обеспечения необходимого излучения требуется более высокая энергия электронов, в 1,5÷2 раза. Заметим, что электроны – очень интересные частицы для двигателей, и при энергии покоя 0,511 Мэв электрон способен за счет динамических процессов сбросить в космос поток энергии в виде квантов до десятков Мэв – единиц Гэв в секунду. А при длительной работе при ничтожной массе электронов в пучке вполне можно излучать гигантскую энергию и получить большой импульс силы в двигателе с СИ (вопрос в источнике энергии). Возможно, по мере развития техники, со временем появятся и другие эффективные устройства по отражению электромагнитного диапазона, что позволит создать простые по конструкции зеркала для фотонных двигателей. Глава 7 ДВИГАТЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ КОСМОСА Введение Представленные в главах 1–6 различные схемы двигателей основаны на традиционной классической физике, и они физически понятны большинству инженеров-двигателистов и ученых - физиков, и там речь идет об эффективности и практической целесообразности создания таких двигателей. Однако в последнее время появляются проекты двигателей, основанные на неклассической физике, на новых принципах, на различных гипотезах о строении пространства, которые понятны лишь авторам проектов и немногим 166 окружающим. Однако, как и любые экзотические новинки, они вызывают интерес, и поэтому попробуем все же разобраться в этом направлении разработки двигателей, основанных на использовании космического вакуума и других полевых взаимодействий. 7.1. Физические основы Коротко рассмотрим физику космоса, согласно обзору [182]. В настоящее время в космологии идет активный процесс переосмысления физики космоса и вселенной. В частности, на основе надежных наблюдений в астрономии считается: а) во Вселенной доминирует вакуум: по плотности энергии он превосходит все «обычные» формы космической материи, вместе взятые; б) динамикой космологического расширения управляет антигравитация; в) космологическое расширение ускоряется, а четырехмерное пространство – время мира становится тем временем статическим. Хотя вакуум и называется космическим, он есть повсюду, в том числе в атомной физике и микрофизике, где он представляет собой наинизшее энергетическое состояние квантовых полей. И именно в этом вакууме происходят взаимодействия элементарных частиц, и который непосредственно проявляется экспериментально, например в лэмбовском сдвиге спектральных линий. Плотность вакуума v ; (7.1) 8 G в системе единиц, в которой скорость света с = 1 G – ньютоновская гравитационная постоянная; Λ – эйнштейновская космологическая постоянная. Вакуум обладает также и давлением. Если плотность вакуума положительна, то его давление отрицательно. Связь между давлением и плотностью для вакуума имеет вид: р ; (7.2) v v Это уравнение состояния по (7.2) совместимо с определением вакуума как формы энергии с всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета. Согласно фридмановской теории, тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением в комбинации (ρ+3р). Вакуум вызывает антигравитацию именно потому, что его эффективная гравитирующая плотность отрицательная при положительной плотности: 167 G V 3 р V 2 V ; (7.3) Значение плотности удобно выражать в единицах критической плотности ρС = (0,6 ± 0,1) 10-29 гсм-3. Тогда относительная плотность вакуума (также часто называют «темной энергией». V 0,7 0,1 (7.4) C Тогда среднее значение ρV ≈ 0,4310-29 гсм-3. Это значение вакуумной плотности подтверждается совокупностью различных данных (в системе единиц с с = 1). Далее по плотности следует скрытая масса, или темное вещество (также часто называют «темной материей»), (в системе единиц с с = 1) V D 0,3 0,1 , (7.5) C плотность – это единственно достоверная информация о темном веществе, которое не излучает ни света, ни других электромагнитных волн, и вообще практически не взаимодействует с электромагнитным излучением. В нашей Галактике темного вещества в ~ 10 раз больше, чем светящегося вещества звезд. До сих пор неизвестна физическая природа носителей темного вещества. Выдвигаются различные гипотезы по строению и составу темного вещества, а для примера отметим гипотезу, по которой это вещество включает в себя три компонента: небарионную холодную материю, предположительно состоящую из стабильных суперсимметричных частиц, называемых нейтралино; также небарионную горячую материю, предположительно из массивного нейтрино (с ~ 2,5 эв/с²); а также барионной материи несветящихся космических тел: коричневых карликов, остывших нейтронных звезд, изолированных черных дыр и т.п. [183]. Темное вещество способно собираться в сгустки размером с галактику и более, оно участвует в гравитационном взаимодействии, не имеет электрического заряда. Считается, что доля несветящейся барионной материи («темные барионы») составляет не более 20%, остальное - небарионная материя, в качестве которой предлагают самые различные частицы (включая гипотетические) – гравитоны (масса ~ 10-21 эв), нейтральная частица с нулевым спином – аксион (~ 10-5 эв), «стерильные» нейтрино (~ 10 кэв), зеркальное вещество (~ 1 Гэв), массивные частицы, типа нейтралино (~ 100 Гэв), сверхмассивные частицы (~ 1013 Гэв), монополи и дефекты (~ 1019 Гэв), первичные черные дыры (отличие по массе ~ 60 порядков величины). Считается, что теоретическая физика, предоD 168 ставив обширный перечень возможных направлений и методов поиска частиц темного вещества, исчерпала себя, и теперь дело за экспериментом [184]. Считается, что ни одна из известных элементарных частиц не подходит на роль носителя темного вещества, и оно остается вне рамок стандартной модели физики элементарных частиц – эта модель не предусматривает ничего подобного, для нее существование подобных частиц остается загадкой [186]. В качестве оригинальной идеи отметим концепцию возможного существования во Вселенной сфер, заполненных однородным постоянным скалярным полем, которые могут выступать в роли темного вещества. Такие «скаляры» могут существовать внутри обычных космических объектов (звезд, галактик, скоплений галактик), и могут включать их. И неоднородная эффективная риманова метрика с постоянным и однородным скалярным полем может выступать в роли темного вещества, а однородная метрика с постоянным и однородным скалярным полем- в роли вакуума («темной энергии») [187]. Далее следует светящееся вещество звезд и галактик, имеющее космическую плотность (средняя по всему наблюдаемому объему мира) В В 0,02 0,01 ; С (7.6) Также четвертой компонентой космологической среды является излучение, или ультрарелятивистская среда, с плотностью R R 0,8 10 5 ; С (7.7) где 1 < α < 10 30, постоянный множитель, учитывающий вклад нейтрино, гравитонов и других возможных ультрарелятивистских частиц и полей космологического происхождения, добавочный к хорошо измеренному вкладу реликтового излучения. Реликтовое излучение – электромагнитные волны (фотоны), которые находились в термодинамическом равновесии с горячей космической плазмой, а когда плазма охладилась из-за общего расширения (в возрасте мира ~ 1 млн лет) и в ней произошла рекомбинация, излучение перестало взаимодействовать с веществом. И современная температура газа фотонов составляет 2,736 К, а в объеме в 1 м³ содержится ~ 4108 реликтовых фотонов. Другая составляющая излучения – нейтрино и антинейтрино, и их число ~ 3108 в 1 м³ объема. Нейтрино слабо взаимодействуют друг с другом, и потому нейтрино и антинейтрино не аннигилиро169 вали и смогли сохраниться до сих пор, а их современная температура около 2 К. Таковы современные данные о плотностях космоса. Также космология утверждает, что современная стадия преобладания вакуума означает постепенное исчезновение динамики в четырехмерном пространстве – времени. И можно считать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитирующего вакуума, тем ближе наш четырехмерный мир к абсолютной статике, неизменности и полному покою. Таков самый важный динамический и геометрический эффект вакуума в космологии. Основное механическое свойство вакуума – он не может служить системой отсчета. Нет такого прибора, который бы измерил свою скорость относительно вакуума, и его величина тождественно равна нулю: в любой системе отсчета вакуум выглядит абсолютно одинаково. У вакуума также есть свойство, которым только он и обладает: воздействуя на все тела природы своей антигравитацией, он сам никакому обратному гравитационному воздействию этих тел не поддается. Третий закон Ньютона «действие равно противодействию» на него не распространяется. Иначе, у вакуума есть отличная от нуля (и притом отрицательная) активная гравитационная масса, а его пассивная гравитационная и инерциальная масса равны нулю. Однако это относится к физическим условиям, при которых гравитационные поля и все другие поля являются слабыми. А в сильных полях возможна поляризация вакуума и ряд других эффектов, в которых локальные свойства вакуума меняются под сильным внешним воздействием. Отметим, что плотность вакуума можно, помимо (7.1), записать и в другой форме: V 2 10 123 М р41 ; (7.8) где Мр1 = 1,21019 Гэв, планковская масса. Сама энергия вакуума, согласно квантовой механики, образуется за счет «нулевых колебаний» квантового осциллятора, и из них складывается ненулевая энергия наинизшего энергетического состояния квантовых полей. С современной точки зрения, в современной Вселенной господствует космический вакуум с его антигравитацией, которая заставляет галактики с ускорением разбегаться друг от друга. Но ни галактики, ни его собственная антигравитация, ни даже само время не способны воздействовать на нынешний космический вакуум, и он абсолютно неподвижен, неизменен и вечен. 170 Согласно наблюдениям, в окружающем нас объеме с расстояниями до 3–5 Мпк (3–5 Мегапарсек ≈ (9 15)1022 м) подавляющая доля всей невакуумной материи концентрируется в Местной группе. Масса Местной группы – это фактически суммарная масса барионов нашей Галактики и Андромеды (с незначительной добавкой масс маленьких галактик) плюс превышающая последнюю раз в 10 темная материя, которая заполняет протяженные массивные гало этих двух галактик. Полная невакуумная масса Местной группы МLG ≈ (1 – 3)1012 МΘ, она сосредоточена в объеме с размером в ~ 1 Мпк. При этом сила отталкивания, создаваемая вакуумом на некотором расстоянии R от центра масс Местной группы оценивается: GM1 4 13 2 G 2 R 7 10 R , см с ; (7.9) V 3 R2 где М1 – полная эффективная масса вакуума в сфере радиуса R (она равна эффективной гравитирующей плотности вакуума, умноженной на объем этой сферы); F1 – в расчете на единицу массы, то есть это ускорение; R – расстояние, в МПк. Сила притяжения в первом приближении: F1 F2 GM 2 3 10 11 R 2 , см с 2 ; 2 R (7.10) где М2 = МLG – масса; R – расстояние, в Мпк. Две силы F1 и F2 сравниваются по абсолютной величине при R ≈ 3 Мпк, а на еще больших расстояниях доминирует антигравитация вакуума. При этом появляется регулярное хаббловское расширение галактик внутри Местного объема. Таким образом, начиная с расстояния в несколько Мпк, галактики хаббловского потока движутся как пробные частицы на идеально регулярном фоне вакуума, который их подгоняет и разгоняет. А центр масс Местной группы лежит на прямой между центрами основных галактик группы, ближе к Андромеде, так как она несколько массивнее нашей Галактики. Отметим, что в космологии есть своя особая система отсчета – она опирается на реликтовое излучение и охватывает всю Вселенную. И Солнце (вместе с Землей) движется относительно реликтового излучения со скоростью около 300 км/с. Однако и центр масс Местной группы также движется относительно реликтового излучения со скоростью ~ 600 км/с. Наблюдения указывают на то, что имеет место общее сносовое движение всего Местного объема относительно реликтового излучения со скоростью 500–600 км/с. Причем Местный 171 объем движется практически как целое в составе гораздо большей по размеру области с размером до 100–150 Мпк. Вся совокупность галактик в этом большом объеме совместно движется в сторону Большого Аттрактора (как иногда называют это направление в пространстве). Заметим, что скорость сносового движения больше скорости регулярного расширения до расстояний в 10 Мпк, так что это сильный кинематический эффект для масштабов Местного объема. Сама физическая структура космоса неизвестна и не определена экспериментально. И теоретическая физика предлагает различные теории структуры и пространства (точнее – гипотезы), и элементарных взаимодействий, в том числе и по космосу. Наиболее мощное научное направление – построение квантовой теории полей [29]. Фактически есть несколько научных школ, которые спорят между собой, причем, как ни в одной области физики, имеются многочисленные «еретики», предлагающие оригинальные модели структуры. И главная черта всех этих разработок – обилие математики, ее высочайший уровень (отсекающий от их понимания подавляющее большинство инженеров), который весьма сложно передать (да и нет смысла). Поэтому коротко рассмотрим физические основы и предпосылки некоторых теорий. Среди основных направлений выделяется квантовая хромодинамика (КХД) – квантовая теория сильного взаимодействия цветных глюонных и кварковых полей, использующая в основе кварковую модель. При этом элементарные частицы делятся на 2 класса: основные частицы (нуклоны, лептоны) и частицы – переносчики (мезоны), которые осуществляют взаимодействие. И основные частицы состоят из 3 кварков, а мезоны – из двух, причем кварки соединены друг с другом «клеем» – глюонами. Причем кварки имеют цвет и спин. И общий обзор КХД, ее достижений и проблем, приведен, например, в [29]. И с точки зрения КХД, физический вакуум (вакуумный конденсат) – своеобразная среда флуктуирующих с большой амплитудой полей [159]. Такой физический вакуум (основное состояние системы сильно действующих полей) населен флуктуирующими глюонными полями и имеет ненулевую (отрицательную) плотность энергии ε и избыточное давление р, и согласно существующим оценкам: р 0,5 Гэв /(10 13 см)3 . (7.11) Вакуум КХД населен также кварк-антикварковыми парами, дающими дополнительный отрицательный вклад в плотность энергии. Причем характер вакуумных флуктуаций остается не вполне ясным [169]. Также отметим, что по зависимости (7.11) получаем 172 величину ε ≈ 0,51048 эв/см³ = 0,81036 эрг/см³ = 0,81035 Дж/м³. По другим оценкам, например, для энергетического масштаба элект30 3 рослабых взаимодействий, имеем V 10 г см , а для масштаба 18 3 кварк-адронных процессов V 10 г см [188] (в системе единиц, где с = 1), или ~ 1,21036эрг/см³ и ~ 1,21024эрг/см³, соответственно (в СГС). Согласно обзорной статье [189], вакуум заполнен непертурбативными конденсатами, а взаимодействие кварков и глюонов с вакуумными полями оказывается решающим для формирования бесцветных адронов. Причем сейчас существует множество теорем для непертурбативных конденсатов. Считается, что КХД является очень сложной теорией, которая не позволяет легко вычислять параметры, поэтому необходимые вычисления проводят только на суперкомпьютерах. Поэтому следует искать и более простые и интересные теории. КХД – это теория сильного взаимодействия, и по ней существует большое количество литературы. Заметим, что последние десятилетия теория элементарных частиц и различных типов взаимодействий развивалась достаточно бурно. Калейдоскоп из различных теорий и направлений появлялись, вызывая сначала энтузиазм физиков, а затем исчезали. Полевой подход, квантовый подход к свободным частицам, теория возмущений, расходимости и перенормировки этих теорий, калибровочные поля, метод перенормированной теории возмущений, программа Великого объединения взаимодействий и Стандартная модель, суперсимметрия, суперкалибровочные модели (супергравитация), суперструны. Сейчас имеются и предсказания частиц более элементарных, чем кварки и лептоны [29]. Заметим, что калибровочные модели приводят к представлению о вакууме, как о среде, то есть системе с бесконечным числом степеней свободы. В этом физическом вакууме могут рождаться пары частиц в таком количестве, что образуется конденсат, а эффекты поляризации столь сильны, что могут полностью экранировать внесенный извне заряд. Явление асимптотической свободы может рассматриваться как антиэкранировка, вызванная дисперсией вакуума [190]. Структуру пространства и взаимодействия описывают различные теории. Классическое мощное направление – общая теория относительности (ОТО), основные положения которой были сформулированы еще десятки лет назад А.Эйнштейном, и развитая его многочисленными последователями, трактующая тяготение как искривление пространственно-временного континуума [115], [191]. Однако имеются и противники ОТО. Например, подробно указывает на сомнительность многих положений ОТО и неверность 173 релятивистских интерпретаций ряда ключевых экспериментов С.Н. Артеха [192]. Другой критик, А.А. Логунов [193], [194], отмечает следующие недостатки ОТО: – отсутствует понятие плотности тензора энергии – импульса гравитационного поля, поэтому в ней нельзя ввести закон сохранения энергии – импульса вещества и гравитационного поля вместе взятых; – Эйнштейн и Гильберт покинули пространство Минковского и вошли в дебри римановой геометрии, затянув туда и последующие поколения физиков, занимающихся гравитацией; – ОТО не имеет классического ньютоновского предела, то есть не удовлетворяет принципу соответствия. Так, согласно Ньютону, для падающего яблока с дерева ускорение (9,8 м/с²) обусловлено гравитационным полем, а согласно ОТО в явлении свободного падения гравитационное поле (то есть тензор Римана) играет чрезвычайно малую роль, а ускорение 9,8 м/с² обусловлено фактически кривизной мировой линии ветки дерева (с которого падает яблоко). И, на основе критики ОТО, А.А. Логунов предлагает релятивистскую теорию гравитации (РТГ). Ее особенности: гравитационное поле – физическое поле, обладающее энергией – импульсом, имеющее свой тензор энергии – импульса системы, тогда законы сохранения энергии – импульса и момента количества движения для замкнутой системы строго выполняются. Геометрия пространства – времени для всех физических полей является псевдоевклидовой (пространство Минковского) [193], [194]. Отметим оригинальный подход М.Г. Иванова, внимательно и критически прочитавшего основные статьи А.Эйнштейна (ведь абсолютное большинство физиков их лишь листали, не говоря уже об остальных специалистах, едва знакомых лишь с выводами). Например, в одной из своих работ А. Энштейн «изобрел» производную «времени по времени» - Т t , и производную Т x «времени по координате». А в работе по распространению световой волны получается, что световая сферическая волна превращается в эллипсоид из-за сокращения в направлении движения (сам свет подвергается линейному сокращению!), что противоречит принципу постоянства скорости света и принципу относительности – из двух неразличимых инерциальных систем одна отличается от другой из-за изменения линейных и скоростных физических размерностей самого света. Также при анализе движения электронов Эйнштейн получает по всем трем осям координат х, у, z разные значения массы электрона, причем в работе выводит продольную и поперечную массы электронов, и забывает о массе по оси z. Причем при анализе движения электронов Эйнштейн выводит свою знаменитую формулу 174 Е mc2 , но эта энергия соответствует движению по оси х, а есть энергии – и по осям у и z, которые Эйнштейн просто игнорирует. Утверждается, что предшественник А. Эйнштейна – Лоренц при истолковании опыта Майкельсона – Мерли по движению света относительно эфира в расчетах использует три разных времени и два из них – в одной системе. Проводя свой математический анализ, М.Г. Иванов утверждает, что эффект Доплера и опыт Физо доказывают, что скорость света арифметически складывается и вычитается со скоростью его источника или его приемника. А опыт Майкельсона – Мерли доказывает, что скорость света постоянна только относительно источника его излучения. И делается вывод, что ОТО – это чисто теоретическая математическая теория, ничего общего не имеющая с физической реальностью [111]. Отметим и И.Ф. Попова, считающего, что классическая ОТО является по сути математической теорией, и она не содержит информации о физических свойствах пространства, а кривизна пространства рассматривается как чисто геометрическое его свойство. И на основе критики ОТО выдвигается экзотическая концепция неевклидового пространства, насыщенного массой – энергией пропорционально своей кривизне. В пространстве имеются стационарные волны гравитации от звезд («лучи кривизны») структуры гравитационного поля, постоянно связанные с движущимися космическими телами. При этом, эти волны, складываясь или вычитаясь в области той или иной планеты, образуют на ней результирующее медленно меняющееся локальное гравитационное поле, обладающее определенными значениями кривизны – плотности – энергии и знака кривизны [195]. Впрочем, нет сомнений в том, что сторонники ОТО найдут, что ответить противникам ОТО. Однако и сторонники ОТО признают наличие большой проблемы, связанной с квантовой теорией поля. Эта проблема – полная несовместимость этих двух теорий. Это выглядит так, как если бы у природы было два ума, каждый из которых работает независимо от другого в своей области. Почему природа имеет два полностью различных подхода с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и двух наборов физических принципов? Однако все попытки объединения этих двух теорий в единую теорию поля кончались безрезультатно, по крайней мере, до конца 20-го века [170]. Наиболее популярное сейчас направление – теория моделей струн, каждая из которых имеет множество одномерных объектов, характеризуемых планковской длиной lпл (равна 1,610-33 см) и фермионными и бозонными возбуждениями на них. Большинство этих возбуждений имеют массу порядка mпл, однако есть несколько без175 массовых возбуждений, и на расстояниях, много больших lпл, они выглядят подобно частицам. Если идеи теории суперструн правильны, то строение природы основывается на трех фундаментальных константах: максимальной скорости частиц С, кванте действия и углового момента ћ и планковской длине lпл. Для примера, модуль струны (одного из типов) представляет собой маленькую петлю, нарушающую непрерывность пространства-времени, маленький дефект пространства-времени, свернутый в колечко. Струна обладает натяжением и может колебаться (как обычная струна). Колебания струны образуют бесконечную последовательность нормальных мод, каждой из которых отвечает наилегчайшая частица, следующей моде отвечает более тяжелая частица и т.д. Взаимодействие между частицами выглядит так, как будто эти колечки сливаются, а затем опять расходятся, а в пространстве такое взаимодействие частиц представляется в виде двумерной мировой поверхности, которая может расщепляться и вновь воссоединяться, поглощая «колечки», имевшиеся в начальном состоянии, и испуская «колечки», отвечающие конечному состоянию. Геометрическое описание такого взаимодействия приводит к сложнейшим поверхностям в пространстве. Интерес к струнам основан на том, что они впервые позволили построить теорию гравитации без расходимостей, которые возникали в более ранних теориях. И сейчас считается, что теория струн хорошо подходит на роль окончательной единой физической теории с энергетической шкалой порядка 1015–1019 Гэв. Однако большой парадокс теории струн состоит в том, что сама она не является единой. Существует несколько теорий и направлений, например, струны Намбу-Гото, суперструны, комформная теория поля, полевая теория в калибровке светового конуса, полевая теория BRST, геометрическая полевая теория струн, гетеротические струны, пространства Калаби-Яу и т.п. Теории струн содержат в себе математику высочайшей сложности, соединив воедино различные области математики, такие, как алгебра Каца-Муди, римановы поверхности и пространства Тейхмюллера, модулярные группы и даже теория группы «монстр». Причем эта теория ориентирована на 10 или 26 измерений пространства. Отмечаются и потенциальные трудности теории струн: – невозможно экспериментально достичь чудовищных энергий, обнаруживаемых на планковской длине, поэтому теория в некотором смысле не подлежит экспериментальной проверке; – не найдено никаких экспериментальных подтверждений существования суперструн; 176 – богатство теории обескураживает. Существует около тысячи способов редуцировать теорию к низким энергиям. Какой из них дает правильный вакуум? – никто на самом деле не знает, как редуцировать 10-мерную теорию к четырем измерениям нашего мира. Однако математически в целом теория струн корректна, а основной камень преткновений является теоретическим, а не экспериментальным. Если бы удалось найти истинный вакуум теории суперструн, то можно было бы сравнить строгие предсказания этой модели с массами кварков или массой протонов (поэтому не потребуется ждать создания суперускорителей). Суперструны дают наиболее многообещающий формализм для объединения гравитационного и всех остальных известных взаимодействий. Использование многообразий Калаби-Яу и орбиобразий в теории струн позволило построить тысячи 4-мерных моделей. Имеется и ряд нерешенных проблем теории суперструн [191], [170]. Оригинальной концепцией, предложенной Р.Ф. Авраменко, является существование естественного фона Бозе – конденсата (ФЭБК), подчиняющегося макроскопическим квантовым закономерностям. То есть пространство заполнено не только реликтовым безмассовым фотонным излучением (электромагнитным полем), но и полем конденсата электронов типа куперовских пар с отличной от нуля массовой плотностью. И этот ФЭБК и составляет в основном скрытую массу Вселенной, при этом слабое взаимодействие этого поля – ФЭБК – с локальными объектами объясняется низкой энергией куперовских пар ЭБК, волновые функции которых номинально занимают область пространства, во много раз превышающую физические размеры «лабораторий». Иначе говоря, мы живем внутри «ультрахолодного» электрона [196]. Известна и достаточно экзотическая идея квант-силовой концепции, выдвинутой Н.Н. Пятницкой [197], согласно которой физический вакуум представляет собой пустое пространство, в котором перемещаются и взаимодействуют элементарные неупругие частицы, силовые радикалы, электроны и единичные протоны, то есть все частицы силового поля. Согласно гипотезе, существует элементарная неупругая частица, представляющая собой неупругий квант массы, обладающий свойством квант-силы. Вакуум имеет различную плотность в различных зонах пространства. Известна и концепция М.Я. Иванова, рассматривающего вакуум в форме суббарионной газообразной среды, где субатомные (не барионные) материальные частицы движутся «почти» свободно во всех направлениях с разными скоростями. Половина частиц считается наделенной положительным, а другая половина частиц – отри177 цательным электрическим зарядом, одинаковыми по величине, причем попарно частицы противоположных зарядов образуют диполи, имеющие наряду с поступательными, вращательные и колебательные степени свободы. Каждая частица взаимодействует с другими частицами через электромагнитное и гравитационное поля и путем упругих столкновений. Это своеобразный вариант газообразной среды, с массой частицы ~ 610-40 кг = 3,410-4 эв [171]. Интересна и попытка возродить концепцию эфира, например, на основе континуума Мак-Кэллога (КМК), а электромагнитный эфир понимается как однородный изотропный упругий КМК (такая среда является частным случаем континуума Коссера). Точка континуума обладает, помимо трех позиционных степеней свободы, еще тремя угловыми (вращательными). Континуум считается упругим (выполняется закон Гука) и несжимаемым, при этом источники поля представляют собой дефекты идеальной структуры континуума. При этом доказывается выполнение практически всех законов физики на основе использования КМК. Любопытна идея, что КМК идеального строения соответствует понятию «физического вакуума», как наинизшего энергетического состояния, а существующие в природе взаимодействия интерпретируются как возбужденные состояния этого континуума. Считается, что можно построить полную динамическую теорию «кристаллической решетки» КМК и в результате получить картину мира, в котором разнообразие форм движения единственной субстанции определяет внутреннее содержание любого явления [198]. Отметим экзотическую идею В. Чеплашина об электромагнитном вакууме, где все пространство заполнено электрическими и магнитными полями таким образом, что в результате их интерференции средняя за единицу времени величина электрического поля и магнитного поля в каждой его точке равна нулю. Абсолютные значения векторов этих полей определяют объемную плотность энергии вакуума, причем плотность энергии электромагнитного поля как минимум равна плотности энергии нуклона [199]. Интересна идея по разделению энергии вакуума и темной энергии, связывающая темную энергию с новым сверхслабым и сверхлегким полем – квантэссенцией, фантомным полем и т.п. [201]. Можно отметить и солидно разработанную теорию физического вакуума Г.И. Шипова, на основе торсионных полей, где квантовые поля имеют геометрическую природу, связанную с кручением пространства. При этом волновые функции выражаются через напряженность (или потенциалы) реального физического поля – поля инерции (или поля материи, порожденное кручением про178 странства), которое ведет себя как единое универсальное поле, связанное со всеми физическими процессами [148]. Еще ряд подобных оригинальных идей структуры вакуума приведен в разделе 7.2, применительно к устройствам, использующим вакуум. Подчеркнем, что физический вакуум, рассматриваемый в квантовой теории поля и ее различных теориях имеется везде, в том числе служит основой и для космического вакуума. В принципе, в космическом вакууме незначительная плотность атомов и нет материальных тел, поэтому космический вакуум – наиболее простое применение моделей физического вакуума, один и тот же физический объект. Главный вопрос в возможности использования вакуума – каковы возможности воздействия на космический вакуум? По своим свойствам по отношению к электромагнитному взаимодействию вакуум представляет собой диэлектрик с огромным напряжением пробоя. Другая картина – для слабого взаимодействия. Это связано с тем, что вакуум мало сказывается на поле обычного заряда, но полностью экранирует поле слабого заряда, то есть вакуум – сверхпроводник по отношению к слабому взаимодействию, что приводит к экранировке также и слабого тока. Однако при критической температуре ~ 1011 эв ≈ 1015 К (порядок энергетического масштаба слабого взаимодействия) вакуум испытывает фазовый переход, теряет свойство сверхпроводимости, перестает экранировать слабые заряды и токи, и разница между слабым и электромагнитным взаимодействиями исчезает. Для обычных условий состояния вакуума (при нормальной температуре) квантовая теория утверждает, что при воздействии на физический вакуум сильных полей возникает явление, называемое поляризацией вакуума. При этом говорят о том, что в вакууме на малых расстояниях присутствуют виртуальные пары частица – античастица (аналогично связанным зарядам в диэлектрике). Поляризация этих виртуальных пар, в свою очередь приводит к изменению классического электрического поля. В результате поляризация вакуума может быть описана классическими поправками к характеристикам внешнего поля, например, поправкой к закону Кулона на малых расстояниях, вакуумными добавками Гейзенберга – Эйлера к максвелловскому лагранжиану. Вакуум (в отличие от диэлектрика) не содержит никаких связанных зарядов, поэтому более адекватным является представление о «потенциальных возможностях». И вакуум – это «возможный» диэлектрик, содержащий «возможные» пары частица – античастица. И эти потенциальные возможности зависят от макроусловий, поэтому вакуумное состояние изменяется во внешних полях. 179 Если электрическое поле напряженности Е очень сильное, то возникает квантовый эффект – в сильном поле рождаются пары частиц и античастиц из вакуума. Это достигается, когда работа, совершаемая полем над виртуальными частицами на расстоянии порядка комптоновской длины волны ћ/mc, имеет порядок mc² (где m – масса рождающейся частицы). Отсюда внешнее критическое электрическое поле Е равно m2c3 Екр В0 ; (7.12) е0 при этом Екр ~ 1016 В/см, для электронов. То есть, при поле Екр вакуум становится неустойчивым, рождаются пары (электрон – позитрон). Также существует критическое значение магнитного поля m2c3 Н кр В0 4,41 1013 Гс 4,4 10 9 Тл . (7.13) е0 Однако магнитное поле не производит работы, поскольку сила Лоренца всегда перпендикулярна к траектории частицы. В силу этого обстоятельства вакуум оказывается устойчивым в отношении магнитного поля. Вероятность рождения электрон – позитронных пар из вакуума в единицу времени в единице объема (в общем виде, без расшифровки параметров) в общем виде: еЕnm Е Н nН е cth ; (7.14) 2 4 n1 n Е В чисто электрическом поле (Н = 0) имеем 2 nm2 еЕ е 2 Е 4 3 n2 n 1 ; (7.15) В случае слабого поля Е << В0, из всей суммы существенен лишь первый член n = 1, и получаем В 2 Е е Е ; 3 4 0 (7.16) Таким образом, рождение пар существенно лишь в полях Е ~ В0, и в более слабых полях вакуум весьма устойчив. Рождение е+е−-пар в электрическом поле – существенно непертурбативный эффект [202], [203]. Параметры Екр и Нкр очень высоки, и одним из способов получения таких полей является фокусировка излучения мощных лазерных импульсов. И для получения Екр и Нкр критическое значение лазерной интенсивности Jкр = 2,51029 Вт/см² [200]. Сейчас получаемые поля на несколько порядков меньше критических значений, 180 но в ближайшем будущем это возможно. Так, начинается постепенное создание рентгеновских лазеров на свободных электронах, ускоренных до энергий свыше 10 Гэв, которые позволят получать пучки рентгеновского излучения с длиной волны порядка 1 Ǻ. И в ближайшие десятилетия можно ожидать появления рентгеновского лазера с плотностью энергии ~ 1030 Вт/см², соответствует Екр, и при воздействии на вакуум такого луча будет генерироваться поток электрон-позитронных пар [204]. Еще один способ получения сильных электрических полей – столкновение тяжелых ядер, например, ядер урана, при этом на некоторое время образуются квазиядра с эффективным зарядом z = 184, электрическое поле которых превосходит критическое значение. В таком поле рождаются два позитрона и возникает отрицательно заряженный вакуум [203]. При этом теоретическая оценка заряда zкр, при котором поле вблизи ядра превышает Екр, дает величину zкр ≈ 170 [203]. И если z > zкр, то уровень энергии достаточен для появления квантового эффекта – появления частиц из вакуума. Заметим, что представляет интерес и воздействие на вакуум со сравнительно низкими плотностями энергии. Так, в вакууме существует широкий спектр сравнительно низкопороговых нелинейнооптических явлений. Причем эти проявления поляризации вакуума могут наблюдаться на лазерных установках существующего уровня, например, для фемтосекундных импульсов с пиковой интенсивностью излучения до 1023 Вт/см². Особенно интересно 4-волновое взаимодействие скрещенных лазерных пучков (смешивают несколько отдельных пучков [200]. Кроме того, для вакуума, находящегося в однородных статических и магнитных полях, учет дифракции, дисперсии и нелинейности вакуума позволяет говорить о возможности самофокусировки сравнительно слабого пучка электромагнитного излучения при движении в вакууме [177]. Таким образом, за счет воздействия различных полей на физический (а также и космический) вакуум получают различные определенные квантовые эффекты. Безусловно, возможны и другие способы и конструкции по созданию мощных полей и воздействий на космический вакуум. 7.2. Известные проекты установок Рассмотрим некоторые известные российские проекты установок, пытающихся использовать энергию физического пространства или вакуума. Привлекают внимание идеи Ю.А. Баурова и его коллег по использованию энергии физического пространства и созданию дви181 жителей-генераторов, например, [205] – [210]. В основе лежит физическая модель пространства, использующая специальные одномерные дискретные объекты, названные бюонами. И при их взаимодействии друг с другом образуются элементарные частицы и наш трехмерный мир. В определение бюонов входит новая фундаментальная векторная константа – космологический векторный потенциал Аr. Его направление определяет глобальную анизотропию все11 го пространства Вселенной. Модуль Аr 2 10 Гс см , а его направление определяется во второй экваториальной системе следующими координатами: прямое восхождение α ≈ 270–300º, склонение δ ≈ 34º (это направление на созвездие Геркулес). При этом массы элементарных частиц пропорциональны суммарному векторному потенциалу АΣ, в который входит вектор Аr и потенциалы всех существующих природных и искусственных объектов. И теорией предсказывается существование нового взаимодействия в природе, которое возникает в некоторой области пространства, если в ней векторный потенциал какой-либо магнитной системы направлен навстречу вектору Аr. При этом в этой области пространства происходит как бы уменьшение собственной энергии любой находящейся там элементарной частицы (mc²), приводящее к возникновению новой силы, связанной с глобальной анизотропией Вселенной, обусловленной вектором Аr. В этом случае элементарные частицы являются своеобразными «кранами», через которые к нам будет поступать энергия из физического пространства. На основе предсказываемой силы можно реализовать новый принцип движения, заключающийся в том, что отталкиваясь от области физического пространства, в которой происходит уменьшение А за счет векторного потенциала источника магнитного поля, вносимое в эту область материальное тело, жестко связанное, например, с соленоидом, увлечет его за собой. Таким образом, источник магнитного поля создает область пространства, в которой действует новая сила, и система магнит – тело движется в пространстве за счет энергии физического пространства. И если масса магнита намного больше, чем масса тела, то перемещение системы магнит – тело будет определяться, в основном, массой самого магнита. Утверждается, что эксперименты показали, что на груз массой ≈ 30 г = 310-2 кг, помещенный в отверстие соленоида с полем до 15 Тл, действует новая сила ≈ 0,1 г = 10-3 Н. Кроме того, была создана демонстрационная модель устройства, называемого движителем-генератором, в котором за счет вращающегося ротора новая сила усиливается в десятки-сотни раз и достигает до ≈ 100 г ≈ 1 Н 182 при массе вращающегося ротора ≈ 10 кг. В роторе находятся специальные ролики массой по ~ 1 кг, именно они создают тягу и раскручивают ротор. Считается, что более перспективно применение плазмы, истекающей из плазмотрона. При этом вектор Аr влияет на увеличение энергосодержания (энергии) струи плазмотрона на выходе по сравнению с энергией, потребляемой от источника питания. При определенных условиях проведения экспериментов явление наблюдается, и зафиксировано возрастание энергии до 40%. Для плазмы новая сила действует на частицы, создающие ток в плазме, направленный навстречу Аr. Эксперименты с плазмотроном мощностью 60 кВт, расположенным в специальном кардане, были проведены весной 1998 г. Вращение плазмотрона осуществлялось в горизонтальной плоскости. От эксперимента к эксперименту менялись направление вращения плазмотрона и угол старта. Результаты экспериментов зафиксировали одно и то же направление в пространстве, при котором в струе из плазмотрона повышалась температура. При этом ток в плазмотроне был равен 300 А при напряжении 220 В и скорости истечения плазмы 120 м/с. Относительное повышение энергии в струе из плазмотрона в фиксированном направлении составило от 10 до 40% от энергии стационарного состояния. Угол между направлением выхода повышенной энергии в струе из плазмотрона и вектором Аr был равен ~ 30º, что практически соответствует теории. Также проводились эксперименты с демонстрационной моделью генератора. Такой генератор имеет постоянный магнит, создающий магнитное поле, а вокруг магнита располагается цилиндрический барабан, в котором размещены 6 бронзовых роликов, способных обкатывать постоянный магнит при вращении барабана по часовой стрелке и в обратном направлении. Масса бронзового ролика ~ 1 кг, общая масса барабана ~ 15 кг. При этом экспериментальные замеры величины магнитного поля в области расположения барабана показали, что оно находится в диапазоне от 0,2 до 3 мТл. Такой генератор считается полностью работающим, если после раскрутки барабана с помощью специальной разгонной системы и отсоединения последней барабан начнет ускоряться за счет действия новой силы, раскручивающей в основном ролики барабана. При этом эксперименты показали, что время торможения ротора генератора при вращении по часовой стрелке на 20–35% больше времени торможения ротора при вращении против часовой стрелки. А в 20% экспериментов (из серии в 30 пар экспериментов) наблюдалось обратное явление. Причем в районе 1200–1500 об/мин наблюдается наиболее интенсивное расслоение кривых торможения, соответ183 ствующих вращению по часовой стрелке и против часовой стрелки. Со временем при проведении экспериментов ролики за счет центробежной силы отошли от обкатываемой поверхности и эффект стал постепенно исчезать. При изменении полярности магнита происходило обращение кривых, то есть при вращении против часовой стрелки ротор тормозился медленнее, чем при вращении по часовой стрелке. В 15–20% экспериментов наблюдалось обратное явление. При замене бронзовых роликов на магнитные с осевой намагниченностью наблюдалась значительная разница в величине потребляемой мощности разгонного блока при фиксированных оборотах ротора генератора или значительная (до 17%) разница в величине наибольшей угловой скорости ротора генератора при фиксированной максимально потребляемой мощности разгонного блока ~ 300 Вт. Для магнитных роликов более чем в 30 парах экспериментов не наблюдалось ни одного случая, чтобы время торможения ротора генератора по часовой стрелке было меньше времени торможения ротора при вращении против часовой стрелки. Отмечается, что зная инерционные характеристики модели, можно оценить тягу по разнице во времени тормозных характеристик ротора, и для данной модели она составила ~ 10 г ≈ 0,1 Н. Считается, что эта модель подтверждает наличие нового взаимодействия и реализацию механизмов его усиления, но не позволяет достигнуть режима саморазгона ротора генератора из-за ограничений по прочностным характеристикам. На основе понятия о космологическом векторном потенциале Аr был предложен способ перемещения объекта в пространстве, включающий создание на объекте магнитного поля с векторным потенциалом А, ориентированным под углом 90º ÷ 270º к Аr, с созданием области пространства с пониженным суммарным потенциалом. Например, используют тороид, по обмотке которого пропускают электрический ток, создавая вектор магнитного поля А, а в качестве тела используют вращение диска – ротора. Тогда перемещение тел осуществляют путем введения тела в область пониженных значений суммарного потенциала, где тело вращают вокруг осей, перпендикулярных плоскостям, в которых расположены векторы А и Аr [208]. Этот способ поясняется рисунком 7.1 (без полной расшифровки элементов конструкции). 184 Рис. 7.1. Способ перемещения объекта 1 – вектор – потенциал магнитного поля А; 2 – векторный потенциал Аr; 3 – суммарный вектор – потенциал; 4 – область пониженного суммарного потенциала; 6 – тороид; 7 – тело (ротор – диск); 11 – механизм вращения С вышеизложенным проектом, используемым как аналог, перекликается и конструкция электромагнитного двигателя, предложенная И.Г. Богдановым [211], использующего комбинацию способов для создания силы тяги. Первым способом является создание фотонной тяги за счет излучения (торсионное излучение) вращающегося с большой скоростью вещества. Во втором способе сила тяги создается за счет того, что вектор-потенциал магнитного поля вращаемого вещества направлен под углом 90º÷270º навстречу космологическому векторному потенциалу, в результате чего около вращаемого вещества создаются область с постоянным и область с пониженным векторным потенциалом. Отталкиваясь от области вакуума, в которой происходит уменьшение космологического векторного потенциала за счет векторного потенциала источника магнитного поля, вносимая в эту область масса вещества (например – материальное тело, жестко связанное с кольцом карданового подвеса) увлекает его за собой. Таким образом, источник магнитного поля создает область пространства, в которой действует новая сила, и система магнита с телом движется в пространстве за счет энергии физического вакуума. Предложены многочисленные различные конструкции по обеспечению реализации этих способов. При этом сила давления излучения на поверхность вращающегося кольца или диска оценивается величиной до 380 тонн на квадратный метр. Утверждается, что это излучение не нагревает вещество вращающегося кольца или диска, поскольку оно уже заранее существует в неподвижном твердом теле, но экранируется за счет поворотов плоскостей электронов атомных орбиталей. Вращение с большой скоростью кольца или диска просто снимает эту экранировку, и излучение выходит наружу твердого тела. Утверждается, что для генерации излучения Богданова расходуется, в основном, магнитная энергия взаимной индукции токов вращающихся электронов атомов и плазмонов вращае185 мого вещества и вращающихся заряженных частиц всей видимой части Вселенной. Для иллюстрации приведем принципиальную схему торсионного двигателя Богданова при горизонтальной тяге с открытыми боковыми окнами и закрытыми верхними и нижними окнами, согласно рис. 7.2 (без расшифровки многочисленных элементов конструкции). Рис. 7.2. Торсионный двигатель Богданова Еще одним очень любопытным проектом является способ создания тяги в вакууме и полевой двигатель для КА, предложенный В.С. Леоновым [185]. В основе этого проекта лежит гипотеза о том, что квантованный электромагнитный физический вакуум на макроуровне рассматривается как специфическая сплошная среда, обладающая идеальной (без трения и пластичности) упругостью за счет колоссальных сил внутреннего натяжения собственного статического дискретного электромагнитного поля, исследования которого только начинаются. То есть, вакуум состоит из мельчайших частиц – квантов пространства – которые обладают свойством притягиваться друг к другу, образуя упругую квантованную среду (УКС). В теории УКС рассматривается методика электромагнитного квантования пространства с дискретностью порядка 10-25 м на микроуровне, при этом квантовая плотность невозмущенного упругого вакуума ρ0 = 3,5511075 частиц/м³. Здесь считается, что природа тяготения – давление УКС на какое-либо тело. При этом сила Fm тяготения направлена из области с большей квантовой плотностью среды в область меньшей квантовой плотности, то есть на дно гравитационной ямы. Поэтому, чтобы вызвать направленную силу в вакуумном поле, необходимо произвести его деформацию в направлении силы. Таким образом, чтобы искусственно вызвать силу Fm, действующую на тело и производящую его самопроизвольное ускорение, необходимо внутри тела произвести перераспределение квантовой плотности среды в направлении, противоположном вектору деформации ваку186 умного поля (это первое необходимое действие, обеспечивающее работоспособность предлагаемого способа). Сейчас для перераспределения квантовой плотности среды используют поле тяготения (например, Земли) или при ускорении тела. Основа способа ускорения – если внутри тела вызвать искусственно появление вектора деформации Д2 УКС, то это тело станет ускоряться с ускорением а в направлении вектора деформации Д2. Считается, что элементарный квант пространства – квантон, представляет собой электромагнитный квадруполь (включает в себя 2 электрических и 2 магнитных заряда). В силу естественной способности к сцеплению противоположных по знаку зарядов, квантоны сцепляются друг с другом, образуя УКС. Считается, что воздействуя на вакуумное поле внешними электрическими и магнитными полями, его можно искусственно деформировать в нужном направлении, создавая тем самым неуравновешенную силу тяги. Чтобы произвести перераспределение квантовой плотности среды внутри тела, необходимо вызвать градиентные силы, способные сместить квантоны внутри гравитационной границы в одном направлении, обеспечив градиент квантовой плотности среды внутри тела. Известно, что если поместить магнитный диполь в неоднородное магнитное поле напряженностью Н, то возникает градиентная магнитная сила Fд, направленная в область наибольшей напряженности магнитного поля. Аналогично – если поместить электрический диполь в неоднородное электрическое поле с напряженностью Е, то возникает градиентная электрическая сила Fе, направленная в область наибольшей напряженности электрического поля. Поэтому само перераспределение квантовой плотности среды осуществляют одновременным воздействием на рабочее тело неоднородных электрических и магнитных скрещивающихся полей. При этом магнитное и электрическое поля необходимо разнести так, чтобы их вектора напряженности были ортогональны друг другу. Кроме того, необходимо обеспечить вращение полей таким образом, чтобы главные вектора напряженности магнитного и электрического полей оставались ортогональными друг другу. Для этого предполагается обеспечить вращение самого рабочего тела относительно оси, направленной по вектору деформации Д2 вакуумного поля. Кроме того, увеличить частоту вращения векторов магнитного и электрического полей, а соответственно, и эффективность взаимодействия, предлагается за счет выполнения магнитной системы и системы электродов многофазными (от двух фаз и более), сохраняя ортогональность векторов Е и Н. Многофазные системы обеспечивают вращение векторов электрического и магнитного полей внутри тела независимо от его механического вращения. Естественно, что работоспособность предлагаемого способа может быть обеспечена только 187 при наличии у рабочего тела одновременно магнитных и диэлектрических свойств. Энергоемкость вакуумного поля оценивается величиной ~ 1073 Дж/м³. Система магнитных и электрических полей с рабочим телом называется термином активатор вакуумного поля или просто активатор. Предложены различные конструкции элементов полевого двигателя, а из них приведем лишь (в качестве образцов) схему совмещения воздействия магнитного и электрического полей на рабочее тело при условии ортогональности их векторов напряженности на рис. 7.3. Также отметим одну из схем полевого двигателя в едином совмещенном корпусе, приведенную на рис. 7.4, а кроме того, одну из схем активатора вакуумного поля с многофазной системой магнитных полюсов и разнополярных электродов на рис. 7.5 а) и б) (без полной расшифровки многочисленных элементов конструкции). Таким образом, при работе полевого двигателя система неоднородных полей воздействует на рабочее тело, обеспечивая его магнитную и электрическую поляризацию. Воздействие вращающихся магнитного и электрического полей обеспечивается за счет вращения рабочего тела или за счет многофазных систем питания. В результате внутри рабочего тела происходит перераспределение квантовой плотности среды вакуумного поля и создается неуравновешенная сила тяги, передающаяся активатору. Еще одним проектом является попытка создать гравитационный двигатель на основе нетрадиционного подхода, рассмотренный В.А. Меньшиковым [212]. Этот подход основан на патенте В. Шаубергера, в котором постулируется излучение гравитационной энергии «возмущенной вращающейся массой». И был создан макет гравитационного двигателя и экспериментальная установка для оценки параметров этого макета. При этом масса рабочего тела равна 1,4 кг, а мощность электродвигателя 1600 Вт. При этом макет (диск) вращался вокруг вертикальной оси, а сила тяги создавалась вдоль оси вращения, и такой макет (диск) мог перемещаться в вертикальном направлении. Эксперименты показали, что время выхода на режим составлял ~ 7 с, после чего следовал быстрый подъем, в интервале до ~ 4 с, до силы тяги в ~ 800 гс ≈ 8 Н, а затем более медленный подъем тяги до ~ 150 гс ≈ 1,5 Н, при этом в среднем макет создает силу тяги ~ 30 гс ≈ 0,3 Н в течение 40…50 с. 188 Рис. 7.4 51 – активаторы; 53 – неподвижный статор; 54 – подвижный ротор. а) продольное сечение Рис. 7.3 16, 17 – магнитные полюса; 19, 20 – электроды; 21 – рабочее тело; 23 – ось вращения. 24 – градиентные электроды; Рис. 7.5 б) поперечное сечение 21 – рабочее тело; 38 – вал; 39 – подшипник; 40 – электродвигатель; 41 – ротор; 42 – статор; 58 – магнитная система; 59 – катушки магнитной системы; 60 – система электродов; 61 – изолятор Безусловно, имеются и другие предложения, однако они или ориентируются на рассмотренные выше идеи (торсионное излучение, вектор Аr и т.п.), или предлагаются достаточно элементарные конструкции, которые почему-то должны извлекать энергию из вакуума (не верю! – от автора-консерватора). Кратко отметим, что ученые США также давно анализируют возможности использования вакуума для космических полетов. Например, Н. Froning, [213]–[215], в частности им еще в 1981 году [213] были рассмотрены принципы создания двигателя, названного квантовым ПВРД, использующего в качестве источника энергии и рабочего тела квантовые флуктуации вакуума (в соответствии с вы189 водами из общей теории относительности). Здесь обеспечивают преобразование флуктуаций энергии вакуума в энергию излучения (сила тяги создается аналогично фотонному двигателю) в субмикронных объемах (размерами с ~10-6 см), время преобразования энергии ~10-15 с, требуемые частоты 1015 Гц. Требуемые параметры устройства сейчас находятся за пределами уровня современной техники. Принципиально подобный КА (размером ~ 1 км) с квантовым ПВРД, использующий даже небольшую часть флуктуаций энергии вакуума для создания тяги, практически не имеет ограничений по дальности полета. Например, теоретически такой КА сможет достичь даже галактики М-31 (туманность Андромеды) за ~ 30 лет полета (в масштабе собственного времени, в системе координат, движущихся с КА). Позднее, в работе [214], был проведен анализ возможности существования аналогии между полетом в земной атмосфере и в космическом вакууме. Показано, что если эта аналогия (основанная на квантовой теории) справедлива, то двигательные системы, использующие энергию полей, могут взаимодействовать с вакуумом и развивать тягу подобно аэродинамическим аппаратам. В работе [215] также рассматриваются возможности использования вакуумной энергии для полета КА. Также утверждается, что, по крайней мере две аэрокосмических компании и одно из агентств МО США занимаются проблемой энергии вакуума, прежде всего – для двигателей [216]. Отметим, что имеются и несколько патентов на подобные устройства. Для примера отметим достаточно новое космическое транспортное средство, приводимое в движение давлением инфляционного вакуумного состояния. Такой кА имеет оболочку в виде пустотелого сверхпроводящего экрана, внутри которого расположены различные элементы конструкции из основных – опорный элемент в виде верхней и нижней вращающихся частей, также – устройство для генерации электромагнитного поля. При работе электрическая энергия преобразуется в электромагнитное поле, которое направляют на сверхпроводящий экран, при этом происходит преобразование электромагнитного поля в гравитационно-магнитное поле (???) в этом экране, и затем это поле распространяется наружу, перпендикулярно стенкам экрана. При этом происходит формирование аномалии инфляционного вакуумного состояния в зоне распространения такого гравитационномагнитного поля, причем эта аномалия давления состоит из зоны вакуумного разрежения относительно низкой плотности в передней части такого КА, и зоны вакуумного разрежения относительно высокой плотности позади КА. И такой КА должен двигаться от зоны вакуумного разрежения относительно высокой плотности к зоне вакуумного разрежения относительно низкой плотности [217]. 190 7.3 Критический анализ Безусловно, главная проблема проектов по использованию вакуума – это отсутствие общепризнанной и экспериментально подтвержденной теории физического вакуума (как составной части более общей физической теории строения мира). И можно говорить, что уровень современной физики лишь теперь дорос до начала решения таких проблем. Да, существуют различные научные направления, некоторые из них – очень мощные и влиятельные (с большим числом ученых), такие, как теория струн или квантовая теория поля, другие направления – маломощные (вплоть до одного ученого). И эти направления спорят друг с другом, пытаясь представить себя единственно правильными. Для примера отметим статью А.В. Маршакова [218], который прямо ставит вопрос: теория струн или теория поля?, и хваля достоинства теории струн, указывает, что квантовая теория поля не может быть фундаментальной физической теорией микромира. Однако и теория струн имеет множество недостатков, которые признают даже ее сторонники, согласно разделу 7.2. А дополнительно заметим, что восхищение и гордость величайшей математической сложностью теории суперструн [170] имеет и оборотную сторону – для практического инженерного применения. Так, абсолютное большинство взрослых сформировавшихся инженеров просто не разберутся в этой теории, так как типовой курс высшей математики – ничто (уровень арифметики в школе) для математики струн. Также любой, даже грубый оценочный расчет возможен только с использованием суперкомпьютеров. Намного лучше разработана, с точки зрения расчета реальных физических величин, квантовая теория поля, в частности КХД. Однако (помимо теоретической критики со стороны сторонников теории струн и других научных школ) и здесь появляются новые проблемы, в том числе экспериментальные. Например, это проблема массы нейтрино, так, согласно недавним экспериментам, один или два типа нейтрино (из трех типов) имеют массу, а это означает выход за пределы Стандартной модели в квантовой теории поля [219], где для ядерных реакций масса нейтрино принимается равной нулю, и это – большая проблема для теории, уже сформировавшейся и устоявшейся в главных понятиях. Отметим и проблему темного вещества (согласно разделу 7.1), так как ни одна из известных элементарных частиц не подходит на эту роль, и квантовая теория здесь пасует, ничего не может предложить [186]. Заметим, что в условиях отсутствия общепризнанной теории вполне возможно выдвижение различных гипотез по строению фи191 зического вакуума. Причем в конечном итоге правильность этих гипотез, подтвержденная экспериментами, будет мало зависеть от количества ученых, которые входят в те или иные научные школы в настоящее время (возможно, через многие десятилетия их назовут массовыми заблуждениями в среде физиков). И с точки зрения автора, предлагаемые гипотезы по строению вакуума, использующие экзотические концепции типа модели с упругой квантованной средой или модель с бюонами, и тому подобные модели, также имеют право на существование и их изучение, в том числе и для сравнения с другими гипотезами. Как уже отмечалось, согласно (7.4), из астрономических наблюдений имеем реальную плотность энергии вакуума ρV = 0,4310-29 гсм-3 (в естественной системе единиц с V = c). А согласно оценкам наиболее популярной концепции – КХД, для энергетического масштаба электрослабых взаимодействий имеем V 1030 г см 3 , а для V 1018 г см 3 [188] масштаба кварк-адронных процессов (в естественной системе единиц с V = с). Таким образом, в зависимости от подхода, модели, теоретическая плотность энергии на ~ 1046 1060 раз больше реальной ρV. Причем сами физики признают, что для модели вакуума как вакуумного конденсата (глюонного конденсата) разница энергий в ~ 1046 раз, причем механизм уменьшения плотности энергии вакуума неизвестен [159]. А квантовая хромодинамика достаточно хорошо разработана, и ее теория позволяет с достаточно высокой точностью (~ 20–50% от результата экспериментов) рассчитать, например, массы и константы взаимодейстия адронов, параметры многих элементарных частиц. И квантовая хромодинамика в настоящее время обеспечивает хорошее полуколичественное, а в некоторых случаях и количественное объяснение процессов с участием адронов [29]. И очень большой разрыв, на многие десятки порядков, между реальностью плотностью вакуума и его энергии (получаемой из астрономии) и плотностью энергии на основе расчета вакуума как глюонного конденсата, заставляет задуматься. Возможно, в первом приближении можно воспользоваться известной аналогией с плаванием парусного корабля по океану. Ведь парусник для движения корабля использует энергию течений океана или силу ветра, со скоростью ≤ 10 м/с, и используемая энергия ~ 100 Дж/кг. Однако теоретически воду можно и аннигилировать, с выделением энергии в 91016 Дж/кг, что теоретически вполне достаточно для перемещения любых грузов и кораблей, с любой массой. Вот только что-то нет таких устройств и способов, работающих на аннигиляции воды (однако современный уровень физики теорети192 чески позволяет сделать реальным такой процесс – с помощью антивещества; вот только изготовление антивещества – это такой сложный и дорогой процесс…). Весьма похоже, что и в отношении вакуума наблюдается аналогичная картина, и имеем потенциально высочайшую энергию вакуума, как глюонного конденсата или аналогичной структуры, однако эта энергия имеет минимальный выход в наш макромир (что вполне понятно, учитывая физические свойства вакуума согласно разделу 7.1). То есть, энергия вакуума в астрономии – это слабенькое течение или рябь на поверхности океана, или протечка – просачивание микроскопической части энергии из океана энергии глюонного конденсата, или более точно физически – результат выхода энергии каких-либо реакций, обусловленных слабым взаимодействием частиц вакуума. При этом для получения стабильного выхода энергии необходимо обеспечить цепные реакции в глюонном конденсате (как это делается в технических устройствах, будь то химические реакции горения в тепловых машинах, ядерные реакции в атомных реакторах). А учитывая современный уровень знания структуры вакуума, (скорее, отсутствие знания, только гипотезы), просто невозможно предложить и организовать даже теоретически цепную реакцию из элементарных частиц вакуумного конденсата или иной структуры вакуума. А главное – как остановить возникшую цепную реакцию с выходом энергии из вакуума? Также заметим, что вакуум есть везде. Безусловно, физики на Земле достаточно ограничены в возможности постановки экспериментов. Однако есть естественная природная лаборатория – это наше Солнце. Радиус Солнца 6,99108 м, или в 109 раз больше Земли, а масса 1,991030 кг или в 3,3105 раз больше Земли, а солнечное ускорение свободного падения в 27,4 раз больше, чем на Земле. Причем Солнце – плазменный шар с высокой плотностью плазмы, а внутри Солнца имеем именно высокотемпературную термоядерную плазму. Да и магнитное поле Солнца достаточно высокое, и в отдельных областях достигает 3000 э ≈ 2,315 А/м. И этот мощнейший плазменный шар имеет мощность излучения Солнца LΘ = 3,861026 Вт [27]. То есть величина LΘ на ~ 8 порядков меньше полной энергии (масштаб электрослабых взаимодействия) 1 м³ вакуумного конденсата!!! Таким образом, даже экстремальные условия плотной термоядерной плазмы (особенно в глубине Солнца) не дают значительного использования вакуума, или иначе, при физических условиях, соответствующих Солнцу, не удается извлекать энергию из вакуума (возможно лишь малое просачивание). 193 Кроме того, на Солнце периодически проходят вспышки с излучением в широком диапазоне длин волн – от жесткого рентгеновского излучения (и даже γ-излучения) до километровых радиоволн. При этом поток такого излучения в десятки тысяч раз превосходит соответствующее излучение потоков от Солнца вне вспышек в этом диапазоне. Кроме того, при солнечной вспышке происходит выброс высокоскоростной плазмы со скоростью до 3000 км/с, вплоть до интенсивного потока солнечных космических лучей. И при большой вспышке выделяется громадная энергия : ~ 1031-1032 эрг = 1024-2025 Дж, при мощности ~ 1029 эрг/с ≈ 1022 Вт [27], причем вспышки происходят на относительно малой площади, и плотность энергии очень велика. Однако за десятки лет наблюдений за солнечными явлениями астрономы не обнаружили увеличения энергии частиц на пути от Солнца к Земле или что-то такого этакого, что можно было трактовать как выделение энергии, как появление на пути от Солнца к Земле дополнительного источника энергии под действием мощнейшего потока излучения и частиц широкого диапазона энергий, имеющегося в солнечных вспышках. Таким образом, даже солнечные вспышки с высокой концентрацией энергий; излучениями и частицами, вплоть до солнечных космических лучей, с уровнем 1 Гэв и более, не дают какого-либо значительного, заметного для наблюдений, взаимодействия с вакуумом. Отметим, что и в земных условиях при термоядерных исследованиях получены высокие температуры плазмы и плотности энергии (особенно при импульсном сжатии и нагреве шариков топлива). Вспомним и мощнейшие взрывы термоядерных бомб, проводившиеся в 50–60-х годах 20 века. Итог взаимодействия с вакуумом – нулевой (к счастью). Из этих примеров видно, что в случае вакуума с элементарными частицами, где необходимы энергии в десятки-сотни Гэв для прохождения реакций, для прохождения реакций в вакууме и извлечения энергии необходимы очень специфические условия. И пусть это будет физическим и философским пессимизмом (или скептицизмом), вызывает большие сомнения сама возможность извлечения энергии из вакуума с помощью предлагаемых достаточно примитивных устройств. И реально речь может идти лишь об использовании той части энергии вакуума, вакуумного конденсата, что вышла на поверхность в наш микромир и имеет плотность ρV ≈ 4,110-11 эв/см³ = 6,510-24 Дж. Отсюда можно оценить единичную мощность извлечения энергии из вакуума по зависимости: 194 Е1и ≈ ρV с ; (7.17) где с = 3108 м/с, скорость света, и тогда Е1и ~ 210-15 Вт/м². Это очень малая величина, которая вряд ли удовлетворяет требованиям к создаваемым двигателям для космических полетов. Перейдем к рассмотрению проектов, изложенных в разделе 7.2. Сама по себе гипотеза о структуре вакуума, основанной на бюонах, вполне имеет право на существование, и здесь бессмысленно рассматривать и сопоставлять ее с другими на предмет большей «правильности». Просто рассмотрим с точки зрения инженерного использования. Сам по себе проект достаточно логичен, и здесь имеем взаимодействие элементов конструкции с внешней средой – вакуумом; и в случае правильности гипотезы создание такого двигателя вполне реально. Однако сразу заметим, что подобный способ требует четкой однозначной ориентации магнита относительно векторного потенциала, то есть создаваемая сила тяги имеет вектор, определяемый векторным потенциалом. И здесь возникают большие проблемы по созданию силы тяги с произвольным вектором в пространстве; и фактически КА не сможет ускоряться в произвольном направлении, а только в ограниченном конусе по векторному потенциалу. Рассмотрим эксперименты по [205], [206]. Главная проблема этих экспериментов в том, что они находятся на пределе точности. Так, при использовании соленоида с полем до 15 Тл давление такого магнитного поля достигает 9107 Н/м² = 910³ Н/см² = 9105 г/см², а измеряемая сила составляет ~ 0,1 г = 10-3 Н, то есть соотношение сил составляет ~ 10-7. Конечно, в качестве образца используется модель из немагнитного материала, и в обычных условиях это оправданно. Однако абсолютное большинство материалов имеет удельную магнитную восприимчивость, пусть и минимальную (будь то неметаллы типа кремния, графита и т.п.) [136]. И в условиях очень сильного поля в 15 Тл даже этих минимальных магнитных свойств вполне достаточно для получения маленькой-маленькой силы взаимодействия образца с полем соленоида, которая и будет на уровне полученного эффекта. Интересны и эксперименты с истечением струи плазмы из плазмотрона, в том числе с изменением направления в пространстве и определением оптимального направления истечения струи. В принципе это вполне возможно, однако, если обратиться к рассмотренному выше примеру с Солнцем, мощнейшему источнику плазмы, то предлагаемое сильное увеличение энергии плазмы за счет векторного потенциала обязательно привело бы к явной, четкой анизотропии энергии излучения поверхностью Солнца (плазма – источник излуче195 ния) и весьма заметной анизотропии температуры верхних слоев на Солнце в зависимости от положения солнечной плазмы относительно векторного потенциала. Да и энергия истекшей солнечной плазмы – ветра в межпланетном пространстве – имела бы анизотропию. Однако астрономия не наблюдает заметной анизотропии излучения и температуры плазмы на Солнце, поэтому вряд ли можно говорить о влиянии такого потенциала на плазму и Солнце. Более похоже, здесь проблема в том, что, согласно статье, нет никакой привязки струи к магнитному полю Земли (похоже, оно просто игнорируется). А ведь истекающая плазма обязательно взаимодействует с магнитным полем Земли, причем напряженность магнитного поля составляет 10–19,5 А/м [136], что соответствует объемной плотности энергии ~ 1,510-4 Дж/м³, и это на ~ 20 порядков больше плотности энергии вакуума ρV. И куда более вероятно, что полученные результаты достигаются за счет взаимодействия струи плазмы с магнитным полем Земли, чем за счет взаимодействия с вакуумом. Более того, Земля имеет и избыточный электрический заряд, и так же возможно интенсивное взаимодействие струи плазмы и с электрическим полем Земли. Также на пределе находятся и эксперименты с демонстрационной моделью генератора обеспечивающей тягу ~ 10г ≈ 0,1 Н, при этом вращаются ролики общей массой 6 кг и числом оборотов до 1500 об/мин, то есть силы при вращении достигают тысяч Н и более. А главное, здесь используется постоянный магнит, который имеет 2 полюса, а магнитно-твердые материалы имеют запасаемую энергию магнитного поля до 100–400 кДж/м³. А сейчас известны конструкции, в которых используется вращение элементов конструкции в неоднородном поле постоянного магнита, и эти конструкции служат для преобразования энергии поля постоянного магнита [220]. А в разделе 4.4 приводятся данные экспериментов Р.Г. Сигалова [80], [81], который изготовил десятки различных конструкций, осуществляющих магнитное взаимодействие с вращением или поступательным движением отдельных элементов конструкции относительно друг друга. И здесь данная модель генератора также имеет взаимодействие ротора с полем магнита. Поэтому сама конструкция не позволяет уверенно утверждать о взаимодействии именно с вакуумом. И более реально появление разницы времени торможения ротора при вращении по часовой стрелке и против часовой стрелки за счет взаимодействия ротора с магнитным полем магнита (пусть и небольшого) и положения магнитных полюсов магнита. То есть данная модель дает определенные зависимости вращения ротора в магнитном поле, но вряд ли эти зависимости связаны с взаимодействием с вакуумом. 196 Переходя к проекту электромагнитного двигателя [211], отметим, что в нем используется 2 главных способа создания силы тяги. Из них первый способ – использование космологического векторного потенциала за счет системы магнита с телом, аналогично рассмотренному выше проекту по [205]–[210]. Второй способ – торсионное излучение вращающегося твердого тела. При этом сила давления на поверхность вращающегося кольца или диска оценивается величиной до 380 тонн на квадратный метр, то есть рв ~ 38010³ кг/м² = 3,8106 Н/м² = 3,810² Н/см². Причем электромагнитное излучение имеет давление р = Еэ(1+ρ)/с; Еэ = рс/(1+ρ) (7.18) где Еэ – энергетическая освещенность, Вт/м²; ρ – коэффициент отражения, здесь ρ = 0; с = 3108 м/с, скорость света. Отсюда имеем Еэ = 1,141015 Вт/м² = = 1,141011 Вт/см². Эта мощность соответствует ежесекундной аннигиляции ~ 1,210-2 кг = 12 г с площади 1 м², то есть эта конструкция должна быстро тратить свою массу на излучение. Однако главное в том, что Еэ = 1,141011 Вт/см² = 114 ГВт/см², что соответствует мощности ~ 10 атомных блоков на электростанции, и такую мощность не заметить очень сложно (такой поток энергии просто сожжет любую машину). А сейчас существуют различные технические устройства с большой скоростью вращения, например, гироскопы имеют вращение со скоростью 60000 об/мин и более, кроме того, в Японии создана электрическая машина (с постоянными магнитами) мощностью 1 МВт, а во Франции – асинхронная машина мощностью 2 МВт, однако никакого серьезного излучения не наблюдалось. Поэтому этот способ вызывает большие сомнения (а скорее – просто не реален). Рассматривая красивый проект полевого двигателя по [185], отметим привлекательность такой идеи и логичность конструкций. Однако вызывает большое сомнение оценка энергоемкости вакуумного поля величиной ~ 1073 Дж/м³, и по сравнению с энергией вакуума ρV ~ 6,510-24 Дж/м³ разница составляет 97 порядков, поэтому даже модель вакуумного конденсата с энергоемкостью ~ 1035 Дж/м³ выглядит более близкой к реальному вакууму. И в случае реализации данного проекта его характеристики будут значительно ниже заявляемых, рассчитанных из условия вакуума, имеющего энергию ~ 1073 Дж/м³ (конечно, математика позволяет доказать практически все, но физически это все-таки нереальная величина). Рассмотрим проект гравитационного двигателя по [212]. Как известно, излучение гравитационных волн телами, движущимися с переменным ускорением, предсказала еще теория Эйнштейна, и сейчас их уровень рассчитывается по известным зависимостям. Од197 нако проблема в том, что мощность гравитационного излучения, даже за счет движения всех планет Солнечной системы (Земля, Юпитер, Сатурн и все другие планеты) составляет около 1011 эрг/с ≈ 104 Дж/с = 10 кВт [103]. И при использовании в эксперименте массы рабочего тела в 1,4 кг и мощности электродвигателя 1600 Вт получить ощутимый уровень излучения гравитационных волн просто невозможно. Конечно, можно говорить об особых условиях проведения эксперимента, но вряд ли можно повысить эффективность излучения на 20–25 порядков за счет технических элементов конструкции или особых режимов ускорения. И скорее всего полученный эффект объясняется каким-либо физическим эффектом, связанным с взаимодействием атомов и вращающегося диска. Например, известен радиометрический эффект, заключающийся в возникновении силы отталкивания между двумя пластинами, нагретыми до различных температур, в среде разряженного газа, низкого вакуума; при этом имеем разное взаимодействие атомов с пластинами с различными температурами. Известен и другой эффект, в котором параллельные пластины, находящиеся в разреженном газе (при постоянных температуре и давлении), с длиной свободного пробега частиц, значительно превышающей расстояние между ними, испытывают взаимодействие в силу взаимного экранирования импульсов частиц газа. Эффект экранирования имеет место на расстояниях, существенно меньших длины свободного пробега частиц газа [221]. Еще одна близкая аналогия – винтовой двигатель или обычный вентилятор, в которых пропеллер, винт, сложной формы воздействует на атомы атмосферы, ускоряя их. Здесь, в установке нет сложной формы, а есть плоская поверхность диска, однако при быстром вращении даже микронеровностей поверхности хватает для небольшого динамического воздействия на атомы у поверхности диска. Иначе, динамика движения атомов среды (даже низкого вакуума) у вращающейся поверхности диска отличается от динамики у неподвижной поверхности, а это вполне приводит к разному взаимодействию атомов с поверхностью вращающегося диска (передача энергии атомам и их отброс от поверхности) и неподвижными поверхностями камеры. И это вполне реальная и земная причина появления эффекта в эксперименте. Что касается американских патентов типа [217], то их сложно оценить по формуле изобретения без ознакомления с описанием заявки (при этом возникают и проблемы перевода таких физических процессов). Подводя итоги, можно отметить, что было бы интересно провести более чистые эксперименты. Например, испытать модель гра198 витационного двигателя в космическом вакууме где-нибудь в межпланетном пространстве, вне зоны действия полей Земли, при свободном полете КА. Также было бы интересно в межпланетном пространстве (вне магнитосферы Земли) провести эксперименты с истечением струи плазмы из плазмотрона в разных направлениях в пространстве. И данные таких «чистых» экспериментов дадут действительно надежные результаты по этим проектам. В заключение подчеркнем исключительную важность экологического аспекта подобных проектов, связанного с величайшей ценой ошибки. Ведь сейчас наука не имеет четкого знания о вакууме, его структуре, поэтому исследования по извлечению энергии из вакуума, связанные с различного рода воздействиями на вакуум, с точки зрения экологии можно охарактеризовать как «дразнить дракона, дергая его за хвост». Представим, что где-то в лаборатории с помощью какого-либо воздействия (пусть даже совершенно случайно, исходя из «благих» побуждений) дают толчок к осуществлению цепной реакции выделения энергии из вакуумного конденсата. А современная физика не знает путей для остановки подобной цепной реакции в случае ее возникновения. А выделение полной энергии вакуума даже из объема 1 см³ (кубик 1 см х 1 см х 1 см!) = 10-6 м³ дает величину ~ 1029 Дж, и это соответствует общему излучению Солнца за 300 сек или взрыву ~ 1010 термоядерных бомб. И этой энергии вполне достаточно, чтобы планета Земля просто прекратила свое существование как место обитания любой формы жизни (если вообще не развалится на обломки). Выше уже рассматривались параметры Солнца. И даже эти высокие (с точки зрения современного уровня земной техники) параметры не дают сколько-нибудь значительного взаимодействия с вакуумом. К счастью, и предлагаемые проекты с их низкими энергиями и простыми конструкциями пока не могут дать сколько-нибудь значительного взаимодействия с вакуумом, в том числе привести к случайному взрыву и уничтожению земной цивилизации. И вполне можно предположить, что, например, вспышка сверхновой звезды происходит, когда изменение структуры и физических условий внутри звезды приводит к интенсивному взаимодействию с вакуумным конденсатом и импульсному выделению энергии из вакуума. Впрочем, почему бы не сделать еще более дерзкое предположение, что часть вспышек сверхновых – это результат физических исследований вакуума иными цивилизациями, так сказать – грандиозный научный эксперимент; а впрочем, может быть, и результат случайной ошибки экспериментаторов. 199 Поэтому, прежде чем реально приступить к осуществлению извлечения энергии из вакуумного конденсата, необходимо выяснить структуру вакуума, в том числе и подтвержденную экспериментально, и уже на основе реально работающей теории разрабатывать физическую схему извлечения энергии из вакуума и возможности экстренного прерывания этого процесса, а затем и разрабатывать конструкции по созданию таких энергетических устройств. А вообще, с точки зрения экологии идеально было бы проводить эксперименты по созданию таких источников энергии на основе вакуума где-нибудь за пределами Солнечной системы. И сейчас на первом месте должно быть теоретическое и экспериментальное изучение структуры вакуума, и лишь где-то там, далеко, попытки извлечь энергию из вакуума с помощью какого-либо сильного воздействия на вакуум. Поэтому идеальным является активная поддержка научного изучения вакуума (со стороны государства и различных фондов), и одновременно – запрет, мораторий, на финансирование технических проектов по извлечению энергии из вакуума, длящегося вплоть до времени появления работоспособной теории вакуума, подтвержденной экспериментами. А нынешний случайный поиск вслепую по различным гипотезам и идеям вполне может когда-нибудь привести к случайной и фатальной ошибке при проведении эксперимента – случайно дать толчок и запустить цепную реакцию выхода энергии из вакуума. А цена такой случайной ошибки – само существование земной цивилизации. Никакие источники энергии не стоят такого исхода! Это слишком высокая цена за слепой поиск, и это недопустимо. 7.4. Двигатель с использованием вакуума. Безусловно, возникают большие проблемы с использованием энергии вакуума, особенно – для варианта двигателя с выделением энергии вакуума, в том числе и экологические проблемы, описанные в разделе 7.3. Однако на первом этапе можно попытаться обойтись без выделения энергии вакуума, используя вакуум только в качестве физической среды. Для физической аналогии воспользуемся движением корабля в океане. Винт двигателя приводит в движение воду, отбрасывая ее и создавая при этом силу. Причем создаваемая сила взаимодействия определяется всей массой воды и ее плотностью (а также эффективностью конструкции винта), а не потенциально возможной энергией при аннигиляции этой массы воды. Аналогичная ситуация и для движения винтового самолета в атмосфере, где сила тяги также создается винтом за счет взаимодействия со всей массой воздуха и ее 200 плотностью. То есть, при изменении плотности среды в ~ 1000 раз физика процесса создания тяги аналогична (отличия есть, но это мелочи, технологические особенности, с точки зрения физики). А природа все-таки аналогична в своих различных проявлениях! Большой обзор по сравнению различных формул и зависимостей при движении ЛА в воздушной атмосфере и физическом вакууме приведен в [214] (согласно разделу 7.2), где доказывается аналогичный характер таких зависимостей, их динамики. Поэтому можно достаточно уверенно говорить о движении КА в вакууме, используя аналогию в существующей технике. Да, согласно КХД вакуум как модель вакуумного конденсата (глюонный конденсат) имеет плотность ~ 1018 гсм-3. И в разделе 7.3 такая ситуация оценивалась просто – имеем потенциально высочайшую энергию вакуума как глюонного конденсата или иной структуры, однако эта энергия имеет минимальный выход в наш мир. Причем физика показывает, что фотоны – частицы без массы – имеют импульс и создают силу, то есть и безмассовая «чистая» энергия создает силу (например, в фотонных двигателях). И известна знаменитая формула Эйнштейна Е = mс², отражающая эквивалентность массы и энергии. Однако это полностью применимо и для вакуума, например, для модели кварк-адронного вакуума, с его специфическими частицами и энергией (это относится и к другим моделям вакуума). Причем величины такой скрытой плотности энергии весьма впечатляющие, и, потенциально имеем возможность «плавания» по космосу – «океану». Сразу подчеркнем, что здесь речь идет об использовании вакуума именно как внешней среды (как вода или воздух), и здесь нет извлечения энергии из вакуума. Поэтому здесь для взаимодействия с вакуумом используется энергия от электростанции на борту КА. И сейчас появляются предложения по использовании физического вакуума как внешней среды в двигателях, например, вакуум с помощью движителя всасывают, осуществляют над ним работу и отбрасывают в направлении, противоположном всасыванию, причем возможно этот вакуум всасывать и отбрасывать циклически, а циклы всасывания по времени не совпадают с циклами отбрасывания [222]. Однако заметим, что такая полная аналогия цикла работы с воздушными двигателями здесь вряд ли уместна и реальна. Это связано с весьма специфическими свойствами вакуума (над вакуумом нельзя совершать работу), подробно описанными в разделе 7.1, и создание подобного двигателя просто нереально. Наиболее реальным является создание космического варианта винтового двигателя для КА, взаимодействующего с вакуумом по201 средством полей, можно назвать – космический самолет на основе вакуума. Основа работы такого двигателя – взаимодействие, отклик вакуума на сильные поля, что вызывает различные физические эффекты, например, поляризацию вакуума, описанные в разделе 7.1, при этом напряженности таких полей значительно меньше Екр и Нкр. Наиболее вероятно, что вакуум имеет в своей структуре и виртуальные пары – дипольные частицы, диполь кварк-антикварк. А это значит, что такие дипольные пары реагируют на поля, поляризуются, а также взаимодействуют с полями. И здесь привлекает внимание конструкция ЭРД для ускорения диполей, предложенная J. Е. Сох [163], основанная на применении взаимно перпендикулярных переменных и магнитных полей. Еще более интересна и перспективна система магнитных и электрических полей – активатор вакуумного поля, предложенный В.С. Леоновым [185], и рассмотренный в разделе 7.2. Правда, здесь нет специального рабочего тела, на которое воздействует система полей активатора. Здесь же требуется пространственное, большое по площади воздействие на вакуум, то есть необходима система на основе активаторов Леонова. И такая система активаторов позволяет получить большое пространственное неоднородное поле, обеспечивая поляризацию элементарных дипольных частиц вакуума, а воздействие вращающихся магнитного и электрического полей (за счет многофазных систем питания) обеспечивает смещение потока частиц. Конструкции целого ряда активаторов, простых и более сложных, разработаны Леоновым достаточно подробно [185] и вполне реальны для обеспечения воздействия полей на вакуум. Более сложным является вопрос о форме «винта» из системы активаторов, которая обеспечивает смещение, отбрасывание дипольных частиц и появление тяги на «винт». Здесь сейчас единственный путь – экспериментальный, а в качестве хоть какой-то основы – аналогии с винтами для кораблей и самолетов. Еще один вопрос – нужно ли вращение «винта»? Скорее – да, нужно, так как это обеспечивает увеличение объема вакуума, подвергаемого воздействию системы полей; кроме того – это увеличивает смещение частиц; а также – повышает неоднородность системы полей в пространстве вокруг «винта», что усиливает воздействие полей и стимулирует смещение, отбрасывает частицы от «винта». Другой вопрос – какая нужна скорость вращения винта? В плотной среде – воде – винт вращается с малой скоростью, а в воздухе винт самолета вращается с большой скоростью. У вакуума плотность ρV << 1 кг/м³, а скрытая плотность >> 1 кг/м³. Однако вакуум – это релятивистские частицы, скорости которых на порядки больше любой скорости механического вращения винта, поэтому здесь 202 принципиально нет физического смысла в достижении высоких скоростей. Но здесь вступает в действие другой фактор. Вакуум и КА движутся относительно друг друга, то есть можно говорить о ежесекундном «расходе» вакуума через площадь воздействия винта. Поэтому необходимо все же стремиться к высоким скоростям вращения, так как это увеличивает частоту воздействия градиента магнитного поля в объеме с вакуумом, увеличивает и общее динамическое изменение поля в объеме и во времени, а это увеличивает воздействие полей на вакуум, в том числе и силу воздействия, тем самым повышает мощность и энергию винта при его взаимодействии с вакуумом. Подчеркнем, что речь идет именно о взаимодействии с вакуумом, а не о совершении работы над вакуумом (это невозможно). Безусловно, очень интересно использование многофазных активаторов Леонова, при этом сочетание переменных полей (и создаваемых при этом градиентов) от таких активаторов и вращения винта создаст фантастически сложную картину градиентов полей и их взаимодействия с вакуумом. Схема подобного винтового двигателя приведена на рис. 7.6. Рис. 7.6. Винт для вакуума 1 – активаторы Леонова; 2 – каркас для крепления активаторов; 3 – узел вращения винта; 4 – КА. При этом в каркасе и проходят коммуникации подвода энергии к активаторам Леонова, и образуется система активаторов, закрепленных на каркасе винта, который вращается от какого-либо электродвигателя или турбины энергоустановки. Еще один вопрос – поверхность каркаса. Принципиально элементарные частицы пройдут через любой материал без заметного ядерного взаимодействия. Однако представляется, что все же оптимально каркас изготовить в виде многослойной конструкции, и в частности, первый слой – из диэлектрика, который под действием электрического поля активаторов поляризуется и образуется дополнительная поверхность, создающая электрическое поле, так же воздействующее на частицы вакуума. Второй слой – из электропроводящего материала или из сверхпроводящего материала (рассчитанного на работу в высокочастотных полях), или их сочетание – обеспечивает дополнительное магнитное поле. Более оптимальная конструкция определится из экспериментов. Конечно, математика позволяет обосновать практически все, хоть силу тяги в тысячи тонн на площадь винта в 1 м². Но, но… ре203 альная физика ничего не позволяет точно рассчитать. И учитывая минимальный уровень знаний о вакууме, о физике взаимодействия полей активатора и в целом – системы активаторов с элементарными частицами, невозможно даже теоретически оценить силу тяги подобного винта (тем более, зависимость силы от скорости вращения, конструкции активаторов и т.п.). При очень грубой оценке реальная сила тяги такого винта может составить от 10-7 Н до 108 Н на 1 м² площади взаимодействия винта из активаторов. И можно уверенно лишь говорить, что взаимодействие вращающейся системы активаторов – винта с вакуумом однозначно будет, и также наверняка будет и сила тяги. Но величина этой силы тяги определится только экспериментально. Для грубой оценки силы тяги воспользуемся параметрами полей винта, не пытаясь определить лучшую и реальную модель вакуума. Для заметного взаимодействия с вакуумом необходимо сильное магнитное поле активатора, например, Вак ≥ 20 Тл, при этом плотность энергии магнитного поля ωm ≈ 1,6108 Дж/м³, и это эквивалентно давлению магнитного поля рмак ~ 1,6108 Н/м². Принимаем магнитное поле в виде узкой зоны сильного магнитного поля (с резким градиентом напряженности). Тогда для варианта мощности магнитного поля Wмак ≈ 107 Вт (принимаем для примера) имеем объем зоны ~ 0,062 м³, и при толщине зоны ~ 0,1 м это соответствует площади сильного магнитного поля Sмак ≈ 0,6 м². Принимаем, что и электрическое поле с аналогичной мощностью Wэак ≈ 107 Вт также сосредоточено (вместе с магнитным полем) в этой узкой зоне (точнее – в виде системы резких градиентов полей, со средним полем ~ Вак). Тогда, используя 3-й закон Ньютона, эта система полей действует на вакуум с той же силой, что и вакуум на систему полей винта. И сила тяги Rак = рмак Sмак кэак; (7.19) где кэак – коэффициент эффективности системы полей винта. И здесь, для принимаемых в примере параметров рмак и Sмак, получаем Rак = 108 кэак. Для сравнения заметим, что сейчас для винтового воздушного самолета эффективность использования подводимой мощности винтом при взаимодействии с воздухом достигает 0,8 0,85 = 80 85%. Однако ~ 100 лет назад, на заре авиации, эта эффективность составляла всего несколько процентов, и лишь постепенно, за многие десятилетия экспериментов конструкция винта становилась все оптимальнее и лучше взаимодействовала с воздухом, обеспечивая повышение эффективности использования винта и подводимой мощности для создания силы тяги. И вряд ли можно сейчас всерьез говорить о высокой эффективности взаимодействия системы полей винта с вакуумом, учитывая начальный этап создания подобных двигателей. И если удастся полу204 чить хотя бы кэак ≈ 0,001 = 0,1%, то и это будет большой-большой удачей (и счастьем для космонавтики). Для варианта с кэак = 0,001 величина силы тяги Rак ≈ 105 Н, а для сравнения заметим, что для ЭРД с мощностью ~ 20 МВт при скорости ~ 40 км/с сила тяги составит ~ 10³ Н, что на 2 порядка меньше, чем у винтового вакуумного двигателя. Таким образом, использование вакуума в качестве внешней среды принципиально вполне реально (с точки зрения физики), а главный вопрос – в создании конструкций и физических полей, обеспечивающих эффективное взаимодействие системы полей и вакуума. Причем в случае обеспечения значений коэффициента кэак ~ 0,1%, собственно, проблема межпланетных полетов внутри Солнечной системы будет решена полностью (включая достижение КА скоростей в десяткисотни километров в секунду). Создание такого винта – это первый и робкий шаг по использованию вакуума в космических двигателях, прежде всего именно в качестве внешней среды, отбрасываемой полями системы активаторов. В более далеком будущем возможно использование и перемещение (колебания) в пространстве около КА релятивистского кольца ионов и электронов, описанного в разделе 6.3, которое имеет уровень магнитного поля ~ 300 Тл и более, с образованием мощнейшего градиента в пространстве вблизи такого кольца. Такое кольцо обеспечит сильное взаимодействие с вакуумом, и в сочетании с большим диаметром кольца позволит получить очень высокие уровни силы тяги, достаточные для ускорения КА до скорости в тысячи километров в секунду. В далекой перспективе возможно использование и энергии вакуума для создания двигателей КА. Глава 8 НА ГРАНИ ФАНТАСТИКИ 205 Введение Сейчас постепенно в технику входят новые идеи и понятия, которые абсолютному большинству ученых и инженеров кажутся фантастическими, в высшей мере экзотическими, а их авторы – еретики и фантазеры. Однако попробуем спокойно посмотреть и оценить то, что вполне может стать когда-то реальным, возможно и в недалеком будущем. 8.1. Гравитационные двигатели Сейчас, по мере изучения гравитации, из области чистой фантастики начинают появляться полуфантастические технические проекты. В частности, еще в 70-е годы американские ученые обратили внимание на то, что при работе со сверхпроводниками происходят гравитационные нарушения, а в 1996 году была опубликована работа Е. Подклетова, в которой утверждалось, что при вращении диска из сверхпроводящей керамики над электромагнитами происходит уменьшение гравитационного поля и веса (всего на 0,3%) [2]. Отметим и F. Alzofon, разработавшего теоретическое обоснование принципиальной возможности антигравитации на основе полуэмпирической модели (на уровне элементарных частиц) образования гравитационного поля [223]. Это вызывает интерес к проведению дальнейших научных исследований. А на основе подобных разработок начинают появляться идеи использования сверхпроводящих пленок для антигравитационных экранов, а также другие идеи, например, идея способа создания антигравитации с использованием мощного слоя фотонов в узком слое вещества [224] или идея гравитационноэнергетического экрана [225], и другие идеи. Подчеркнем, что сейчас физика и техника обеспечивают экранирование от электрического, магнитного и электромагнитных полей. И если гравитация – физическое поле, то и создание антигравитационного экрана не нарушает никаких законов физики, просто сейчас не хватает каких-то знаний и понимания тонкостей, которые позволят решить эту проблему. Не вдаваясь в весьма спорные физические аспекты создания таких экранов, будем просто считать, что такой экран все-таки создан, и из интереса рассмотрим возможности ускорения КА в случае использования экрана. Схема такого КА изображена на рис. 8.1. Отметим, что полезная нагрузка КА при использовании экрана теряет вес, то есть прекращается гравитационное взаимодействие с небесным телом, например, Землей. Однако полезная 206 нагрузка – это множество различных типов молекул, протонов и т.п., которые никак не могут потерять массу, то есть полезная нагрузка сохраняет свою массу практически неизменной. Рис. 8.1. Схема гравитационного КА 1 – поверхность 1-го небесного тела; 2 – антигравитационный экран КА; 3 – полезная нагрузка КА; 4 – 2-е небесное тело Подчеркнем, что антигравитационный экран лишь разрывает гравитационную связь между КА и другим телом, но сам экран не является источником движения КА, не является двигателем или источником энергии. И наиболее реальный вариант – частично открытый КА (полностью защищенный только от гравитации Земли) к другому небесному телу, и в этом случае другое небесное тело притягивает КА к себе. Именно этот вариант и оценим. Для взаимодействия с далеко расположенным небесным телом вполне допустимо приближение гравитационного взаимодействия 2 точек по закону всемирного тяготения: m m F12 f 1 2 2 ; (8.1) R где f = 6,6710-11Нм²/кг², гравитационная постоянная; m1 = 1 кг, масса в 1 кг для КА; m2 – масса небесного тела; R – принимаемое для расчета расстояние между КА и небесным телом. При этом напряженность поля g, здесь совпадающее с ускорением КА (и независящее от полной массы КА) определяется зависимостью: F g 12 ; (8.2) m1 При этом в первом приближении величина скорости V и пути ускорения КА S за время ускорения t оценивается по известным зависимостям: 207 S gt 2 / 2 ; V gt (8.3) Представляет интерес для оценки такого способа ускорения и вариант, в котором величина силы F12 = 1 Н и необходимое для этого расстояние R1, в точечном приближении. Результаты оценок для ускорения КА представлены в таблице 8.1. Таблица 8.1 Ускорение КА гравитацией Старт с поверхности Земли к: Параметр Луна Солнце Венера Марс Юпитер 22 30 24 24 Масса небесного тела, кг 7,3510 ~210 4,910 0,64510 1,91027 Расчетное расстояние R, м 3,8108 1011 1,51011 51010 6,31011 Напряженность поля, 3,410-5 610-3 1,310-7 4,310-9 310-7 ускорение, g, м/с² Расстояние R1 для 2,2106 1,151010 1,8107 6,5106 3,6108 F12 = 1 Н, м V, скорость за 29 5180 0,112 0,0037 0,26 t = 8,64105 с = 10 сут, м/с Длина ускорения S 1600 1,26107 2,28109 5104 1,1105 за t = 10 сут., м Время ускорения 3,43106с= 2,58105с= − − − для S = 2108 м =39,6 сут =2,98 сут Полет от небесного тела к: Параметр Венера к Луна Марс Юпитер Марс Земле к Земле к Земле к Солнцу к Солнцу 24 Масса небесного тела, кг 610 61024 61024 21030 21030 Расчетное расстояние R, м 51010 1011 3,8108 7,81011 2,31011 Напряженность поля, 1,610-7 2,810-3 410-8 2,210-4 2,510-3 ускорение, g, м/с² Расстояние R1 2107 2107 2107 1,151010 1,151010 для F12 = 1 Н, м V, скорость за 0,14 2400 0,034 190 2200 t = 8,64105 с = 10 сут, м/с Длина ускорения S 6104 1,05109 1,5104 7108 9,3108 за t =10 сут., м Время ускорения 3,78105с= − − − − для S = 2108 м =4,37 сут Из таблицы 8.1 видно, что применение планет для ускорении КА малоэффективно. И интерес представляют лишь полеты с использованием гравитации Солнца, в том числе и для полета от Марса к Земле с помощью Солнца, а также интересен полет к Луне с Земли и наоборот – к Земле при старте с Луны. При пути ускорения S = 2108 м = 200000 км, равном примерно половине пути к Луне (другая половина пути идет на замедление КА), параметры полета вполне 208 нормальны, в том числе и по длительности полета. И учитывая независимость ускорения КА от массы КА, такой способ очень перспективен для варианта большого массопотока с Земли на Луну и наоборот. Отметим, что в реальности сила тяготения будет больше по мере приближения к небесному телу, поэтому оценки по табл. 8.1 несколько занижены. Однако для оценки способа в первом приближении (в том числе – перспективности) вполне достаточно и такого расчета. Таким образом, для варианта с частично открытым КА (полностью защищен от гравитации небесного тела, где находится КА, и открыт для дальнего небесного тела) реально применение для полетов на Луну, а также к Земле с помощью Солнца, а в дальнейшем – для полетов между спутниками вблизи других планет, таких, как Юпитер, Сатурн и т.п. То есть это достаточно ограниченный объем применения КА в космонавтике. А главное – здесь не обеспечивается скоростной полет КА к другим планетам, причем желательно по произвольной траектории. Более сложный вариант – движение КА, у которого вся поверхность покрыта антигравитационным экраном, то есть КА будет защищен от взаимодействия с любой гравитацией. Такой КА зависнет в пространстве, а затем начнет ускоряться под действием гравитационного поля небесного тела. Здесь возникает вопрос о величине силы на ускоряемый КА. В первом – оптимистическом – варианте для ускорения КА идет величина всей напряженности поля g небесного тела. Во втором – реальном – варианте для ускорения КА идет величина напряженности поля ∆g на поверхностях КА. Рассмотрим реальный вариант ускорения КА, для наглядности – для Земли. Здесь КА находится в гравитационном поле Земли, и весь объем КА окружен гравитационным полем, погружен в это поле, и только градиент такого поля дает силу на КА. Для Земли напряженность поля R32 g g0 (8.4) R3 Н 2 ; где g0 – ускорение на поверхности Земли; R3 – радиус Земли, равен ~ 6400 км = 6,4106 м; Н – высота от поверхности Земли. В первом приближении Н << R3, тогда имеем: H g g 0 1 2 g 0 g ; RЗ (8.5) 2 H 7 g 6,4 10 6 3,1 10 Н ; 209 Тогда для высоты КА с НКА = 1 м имеем ∆g1 ~ 310-6 м/с², а для КА высотой с НКА = 100 м имеем градиент гравитационного поля ∆g100 ~ 310-4 м/с², то есть меньше, чем при притяжении КА Солнцем для рассмотренного выше варианта с частично открытым КА. В оптимистическом варианте на КА действует вся напряженность поля g небесного тела, и здесь действительно возможно быстрое ускорение КА. Отметим, что есть физически спорная возможность большого ускорения КА – если будет доказана экспериментально зависимость силы на КА от площади Sэг антигравитационного экрана (см. эскиз на рис. 8.1). Тогда станет возможным за счет большой площади Sэг – намного больше площади сечения самого ускоряемого КА – получить и увеличение ускорения КА. Таким образом, применение антигравитационного экрана достаточно перспективно для космонавтики, а эксперименты позволят точно определить параметры ускорения и область его оптимального использования. 8.2. Двигатель на основе энергии вакуума Возвращаясь к идеям двигателей с использованием вакуума, рассмотренным в главе 7, отметим и далекий вариант такого двигателя с извлечением энергии из вакуума. Уже вполне понятно, что извлечение энергии из вакуума – это пороговый процесс. Для аналогии отметим, что к ним относится и химический процесс горения нефти, угля и т.п., требующий предварительного нагрева топлива. Аналогичны и термоядерные реакторы, где термоядерные реакции идут только при определенных температурах и концентрациях (порог – согласно критерию Лоусона nτ). Особняком стоят ядерные реакторы на основе реакций деления урана или плутония, где достаточно наличия критической массы для начала реакций. Однако здесь используют искусственно изготовленные (обогащенные) изотопы, которых практически нет в природе (есть следы, примеси), а природный уран не позволяет осуществить такие реакции деления. А какие могут быть для вакуума критическая масса или обогащение? Однако ни одна гипотеза (теория) о строении вакуума, согласно разделам 7.1 и 7.2, не позволяет реально определить условия начала «горения» вакуума – с выделением энергии, не позволяет определить вакуумный эквивалент критерию Лоусона для термоядерных реакций. Иначе, неизвестна реальная величина требуемой энергии и объема нагреваемой области вакуума для организации выделения энергии из вакуума, причем с превышением этой выде210 ляемой энергии над подводимой извне энергии нагрева к вакууму. Невозможно даже оценить и параметры выделяемой энергии вакуума, как коэффициент усиления мощности по сравнению с подводимой энергией, так и вид выделяемой энергии – поток электромагнитного излучения? Тогда какого – мягкого рентгеновского или очень жесткого γ-излучения? Или поток элементарных частиц (релятивистских, типа кварков, или более элементарных), или смесь всего, или что-то иное? Непонятно и воздействие выделившегося потока энергии из вакуума на окружающий холодный вакуум – будет ли этот поток энергии свободно распространяться в вакууме без заметного взаимодействия с окружающим вакуумом, или этот поток способен вызвать дальнейшее выделение энергии в окружающем вакууме, тем самым обеспечивая самоподдерживающийся режим «горения» вакуума (причем в этом случае горение практически не ограничено в пространстве). Тогда в этом варианте как оценить скорость распространения «горения» вакуума, а также условия для ограничения «горения» вакуума только в узком длинном канале (внутри двигателя), ограничения распространения «горения» вакуума в пространстве вокруг канала, непонятны и условия быстрого прекращения «горения» вакуума в случае необходимости. И таких вопросов очень – очень много! А главная проблема – как использовать выделяющийся сверхмощный и сверхплотный поток энергии. Ведь даже для кварк – адронных процессов выделяемая энергия ~ 1023 Дж/м³, а для полной энергии (электрослабое взаимодействие) имеем ~ 1035 1036 Дж/м³, а мощность излучения нашего Солнца ~ 3,81026 Вт с поверхности шара с радиусом ~ 7108 м = 7105 км. То есть выделяемая энергия по плотности потока энергии и мощности на многие порядки мощнее потоков энергии при термоядерном взрыве. И как управлять таким потоком энергии в двигателе – это главный вопрос, так как в земной современной технике нет ничего подобного, и разница составляет по энергетике ~ 1010 раз и более. И сейчас фактически речь может идти об использовании только незначительной части энергии вакуума. И лишь где-то в далеком будущем (через многие сотни лет) земная техника (и то лишь – может быть) и сможет попытаться работать с такими энергетическими потоками. Отметим, что условия внутри Солнца (как отмечалось в разделе 7.3) не могут «зажечь» вакуум. Не смогли это сделать и различные термоядерные реакторы, а также мощнейшие взрывы термоядерных бомб (на испытаниях в 50–60-е годы 20 века). Таким образом, для сильного воздействия на вакуум необходимы поистине «адские» условия. Логично считать, что для такого воздействия необходимы энергии, обеспечивающие появление по211 лей на уровне Екр и Нкр (согласно разделу 7.1). Как отмечалось в разделе 7.1, сейчас достижение такого уровня энергий и полей возможно с помощью мощнейшего импульсного рентгеновского лазера с плотностью энергии ~ 1028 1030 Вт/см² или с помощью образования квазиядра с эффективным зарядом z = 184 при столкновении тяжелых ядер, например, урана. С точки зрения практической реализации, в том числе и меньших энергетических затрат, более просто и надежнее использование образования квазиядер. При этом необходимая энергия ядер урана ~ 1,0 ÷ 5 Гэв, то есть реальная величина. И для реализации такой идеи необходимо наличие двух встречных пучков, то есть типичная ускорительная техника – ускоритель на встречных пучках (два кольца со сверхпроводящими магнитами), где пучки состоят из ионов урана (или других очень тяжелых ионов), с периодической встречей пучков в зоне реакций со столкновениями ядер. При этом зона реакций становится и зоной воздействия на вакуум, с выделением из вакуума мощного электрон – позитронного потока частиц и энергии. И по мере расходования ядер урана в пучках добавляют новые ионы. Собственно, технически такая идея вполне соответствует современному уровню техники. Конечно, здесь необходимо решить много проблем – исследовать эффективность образования квазиядер в зависимости от различных параметров, защитить кольца ускорителей от выделяющегося потока энергии и т.п. Но в принципе это вполне решаемая техническая задача. Однако интересна и другая возможность, используя идею электронного релятивистского кольца для РАЭ, изложенную в разделе 6.2, а также идею фотонного двигателя на СИ (синхротронном излучении), описанная в разделе 6.4. Здесь интересно использование мягкого рентгеновского излучения, с длиной волны λ// ~ 4,410-2 нм, с энергией излучения N//изл ~ 104 ГВт с одного электронного кольца радиусом R = 30 м с электронами с энергией γ ~ 15000 (~ 7,5 Гэв). Схема такого двигателя представлена на рис. 8.2. В отличие от фотонного двигателя на СИ, с рис. 6.5, где зеркало дает кольцевой поток СИ в пространство, здесь зеркало дает фокусировку рентгеновского излучения в фокус. В идеальном случае, для λ// ~ 4,410-2 нм величина фокуса составит ∆ ~ 10-1 нм = 10-10 м = = 10-8 см, и для N//изл ~ 104 ГВт получаемая плотность энергии Еф ~ 31028 Вт/см², то есть соответствует достаточно близко к нижнему уровню Екр. А при использовании увеличения радиуса R до ~ 100 ÷ 300 м и варьирования параметров электронов кольца (с уменьшением λ// до ~ 10-2 нм и увеличением N//изл) вполне достижимы и Екр ~ 1016 В/см с Нкр ~ 4,41013 Гс, с Еф ~ 1030 Вт/см². 212 Рис. 8.2. Схема двигателя на основе СИ и вакуума. 1 – источник энергии; 2 – ускорительная система; 3 – электронное релятивистское кольцо; 4 – зеркало кольцевое; 5 – поток СИ от кольца; 6 – фокус потока СИ Достоинство такой схемы двигателя - зона выделения энергии из вакуума находится далеко от электронного кольца, что упрощает проблему защиты кольца. Главная проблема – в зеркале для рентгеновского излучения, и эта проблема еще ждет своего решения. Интересен и вариант более сложного электронного релятивистского замкнутого потока на основе метода «короткого» магнита, аналогичного двигателю по разделу 6.4 и рис. 6.6. Здесь на длинных прямых участках излучения электронов практически нет, и все излучение сосредоточено на 2 поворотах по очень коротким дугам окружности (с импульсным мощным магнитным полем). И именно этот узкий концентрированный поток воздействует на вакуум. Наибольший интерес представляет использование нескольких, 2…5, релятивистских электронных потоков, использующих метод «короткого» магнита. При этом излучение от всех потоков направляется в единый фокус, с достижением в фокусе плотности энергии и полей, достаточной для эффективного воздействия на вакуум. Безусловно, только экспериментальное изучение физики космоса позволит реально определить возможные параметры такого двигателя. Если помечтать, то идеальным было бы обнаружение нескольких ступеней, нескольких различных физических эффектов с разным уровнем выделения энергии. А предельно идеальный вариант – воздействие импульсом энергии (например, лазера) на 1 МДж, с выходом и выделением энергии из вакуума на ~ 1 10 ГДж. В принципе, на современном уровне техники достаточно и такого уровня энергии, без мечтаний о максимально возможной энергии, с которой сейчас нельзя даже и работать, управлять ею. Какова будет суровая реальность – будущее покажет. Отметим, как и в разделе 7.3, потенциально высокую экологическую опасность такого двигателя, поэтому экспериментальные исследования по этому двигателю необходимо проводить в космосе, и как можно дальше от Земли. 213 8.3. Сверхсветовая скорость Одна из дискуссионных проблем в физике – скорость света, или в общем виде – скорость распространения взаимодействия или сигнала, а также движения материального тела. Традиционная физика считает, что (согласно ОТО) скорость света – максимальная скорость передачи взаимодействия, или сигнала, или движения материальных тел, и сверхсветовая скорость – это только фазовая или линейная скорости, не связанные с переносом энергии [169]. Однако в этом вопросе всегда были ученые, не признававшие это положение ОТО, принятое по «согласию», на веру, без экспериментальных исследований. Например, еще давно астрономы Лаплас и Пуанкаре считали, что скорость распространения гравитации (взаимодействия) на 7 8 порядков больше скорости света [34]. Отметим и появление в физике еще десятки лет назад теоретической элементарной частицы – тахионов, имеющих сверхсветовую скорость [34], которая периодически появляется, вылезает в различных физических моделях (и от которой в классической физике шарахаются, но никак не могут полностью избавиться). Из российских публикаций последнего времени отметим лишь часть (впрочем, они широко используют данные мировой науки), посвященную этой проблеме. Отметим позицию Р.Ф. Авраменко, считавшего, что скорость передачи сигналов (информации) намного выше скорости света [226]. Отметим работы Г.А. Котельникова, разработавшего версию электродинамики, допускающей сверхсветовые движения, причем эти движения могут осуществляться частицами с действительной массой. Правда, это относится к модели 5-ти мерного пространства Финслера, в котором существуют 2 пространства Минковского, в одном из которых возможно построение теории, подобной СТО, но допускающей сверхсветовые движения с действительной массой [227]. Интересны идеи М.Я. Иванова и Л.В. Терентьевой, считающие, что сверхсветовые скорости вполне возможны и выдвинувшие гипотезу – скорость распространения сильного сигнала может превышать скорость распространения слабого сигнала. При этом преодолеть условный барьер скорости света можно, используя методы теоретической газовой динамики, например, с переходом (благодаря силовому полю) через особую точку, аналог критического сечения сопла Лаваля [171]. Любопытно, что анализируя фундамен214 тальную работу А.Эйнштейна по теории относительности, они отмечают, что в ней рассмотрено преобразование поворота (в двумерных уравнениях Лапласа и Даламбера) только по часовой стрелке, которое и приводит в систему координат, движущуюся со скоростью V < с, и к традиционным «докритическим» преобразованиям Лоренца. Однако для варианта анализа тех же уравнений, выполняя аналогичное преобразование поворота против часовой стрелки, приходим к «сверхкритическим» преобразованиям Лоренца, эквивалентным переходу в систему координат, движущуюся со скоростью V > с. Иначе, достаточно естественно расширение Лоренц – инвариантности на область сверхкритических (сверхсветовых) скоростей, а на их основе можно построить СТО для области сверхсветовых скоростей [171]. Таким образом, в основе работы А. Эйнштейна лежат математические уравнения, которые в реальности имеют выход как в досветовую скорость, так и в сверхсветовую скорость (в зависимости от методики анализа этих уравнений). Отметим и цикл работ М.Ю. Константинова, например, доказывающего (в том числе математически), что при использовании сверхсветовых сигналов не происходит нарушения причинности. А «стандартный» вывод о связи сверхсветовых сигналов с нарушениями причинности (из-за этого традиционная физика не допускает возможности сверхсветовой передачи информации) основан на предположении, что скорость сверхсветового сигнала относительно источника не зависит от движения источника. Однако это предположение неприменимо к общерелятивистскому случаю распространения сверхсветовых сигналов, описываемых общековариантными уравнениями [228]. Согласно работе Н.Н. Розанова, в последние годы появились статьи о локализованных (сохраняющих при распространении ограниченные размеры и неизменную форму) структурах электромагнитного излучения в однородных линейных средах (такие полихроматические структуры также называют Х-волнами). Необычное свойство этих структур – они являются сверхсветовыми, то есть движутся как целое с постоянной скоростью V, превышающей скорость света в вакууме с, при этом со скоростью V осуществляется – подчеркнем и выделим – и перенос энергии волной. Причем физический вакуум (электронпозитронный) обладает как нелинейностью, так и пространственной дисперсией вследствие квантово-электродинамических эффектов поляризации вакуума, проявляющихся только в условиях сверхвысоких плотностей вакуума. Точные решения уравнений Максвелла описывают стационарные сгустки электромагнитного поля, обладающие конечной энергией и распространяющиеся с постоянной сверхсветовой скоростью. При этом теоретически считается, что сверхсветовые лока215 лизованные структуры неустойчивы и обладают конечным временем жизни. Однако это не означает неосуществимости локализованных линейных распределений, например, в вакууме, в течение ограниченного времени жизни сгустка [177], [229]. Отметим и ранее рассмотренный (в разделе 7.1) – подробный критический анализ М.Г. Иванова математических расчетов А. Эйнштейна и Лоренца, и его утверждения, что опыт Майкельсона – Морли доказывает – скорость света постоянна только относительно источника его излучения, а эффект Доплера и опыт Физо доказывает, что скорость света арифметически складывается и вычитается со скоростью его источника или его приемника [111] . Таким образом, современная физика (в лице наиболее передовых ученых) все-таки признает возможность сверхсветовой скорости электромагнитных волн, с передачей энергии без нарушения причинности. Отметим, что экспериментально наблюдалась скорость перемещения изолированных световых импульсов, превышающая в 6–9 раз скорость света в вакууме. Говорится и о внегалактических «сверхсветовых» струях, распространяющихся из центров квазаров [171]. Вообще, эта ситуация интересна и с точки зрения психологии физиков – оказывается, в основе своей они очень верующие люди. Когда очень уважаемый физик своего времени А. Эйнштейн выдвинул теоретическую гипотезу, что в природе высшая скорость во всем – это известная скорость света в вакууме, то физики в целом это приняли, и это перешло и на следующие поколения физиков, но уже в качестве «библейской» истины от физического «бога – Эйнштейна». И уже давно в физических теориях периодически возникают тахионы, но их появление «верующие» физики считают недопустимым и старательно уничтожают следы этих тахионов. Действительно, как же можно противоречить заветам физического «бога – Эйнштейна»! Это даже забавно, и одновременно – грустно. Заметим, что математика позволяет обосновать все, любые теории, причем даже противоположные по физической сути. И в принципе можно даже говорить о девальвации математических подходов в физике. И если в начале развития теоретической физики громоздкие математические выкладки выглядели как символ правильного описания физического мира, воспринимались как истина, то сейчас многочисленные теории доказывают сомнительность такого математического подхода в описании реального мира (мир – один, теорий - много). Можно ли говорить, что теория струн сама автор просто перестал воспринимать математические выкладки как аргумент в физике. А поскольку автор – инженер, то не испытывает и «священного» трепета перед физическим «богом – Эйнштейном» (и его математическими расчетами), внушаемого физикам при учебе в университетах. 216 правильная, так как использует математику высочайшей сложности по сравнению с другими теориями? Подчеркнем, что в реальности имеем физические эксперименты, определяющие, например, скорость распространения света в вакууме. Однако вопрос в другом – существующий уровень экспериментальной техники позволяет регистрировать частицы или процессы со сверхсветовыми частицами? Есть ли методики их поиска? Есть ли критерии для экспериментов, по которым можно сказать, что это именно такие частицы? Собственно, а их искали? (большие сомнения в этом, особенно после принятия в качестве священной догмы гипотезы А. Эйнштейна). Поэтому реально можно сказать, что современный уровень физических экспериментов не позволил найти сверхсветовые частицы и процессы (скорее, отсутствие экспериментов), и ничего более! Заметим, что квантовой физике чуть больше 100 лет, то есть фактически только начала изучать реальный мир. И на основании весьма ограниченного экспериментального материала, (тем более в начале 20-го века) и выдвинутой теоретической гипотезы утверждать, что в природе не может быть никаких физических процессов с передачей энергии или движения каких-либо частиц со сверхсветовыми скоростями – это откровенно слишком обобщающий и явно поспешный вывод. Поэтому логично считать, что вопрос о сверхсветовых скоростях остается открытым, а вопрос скорее в возможности экспериментального подтверждения. Вообще, заметим, что главное в науке – надо воспринимать мир таким, как он есть, и попытки ставить искусственные барьеры на пути изучения мира просто неразумны. И здесь отметим интересную идею метода поиска тахионов, авторы – Ю.Б. Лихушин и А.И. Смирнов, основанную на возможности взаимодействия тахионов с фотонами, при этом происходит перекачка энергии из мира тахионов, согласно реакции взаимодействия 1 t1 t2 2 1 t1 t2 2 (8.6) Схема экспериментов принципиально очень проста. В камере прибора создается глубокий вакуум, куда выводится несколько пучков лазерных фотонов с разными углами падения. Фотоны пучков должны иметь одинаковую энергию 1. И нужно искать вторичные фотоны (рассеянные в переднюю полусферу) с энергией рассеянных фотонов 2, большей чем у первичных фотонов с 1. Проводится поиск таких рассеянных фотонов с энергией 2 > 1, и если такие фотоны будут зафиксированы, то тем самым будет доказано, что тахионы существуют [230]. 217 Однако здесь можно выделить 2 основных направления, из них первое – поиск доказательств существования физических частиц со сверхсветовыми скоростями (типа тахионов), а второе – определить необходимые условия для организации сверхсветового движения каких-либо материальных частиц или физических тел. Касаясь возможности достижения КА таких сверхсветовых скоростей, здесь отметим лишь 2 фактора. Так, для ускорения КА массой 105 кг = 100 т до скорости V = 10с, в грубом приближении – без учета релятивистских эффектов – кинетическая энергия составит ~ 51023 Дж, что соответствует (даже без учета эффективности и потерь энергии двигателей) аннигиляции ~ 5106 кг = 5000 тонн вещества с антивеществом. То есть уровень энергии достижим где-то там, через сотни лет. Более того, наиболее реально это достижимо только при использовании, причем достаточно эффективно, энергии вакуума, то есть опять-таки через сотни лет. Второй фактор – даже при идеальном ускорении КА в 10 м/с² сам процесс ускорения займет ~ 10 лет, то есть получается недопустимо большая величина (причем даже здесь мощность такого двигателя ~ 1015–1016 Вт ≈ 106÷107 ГВт). Поэтому встает задача увеличения ускорения КА до 100÷104 м/с², а для полета человека это недопустимо, то есть необходима какая-то специальная конструкция, и пока нет даже подходов к решению этой проблемы. Поэтому полет КА со сверхсветовыми скоростями нет смысла даже обсуждать. Однако вполне реально сделать первые шаги в этом направлении, то есть определить, в том числе экспериментально, физические условия получения сверхсветовых скоростей для электромагнитных волн и материальных частиц (типа атомов). Более того, помимо научных физических исследований, уже и сейчас это может быть использовано в прикладных целях, в ближайшей перспективе для космической техники (уже где-то в 21 веке), например, для осуществления сверхсветовой связи с межпланетными КА. Реально и пессимистично оценивая возможности всех этих многочисленных теорий (будь то КХД, ОТО, суперструны и т.п.) описать и дать хотя бы качественную картину реальных физических процессов в экстремальных условиях (очевидна их неспособность предсказать хоть что-то, совпадающее с реальным миром, скорее – эти теории подгоняют к реальности), речь должна идти прежде всего об экспериментальных исследованиях, причем – в межпланетном пространстве, вне магнитосферы и гравитационного поля Земли. Первая задача – создание условий получения сверхсветовой скорости лазерного луча (основа связи) в условиях вакуума. Поми218 мо известных систем – по [229], можно предложить и другие схемы, а простейшая из них представлена на рис. 8.3. Рис. 8.3. Схема проведения эксперимента 1 – электронное релятивистское кольцо; 2 – поток синхротронного излучения (СИ); 3 – фокус СИ; 4 – возможные положения лазера; 5 – опытный лазерный луч Здесь фокус СИ – критическое сечение, а сходящийся и расходящийся конус СИ образует сопло для опытного лазерного луча – ОЛЛ. При этом интересно посмотреть на ОЛЛ при его движении относительно СИ: попутное движение – движение в одну сторону СИ и ОЛЛ; встречное движение – когда ОЛЛ и СИ движутся навстречу друг другу. Также интересно посмотреть на движение таких ОЛЛ и СИ в зависимости от соотношения их интенсивностей, а также в зависимости от длины волны, например, оптический ОЛЛ и оптический СИ с более короткими и более длинными волнами, а также сочетание оптического ОЛЛ и рентгеновского СИ (или даже γ-излучения). Любопытно исследовать ОЛЛ и при движении через само релятивистское электронное кольцо, через слой электронов и через магнитное и электрическое поле кольца, в зависимости от направления движения ОЛЛ. Интересно посмотреть и на столкновение 3 лучей ОЛЛ, с разных сторон, внутри электронного кольца, и что из этого получится, согласно схеме на рис. 8.4. Рис. 8.4. Схема проведения экспериментов 1 – электронное релятивистское кольцо; 2 – поток СИ; 3 – различные положения лазеров; 4 – траектории ОЛЛ Значительно более сложная схема представлена на рис. 8.5. 219 Рис. 8.5. 1 – электронные релятивистские «кольца»; 2 – магнитное поле «колец»; 3 – СИ «колец»; 4 – лазер; 5 – опытный лазерный луч; 6 – фокус системы; а), б) – схемы схождения СИ Здесь оптимально использовать метод «короткого» магнита для получения СИ (см., например, раздел 6.4., или [157]), с длинными прямыми линиями движения электронов (на которых излучения практически нет) и резкими поворотами по короткой дуге окружности в магнитном поле, с интенсивным излучением при повороте (с широким спектром длин волн СИ). И вытянутые электронные «кольца», размещенные в виде звезды, 3–7-лучевой системы (на рис. 8.5 изображены 3 луча), создают в фокусе системы мощное магнитное поле от токов в «кольцах», кроме того, электроны создают и электрическое поле в фокусе. Также от «колец» идут и лучи СИ, которые сходятся в фокусе, при этом возможны 2 варианта – когда все лучи сходятся в одной точке – линии (с возможно максимальной точностью) или образуют полость, свободную от СИ, внутри которой движется ОЛЛ. При этом в таком поле происходит воздействие на вакуум – поляризация и т.п. Тогда фокус будет ожидаемым «критическим сечением» – соплом для обеспечения перехода луча от световой к сверхсветовой скорости. Отметим, что такая схема, где нет отражения СИ от зеркал, позволяет получить мощное рентгеновское СИ, а если постараться – то и γ-излучение. И варьируя параметры фокуса, напряженности полей и геометрию полости, возможно удастся определить условия перехода ОЛЛ на сверхсветовую скорость. Одна из главных задач – определить необходимые условия для получения длительного времени жизни таких сверхсветовых волн, по крайней мере достаточного для связи Земли и КА где-то на орбите Плутона. Отметим, что здесь есть соблазн за счет напряженности поля пробить вакуум, с выделением энергии электрон-позитронных пар, 220 но учитывая конечную цель – обеспечение связи КА в течение длительного времени (до часов) – лучше обойтись без пробоя вакуума. Естественно, такие экспериментальные установки снабжают измерительной аппаратурой и т.п., а сам лазер, дающий ОЛЛ, позволяет получить короткие импульсы ОЛЛ, а при необходимости – работать и в стационарном режиме. Большой интерес представляет и поведение атомов различных элементов в таких экстремальных условиях. Подчеркнем, что здесь этап научных исследований, поэтому не требуется мощный ионный ток, и речь идет об ускорении до релятивистских энергий ничтожного числа ионов (атомов). Собственно, на первом этапе речь идет о поштучной подаче ионов в фокус системы. При этом для экспериментов с атомами интересны все 3 схемы по рис. 8.3– 8.5, но все же наиболее интересна схема по рис. 8.5. Материалы атомов – самые различные, с разной массой и структурой ядер. Главная задача – определить условия получения «пинка» для ионов, переводящего их из релятивистской – световой скорости в сверхсветовую скорость. Таким «пинком» может служить «критическое сопло» – система из магнитного и электрического полей, в сочетании с мощным СИ; также «пинком» может стать и внутриядерный процесс – например, развал ядра и разлет составляющих частиц; «пинком» может стать и интенсивное излучение возбужденного иона, прошедшего через мощное СИ, и т.п. процессы. Любопытно, что для схемы по рис. 8.5, где нет ограничений на длину волны СИ (из-за отсутствия отражения СИ), в случае, если удастся получить СИ с длиной волны ~ 10-15 510-16 м, что соответствует γ-излучению, можно реализовать интересный научный эксперимент – нагреть ионы до температуры ~ 1013 К, что соответствует температуре превращения ядра в кварк-глюонную плазму. И интересно посмотреть и исследовать такую кварк-глюонную плазму, а также исследовать скорость такой плазмы, тем более в условиях сочетания мощных полей. Однако наиболее перспективно использование релятивисткой плазмы – смеси релятивистских ионов и электронов. Возвращаясь к аналогии (газовой динамике потоков) напомним, что в них атомы имеют тепловое движение и скорость звука, а поток в целом имеет сверхзвуковую скорость. И здесь также возможна сверхсветовая скорость потока релятивистской плазмы, при этом сами отдельные частицы перед «критическим соплом» (системой полей по схеме на рис. 8.5) движутся со «скоростью звука газа» – скоростью света. И такая схема очень перспективна для получении сверхсветовой скорости, при этом «пинком» служит энергия взаимодействия частиц 221 релятивистской плазмы («тепловая» энергия поперечного движения частиц при продольной скорости потока в целом). Очень любопытно исследовать взаимодействие ОЛЛ и ионов (электронов) с возбужденным вакуумом. Схема такого эксперимента изображена на рис. 8.6. Рис. 8.6 1 – активаторы Леонова; 2 – каркас для крепления активаторов; 3 – узел вращения винта; 4 – источник энергии; 5 – опытный лазерный луч; 6 – лазер, его положения в пространстве; а), б), в) – схемы расположения активаторов Здесь многофазные активаторы Леонова вращаются, создавая градиентное поле за счет переменного поля активаторов и одновременного вращения винта с этими активаторами, при этом в плоскости вращения винта возбуждается мощнейшее быстропеременное градиентное поле (магнитное и электрическое). Такое мощное переменное поле воздействует и возбуждает вакуум, и в этот возбужденный вакуум и направляют ОЛЛ (а также, в другом варианте – релятивистские ионы разных элементов и электроны, плазму). Здесь появятся новые физические эффекты, и возможно появление сверхсветовой скорости ионов («пинок» за счет энергии возбужденного вакуума). Интересным было бы изготовление вместо винта другой конструкции каркаса, например, цилиндрической или конической, или более сложной формы (схемы б) и в) на рис 8.6). При этом вращение такого каркаса с многофазными активаторами создает области возбужденного вакуума разной конфигурации, по разному взаимодействующие с ОЛЛ или ионами (электронами, плазмой). Любопытно создание цилиндрического или конического каркаса из 2 конусов, в которых осуществляют вращение 2 половинок каркаса с активаторами в противоположные стороны (например, одна половинка вращается по часовой стрелке, другая половинка – против часовой стрелки). Тем самым, возбуждение вакуума в разных областях каркаса будет различным, и условия прохождения ОЛЛ (ионов) будут очень интересными. 222 Предельным вариантом такого экстремального воздействия на ОЛЛ и ионы (электроны, плазму) является сочетание системы из многофазных активаторов и фокуса синхротронного излучения, СИ, от электронных релятивистских колец, согласно рис. 8.5. При этом фокус СИ располагают или в плоскости винта с активаторами (в зоне максимального градиента полей и возбуждения вакуума), или в средней части длинного каркаса активатора разной геометрии, например, цилиндрической, согласно рис. 8.7. Рис. 8.7. 1 – электронные релятивистские «кольца»; 2 – магнитное поле «колец»; 3 – СИ «колец»; 4 – лазер; 5 – опытный лазерный луч; 6 – фокус системы; 7 – каркас с активаторами Здесь возникают адские условия из сочетания мощнейшего рентгеновского или γ-излучения СИ в фокусе, мощных магнитного и электрического полей от электронных «колец» и быстропеременного градиента полей (магнитного и электрического) вращающихся многофазных активаторов (обеспечивающего возмущение вакуума). Любопытным вариантом является вращение двух половинок каркаса с активаторами в противоположные стороны, например, одна половина каркаса перед фокусом СИ вращается в одну сторону, а другая половина каркаса – после фокуса СИ – вращается в противоположную сторону. Такая концентрация полей и энергии приведет к появлению физических эффектов, которые просто невозможно предсказать, в частности, здесь реально дать «пинка» ионам (электронам) и ОЛЛ для получения сверхсветовой скорости (если это только вообще возможно в реальности). Здесь интересно использование V-образного магнита, аналогичному в разделе 6.4. и рис. 6.7, при этом достижение высокой энергии электронов на прямолинейном участке на ~ 22 Гэв и более при малом радиусе Rм ~ 1 м обеспечивает получение γ-квантов с длиной волны λ~5·10-4 нм = 5 · 10-13 м, с потенциальной возможностью получения еще более коротких γ-квантов. 223 Безусловно, в любом случае такие реальные эксперименты позволят за счет изучения выделившихся элементарных частиц и излучений по-настоящему определить структуру и свойства физического вакуума. Естественно, возможные и иные схемы для изучения возможности получения сверхсветовых скоростей лазерного луча и ионов. Однако вернемся от будущей экспериментальной физики к проблемам связи. Экзотическим средством связи (но физически вполне реальным, по крайней мере – в будущем) является использование самого вакуума, который является диэлектриком, и в котором вполне реально распространение колебаний. При этом в антенне КА воздействуют на вакуум мощными физическими полями (электрические и магнитные поля), типа винта в разделе 7.4, и такой винт своими полями создает необходимые пульсации, колебания в вакууме (поляризация, колебания виртуальных пар и т.п.), причем эти колебания могут быть вполне реальной частоты, например, радиодиапазона. И эти колебания распространяются в вакууме, именно самим вакуумом как специфической средой, со скоростью «звука» для вакуума, которая вполне может быть и сверхсветовой. Причем конструкцию винта и установки источников полей можно подобрать так, чтобы основной поток колебаний был направлен в сторону приемной антенны станции, например, на Землю. И вся сложность в приемной антенне: как можно принять колебания вакуума, какой системой полей и т.п. Однако, возможно, эти колебания будут приниматься достаточно свободно, как радиоволны из космического фона. Эксперименты это покажут. Как уже отмечалось в разделе 7.1, можно говорить о возможности самофокусировки сравнительно слабого пучка электромагнитного излучения в вакууме [177]. Поэтому еще одной экзотической схемой является создание колебаний вакуума (как предложено выше), в которых распространяются сверхсветовые электромагнитные Х-волны [177], [229]. И здесь КА или Земля с помощью каркаса с многофазными активаторами создает колебания вакуума между КА и Землей, создавая постоянный канал слабовозмущенного вакуума (причем здесь распространение колебаний вакуума может быть и со световой скоростью). А по этому каналу направляют сверхсветовой поток электромагнитного излучения, обеспечивающий быструю связь между КА и Землей. При этом за счет подбора параметров колебаний вакуума, возможно, удастся повысить время жизни сверхсветовых волн, а также обеспечить самофокусировку потока при движении. 224 И в заключение коротко упомянем, что интересным средством связи может стать использование гравитации, если будет доказано сверхсветовое распространение гравитационных волн, а также удастся решить проблему повышения мощности излучения таких волн. Естественно, возможны и иные средства связи, использующие различные физические принципы. 8.4. Многомерный мир Одна из идей научной фантастики заключается в том, что можно сократить путь к далекой звезде, пройдя через другое измерение или несколько измерений. Казалось бы, фантастика, ну и что?! Однако в модной теории суперструн, которая претендует на роль главной теории пространства – времени, во всех ее нескольких модификациях число пространственно-временных измерений больше четырех. Более того, струнные теории непротиворечивы и совершенны только в 10 или 26-мерном пространстве, а не в обычном 4-мерном [170]. И это вынуждает часть физиков задуматься о возможности существования в реальности более сложного мира, чем наблюдаемый сейчас 4-мерный мир. И в последние десятилетия постоянно появляются теоретические работы физиков, посвященные многомерной модели мира. Из российских работ последнего времени отметим обзор [231], где рассмотрены модели теории дополнительных измерений в физической картине мира, в которой наблюдаемая 4-мерная Вселенная является временеподобной поверхностью – бранной, погруженной в пространство – время большей размерности. Отмечается, что идея многомерного пространства – времени впервые появилась в работе Г. Нордстрома в 1914 г. и получила развитие в трудах Т. Калуцы и О. Клейна (в 1921 г.), заложивших основы модели Калуцы – Клейна (КК-подход). Однако необходимой концепция многомерности мира стала в рамках теории суперструн. Причем сейчас есть несколько моделей и подходов (здесь опускаем математику). Например, при коллайдерных ограничениях в рамках КК-подхода масштаб компактификации L менее 10-17 см (то есть разглядеть эти дополнительные измерения просто невозможно). Однако в рамках ADD-модели величины L ~ 0,1 см и L ~ 10-6 см, то есть миллиметровый диапазон размера дополнительных измерений. Имеется и двухбранная модель Рандалл – Сундрума, которая описывает пятимерное гравитационное поле, взаимодействующее с четырехмерной браной, и здесь размер L может фактически быть бесконечным в 225 присутствии ненулевой кривизны в объеме. И в этой модели наш наблюдаемый низкоэнергетический мир представляет собой четырехмерную брану, погруженную в многомерный объем с макроскопическими дополнительными измерениями. Детали этого погружения и взаимодействия браны с возможными другими бранными мирами определяют эволюцию нашей Вселенной. При этом факт локализации безмассового гравитона на бране и восстановления четырехмерной эйнштейновской теории гравитации снимают главное противоречие, существовавшее в рамках старого КК-подхода: ненаблюдаемость больших дополнительных измерений. Отмечается, что модель Рандалл – Сундрума, модели индуцированной на бране гравитации и другие модели все еще остаются очень наивными для объяснения основных фундаментальных проблем, однако их комбинации уже могут претендовать на более реалистическое описание Вселенной. Например, проблема восстановления фазы эйнштейновской теории в DGP-модели (с правильной четырехмерной тензорной структурой) может быть разрешена путем ее синтеза с моделью Рандалл – Сундрума. Однако в разных моделях есть и свои проблемы. Например, в DGP-модели в скалярном секторе метрики на бране присутствует дух тахионной природы, и наличие тахионов и духов свидетельствует о классических и квантовых нестабильностях, что вызывает сомнение в пригодности модели. Постоянно появляются новые трактовки, и в целом бранные модели Вселенной с дополнительными измерениями большого размера имеют далеко идущие перспективы развития [231]. Отметим, что имеется единственный возможный способ прямого наблюдения многомерного объема в рамках бранной концепции, не допускающей распространение света из дополнительных измерений. Этот способ основан на эффекте гравитационных осцилляций, которые являются следствием интерференции волн квантов поля с разными массами. Это явление параметрически зависит от расстояния между бранами – радиона, поэтому заслуживает названия радионно-индуцированных гравитационных осцилляций (RIGO). В принципе RIGO-эффект является общей чертой любой многомерной модели, поскольку в ней всегда происходит амплитудная модуляция гравитационных волн. Теоретически дополнительные измерения могут наблюдаться методами гравитационно-волновой астрономии, однако эти волны очень слабы [231]. Также отметим статью [232] по 4-мерному пространству – времени, размещенному, вложенному в 5-мерном пространстве – времени, и воздействию флуктуаций 5-мерного мира на 4-мерный мир. Опуская математику, из ряда выводов статьи отметим лишь два, из 226 них первый – тензор энергии – импульса 4-мерного мира как в отсутствие флуктуации, так и при флуктуациях имеет физический характер, что означает: данные флуктуации могут осуществляться реальными телами (физической материей). Второй вывод – флуктуации проявляются не только в планковских, но и в макроскопических масштабах, следовательно, геометрия пространства – времени может «пениться» не только на планковских расстояниях, но и в макроскопических областях. Заметим, что в переводе с научного языка на инженерный язык эти выводы значат, что границы между измерениями могут «пениться», то есть это не сплошной барьер, а могут иметь «дыры» и «норы», и в качестве источника флуктуации реальным телом может быть использован и КА. Также интересная статья посвящена именно кротовым норам [233], и считается, что это – мосты, которые связывают различные Вселенные (первые разработчики идеи норы как моста – Visser M., Hochberg D., Bronnikov K.). Кротовая нора – это решение уравнения Эйнштейна, если тензор энергии – импульса материи нарушает нулевое энергетическое условие р + ρ ≥ 0. В данной статье рассмотрены кротовые норы в рамках бранной теории [Randall L., Sundrum R.), согласно которой считается, что наша Вселенная является 4-мерным пространством – временем, вложенным в 5-мерное объемлющее пространство. Опуская математику статьи, отметим, что получен ряд уравнений движения и построены несколько численных решений этих уравнений для специальных граничных условий. Отметим интересную статью [234], в которой доказывается, что ряд астрофизических объектов могут оказаться входами в кротовые норы (КН). По рассмотренным моделям (ряда авторов, начиная с Wheeler (1955) и далее) для существования КН необходима материя с необычными свойствами – «фантомная материя» и «фантомная энергия». Рассмотрены модели, в которых КН имеет пронизывающие ее сильное магнитное поле, а фантомная материя или фантомная энергия нужны только в виде малой доставки, и наоборот, модели с основным материалом в виде фантомной энергии с добавкой плотности энергии магнитного поля. При этом получено, что горловина магнитной КН с различной массой имеет радиус r0 4,5 1014 см 4,5 109 км для квазара с массой 6 10 42 r 3 109 М при поле ~ 7,8 · 109 Гс. А для массы Солнца М 2 1033 г получаем r0 0,45 см = 0,0045 м при поле 7,8 · 1024Гс. Отличие входа КН от черной дыры в том, что светящийся источник, падающий в КН, должен наблюдаться непрерывно, но с переменным красным или даже синим смещением. Возможно и обнаружение квазипериоди227 ческих колебаний излучающих объектов относительно горловины КН. А главный признак – распределение интенсивности света, проходящего через КН, позволит наблюдателю увидеть кольцо света с резкими внешними краями и размытыми внутренними краями. И при достаточном разрешении наблюдательных приборов можно отличить кротовые норы от черных дыр, например, в активных ядрах галактик, в частности, некоторые квазары могут оказаться кротовыми норами. Возвращаясь к нашему реальному миру, отметим, что среди исследователей НЛО (неопознанных летающих объектов) существует гипотеза, что НЛО появляются из разломов структуры пространства в аномальных районах Земли. Можно ругаться, спорить и отвергать существование НЛО, однако в гипотезе есть рациональная физическая основа. Действительно, Земля – мощный источник гравитации, который, безусловно, воздействует на структуру пространства. И физически вполне реально, что такие мощные источники гравитационного поля действительно стимулируют создание кротовых нор между измерениями, различными вселенными, как мощные источники флуктуаций. И если Земля находится на «пенной» границе между измерениями, то почему бы не быть кротовой норе вблизи Земли или на самой Земле (собственно, просто нет физических запретов на это). Заметим, что рассматриваемые физические модели согласно [234], возможно допустимы для квазаров с большими кротовыми норами. Однако эти модели для Земли дают весьма нереальные параметры, типа радиуса горловины ~ 0,45 см = 0,0045 м при чудовищном магнитном поле ~ 7,8 · 1024 Гс. Это явно противоречит полетам НЛО через структуру пространства Земли (с малым магнитным полем), и при радиусе НЛО до ~ 100 м = 104 см расхождение с теоретическими физическими моделями составляет более 4 порядков. И выбирая между теоретическими расчетами по физическим моделям и достаточно реальными полетами НЛО, все-таки придется признать, что земная физика пока не способна реально определить условия появления малых кротовых нор и их конкретные параметры. К сожалению, закопавшиеся в математике теории суперструн и иные теории не могут дать ответа на такой конкретный вопрос и конкретно для Земли. Однако главная проблема в другом – экспериментальная физика пока не имеет измерительных приборов, которые позволяют измерить структуру пространства и ее аномалии, иначе – прямые физические измерения таких параметров пока невозможны. И отсюда следует печальный вывод: необходимо использовать косвенные признаки для поиска кротовых нор, в частно228 сти, в космосе, где они наверняка имеются. Итак, вполне реальная проблема – найти малые кротовые норы с радиусом ~ 1 ~ 1000 км (в космосе есть все!). Конечно, согласно [231], невозможно проникновение электромагнитного излучения между измерениями, а гравитационные волны при RIGO очень слабы. Однако это относится к сплошной границе, но для норы это ограничение снимается согласно [234]. Возникает вопрос – а как в космосе найти «малую нору» между измерениями, в структуре пространства. Физически логично считать, что нора – это ослабленный барьер между бранами – измерениями, и через этот барьер в наше измерение может что-то просачиваться, попадать к нам. Что именно? Наиболее естественно – электромагнитные волны, поэтому первый признак норы – световое излучение, это мини-солнце. Однако яркость такого мини-солнца не может быть значительной, сопоставимой с настоящими звездами (типа квазаров с большими нормами). Причем яркая нора вполне может быть выходом вблизи какой-либо звезды (или вообще внутри нее), и КА вылетит через нору в тепловое пекло и в поле сильной гравитации, что недопустимо. Поэтому необходимую малую нору логично искать среди самых слабых источников энергии, например, среди тех, кого в астрономии относят к самым тусклым звездам (возможны и рентгеновские «норы»). Заметим, что в случае, если нора находится далеко от звезд, то излучение через такую нору будет небольшим, и такое мини-солнце будет инфракрасным, «черным», выделяясь лишь на фоне космического вакуума. Кроме того, барьер между измерениями мешает прохождению космических лучей, и скорее всего отсекает часть из них, прежде всего – с низкой энергией, а через нору эти космические лучи вполне могут пройти. Поэтому второй признак – источник космических лучей сравнительно низкой энергии, выделяющийся на естественном фоне, причем совпадающий с мини-солнцем (по первому признаку). Дополнительный признак, но весьма вероятный, заключается в изменении пространственного положения такого мини-солнца. Дело в том, что настоящие звезды имеют определенное положение, и их координаты неизменны. Однако вряд ли нора, образование в структуре пространства, имеет длительное стабильное положение в пространстве, и физически вполне логично считать, что такая нора дрейфует и смещается со временем в пространстве, и ее координаты будут меняться (за годы или десятилетия). Возможный пример – движение Земли и связанной с ней норы. Из других дополнительных признаков отметим, что если в другом измерении есть хотя бы несколько звезд с различными тем229 пературой и спектральным составом излучения, то общий спектр излучения через нору может быть смазанным. То есть на спектр звезды, ближайшей к норе, накладывается спектр излучения других звезд, поэтому типичное распределение спектра – длин волн для звезды в виде кривой с максимумом излучения будет смазанным, более равномерным. Впрочем, если звезда находится очень близко к норе, а другие звезды – далеко, то этот признак не удастся установить. Возможно, будут предложены и другие признаки для поиска нор. Возникает естественный вопрос – возможен ли пролет КА через нору в другое измерение? Безусловно, причем здесь абсолютно не требуется достижения релятивистской или сверхсветовой скорости КА. Здесь видны 3 пути преодоления барьера и движения через нору. Первый путь – самый простой, заключается в использовании инерции самого КА, который в своем измерении разгоняется до скорости 100 1000 км/с и движется прямо на барьер и в нору. Такой КА может иметь форму иглы или тонкого диска, то есть малое поперечное сечение корпуса и большую длину корпуса КА, что обеспечивает максимальное давление от инерции КА, а также уменьшает сечение и взаимодействие с барьером, со структурой пространства. Хорошо бы нос (а еще лучше – весь корпус) такого корпуса КА покрыть антигравитационным экраном. Такая конструкция вполне способна преодолевать часть барьеров, наиболее слабых и тонких. Второй путь – использование системы электрических и магнитных полей, аналогичных рассмотренной в разделе 7.4 винтовой конструкции для использования вакуума при движении КА. Такой винт системой полей смещает (сметает) структуру барьера с пути КА. При этом за счет мощных полей и источника энергии винта КА преодолим практически любой барьер (особенно в сочетании с первым путем использования инерции КА). Третий путь – выжигание канала в вакууме, для этого можно использовать изложенную в разделе 8.2 систему из релятивистского электронного кольца, обеспечивающую высокую концентрацию СИ рентгеновского диапазона (вплоть до γ-излучения) с пробоем вакуума и выделением громадной энергии электрон-позитронных пар, с выжиганием канала в вакууме и структуре пространства. Такой путь – самый энергоемкий, но он обеспечит прохождение КА практически через любой барьер и нору. Заметим, что этот путь принципиально позволяет обойтись и без норы, а использовать прожигание любого барьера. Однако проблема в том, что не зная структуры пространства, такой КА может двигаться внутри и вдоль самого барьера хоть многие миллиарды километров, но так и не попасть в 230 другое измерение, то есть, иначе, это будет фактически слепой поиск, без особых шансов на успех. Безусловно, для космонавтики наиболее интересны норы, находящиеся сравнительно недалеко, например, в радиусе до 50…100 астрономических единиц от Солнца. Отметим, что такой поиск норы при использовании вышеуказанных условий, возможен и вблизи Земли (например, в районе знаменитого Бермудского треугольника и других аномальных районах). При этом с помощью съемки из космоса ищут выделяющиеся участки (с высоким тепловым излучением относительно фона) с потоком заряженных частиц (в условиях Земли поток космических лучей маловероятен). Отметим идеи Э.Р. Смолякова, который рассмотрел модель многомерного пространства и получил, что для шара Минковского с радиусом S > 0 между нашим пространством Х и «слипшимся» с ним двойственным пространством Х* граница представляет собой область с гиперболическими границами, что позволяет найти условия, обеспечивающие переход из любой точки нашего пространства в «слипшееся» с ним двойственное и обратно. Поскольку евклидово расстояние между пространствами Х и Х* (между нашим и двойственным к нему) равно нулю, то взаимные переходы между этими пространствами не требуют преодоления каких-либо расстояний, а требуют лишь необходимого потока энергии. Расчеты показывают, что на переход между Х и Х* для массы m, двигающейся со скоро2Е m , где стью V, необходимо затратить энергию ~ Еm mc 2 / 1 V 2 c2 . При этом невозможно достичь желаемой энергии для перехода с помощью разгона до любой скорости V c . Однако на переход электромагнитной энергии величиной Еm необходимая энергия 2Еm. Отсюда следует возможность перехода массы m с помощью электромагнитного поля, причем энергозатраты Е на переход 2Еm Е 2Еm (при слишком большой энергии возможно разрушение массы). Считается, что перемещение потребует меньших затрат энергии в случае использования переменного электромагнитного поля, в котором созданы условия для воздействия на массу сильных резонансных пиков энергии. Необходимая высокая «энергоемкость» электромагнитного поля для перехода требует применения на ЛА компактных и мощных энергоустановок, преимущественно - аннигиляторов частиц материи и антиматерии [66]. Вообще говоря, несмотря на внешнюю экзотичность такого способа движения КА, в действительности это более реальный путь для посещения иных миров, чем ускорение КА до скорости 231 30000 км/с и более, вплоть до световой, и длительное ускорение и путешествие между звездами в нашем измерении. В принципе, при удачном стечении обстоятельств, такой пролет КА через норы возможен и в ближайшем будущем, например, в конце 21-го века (в случае, если нора будет расположена недалеко, будут деньги и желание и т.п.). Конечно, здесь встанет новая сложнейшая задача по определению того, куда все эти норы ведут, но это уже другая проблема, не относящаяся к двигателям КА. А уж новые Колумбы, желающие изучать новые миры, наверняка найдутся, и мы им скажем: «вперед, счастливого пути и возвращения домой!» 8.5. Гиперпространство Одна из любимейших идей научной фантастики заключается в уходе КА в гиперпространство и полете в нем с малым временем и большой дальностью полета, вплоть до многих световых лет (фактически, один из типов сверхсветового перемещения). Рассматривая все теории вакуума, изложенные в главе 7, отметим полное отсутствие в них какого-либо намека на нечто подобное гиперпространству. И если подходить строго, то научно ничего нельзя, то есть гиперпространство – это лишь возможный следующий этап в развитии физики. Однако вспоминая известное шутливое выражение «если чтото нельзя, но очень хочется, то можно», попробуем пофантазировать в этом направлении, согласно названию главы. Согласно представлениям современной физики, пространство и время определяются в общем виде как фундаментальные структуры координации материальных объектов и их состояний. И система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т.д.) образует пространство. А система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т.д.) образует время. Ведущей научной школой – общей теорией относительности – дается сложная картина космического пространства – времени: материя во Вселенной сосредоточена в основном в звездах и их скоплениях, при этом распределение скоплений Галактик оказывается в среднем изотропным, реликтовое излучение характеризуется однородностью и т.д. Все это позволяет говорить об однородности и изотропности Вселенной, и следовательно, о понятиях мирового пространства и времени. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Так, разбегание галактик оказывается результатом нестационарности метрики пространства: не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само про232 странство. Также в квантовой физике появился новый «атом» – атом действия или квант действия, h = 6,5510-27 эргс, который стал новой мировой константой. Сейчас уровень доступных в эксперименте параметров ∆х ≤ 10-16cм, и ∆t ≤ 10-26 с, доступные в экспериментах с космическими лучами. Теоретически можно ввести и более малые уровни, с которыми связаны такие концептуальные новации, как флуктуации метрики, изменения топологии, «пенообразная структура» пространства – времени на расстояниях порядка планковской длины (∆х = 10-33 см). Была показана возможность существования релятивистски инвариантного пространства – времени, был сделан вывод, что в природе существует фундаментальная длина l0 ~10-17 cм (есть предложения о величине l0 ~ 10-20 см). Также имеется гипотеза о макроскопической природе пространства – времени, и считается, что в наличии есть некая граница в микромире, за которой вообще нет ни пространства, ни времени. Причем на вопросы о структуре глубокого микромира ответ будет найден лишь в физике 3-го тысячелетия [169]. Таким образом, вполне логично считать, что гиперпространство – это и есть область глубокого микромира, где нет ни пространства, ни времени. В первом приближении в качестве верхней границы глубокого микромира можно принять длину на l0 ~ 10-17 см = = 10 асм = 10-3ам (атто-множитель 10-18), то есть это аттообласть. Тогда логична гипотеза: уход в гиперпространство – это уход в аттообласть или сокращенно: А-область. Безусловно, главный вопрос – как мощному КА (с длиной в десятки – сотни метров и диаметром до десятков метров) проникнуть в эту А-область. Вряд ли даже физике будущего удастся сжать КА до такого размера. Отсюда логичный вывод: надо А-область на короткое время увеличить до размеров в метры или десятки метров. Как? Главное препятствие – макроструктура пространства, вакуум. Достаточно логично считать, что необходимое условие – уничтожение макроструктуры пространства, вакуума, то есть необходимо получить абсолютный вакуум, А-вакуум, свободный от микроструктуры пространства и вакуума, его элементарных частиц. Безусловно, главный вопрос – насколько тождественны по свойствам Аобласть и полученная область А-вакуума, достаточно ли получения А-вакуума для получения и гиперпространства, или это всего лишь важный шаг и необходимы дополнительные условия для перехода А-вакуума в гиперпространство. Конечно, только физика будущего точно определит граничные условия перехода большой области с А-вакуумом в аттообласть с гиперпространством. Можно отметить ряд возникающих вопросов, например, во время разрушения макроструктуры КА должен находиться вне области с 233 образующимся А-вакуумом и лишь затем на скорости влететь в эту область? или во время разрушения структуры должен находиться в эпицентре с образованием области с А-вакуумом сразу вокруг всего КА? Насколько будет стабильна область с А-вакуумом вокруг КА, будет ли эта область автоматически перемещаться с КА на сверхдальние расстояния или требуются еще какие-то воздействия? Интересный вопрос – как проходит трасса гиперпространства – через наше измерение – бранн?, или гиперпространство возможно только на границе между измерениями-браннами, или гиперпространство – это прямой путь сквозь все измерения? В общем, вопросов очень много. Однако сейчас на них могут ответить только высокоразвитые внеземные цивилизации (и господь Бог?), но не современная земная физика. Однако очевиден первый шаг – разрушение макроструктуры пространства и вакуума с получением области большого размера с А-вакуумом, дыры в структуре, с последующим переходом этой области в гиперпространство, в А-область. Естественный вопрос: а как это сделать? Посмотрим и оценим некоторые варианты. Любопытно оценить уровень скорости, которая позволяет КА самостоятельно пробить вакуум (для масштаба кварк-адронных процессов), с ε ~ 1023 Дж/м³ и критическом давлением пробоя ~ 1023 Н/м². Принимаем площадь сечения, мидель КА SКА = 1,0 м², и учитывая давление рКА = МКАД V, при скорости V ≈ c = 3108 м/с, получаем динамическую массу МКАД ≥ 31014 кг. Для типичного КА с массой покоя 10³ т = 106 кг и площадью миделя ~ 100 м² имеем массу покоя на 1 м² миделя ~104 кг = 10 т. Тогда соотношение динамической массы к массе покоя КА составляет ~ 31010, что соответствует ультрарелятивистскому режиму движения КА и скорости, весьма близкой к скорости света. Таким образом, за счет динамического давления КА весьма сложно пробить вакуум. И для наиболее интересного варианта ухода КА в А-область при скорости ~ 104 105 км/с необходимо специальное воздействие на вакуум. Наиболее прост грубый метод «дубинки» – воздействие на вакуум за счет взрыва. Грубо оценим параметры взрыва для разрушения структуры вакуума. Согласно оценкам КХД (для кваркадронных процессов) энергия вакуума ε ~ 1024 эрг/см³ = 1023 Дж/м³ = = 1017 Дж/см³, и именно эти величины можно принять за основу. Естественно никакие термоядерные взрывы не позволят осуществить разрушение макроструктуры в силу относительно малой энергоемкости термоядерных реакций. А для аннигиляции с выделением энергии ~ 91016 Дж/кг это соответствует массе аннигиляции 234 ~ 1 кг на 1 см = 0,01 м длины, при времени взрыва ~ 10-7 с (после импульса инициирования столкновения антивещества с веществом). То есть антивеществом придется заполнять практически целиком всю необходимую область, в количестве ~10 104 кг. Значит, и использование взрыва аннигиляции весьма проблематично, и этот вариант на пределе возможностей, хотя и может быть использован (на этапе исследований). Здесь возникает интерес к релятивистским аккумуляторам энергии – РАЭ, рассмотренным в разделе 6.2, на уровень энергии ~ 1020 1023 Дж. При этом за счет импульсного микровзрыва нарушают стабильность движения ионных колец в магнитном поле, в результате происходит столкновение релятивистских ионных пучков – колец с выделением мощнейшего потока энергии, излучения и частиц, с мощностью ~1027 1030 Вт, полностью разрушающее структуру пространства и вакуума в месте взрыва. Причем РАЭ имеют и мощнейшее магнитное поле в сотни Тл, и при нарушении его стабильности за счет импульсного расширения это поле окажет сильное очищающее воздействие на разрушенную структуру вакуума и получение области А-вакуума. И использование РАЭ для получения области А-вакуума и гиперпространства выглядит достаточно разумным. Предельный вариант – это организация горения самого вакуума (согласно разделам 7.1, 7.2 и 8.2) за счет внешнего подвода энергии для поджигания вакуума, например, в виде импульсного мощнейшего лазерного излучения или квазиядер урана (проблема – в ограничении объема области горения). При этом мощнейшее излучение разрушает структуру вакуума, а размещенные на КА магнитные и электрические поля дополнительно очищают область для получения А-вакуума. Предел такого способа: если скорость горения, разрушения вакуума (в виде сверхдлинного узкого канала, области с Авакуумом) может достигать сверхсветовой скорости, то этот канал с А-вакуумом и будет служить гиперпространством для КА, причем для движения со сверхсветовой скоростью (здесь источник энергии – вакуум, поэтому КА может быть и с относительно небольшой энергетикой, достаточной лишь для зажигания вакуума). Однако заметим, что взрыв – это весьма грубый метод, причем выделяемая энергия весьма солидна, и ее легко заметить. Для сравнения отметим, что наше Солнце излучает мощность ~ 3,81026 Вт, а астрономия позволяет определять источники излучения с мощностью, на многие порядки меньшей, чем излучение нашего Солнца. А как показывают астрономические наблюдения, мощных взрывов внутри Солнечной системы или поблизости от нее не наблюдается. А если насто235 ящие внеземные НЛО используют уход в гиперпространство, то за сотни лет наблюдений астрономы наверняка отметили бы мощные вспышки в Солнечной системе или поблизости от нее, так как вряд ли эти НЛО специально улетают за Солнце, чтобы закрыться Солнцем и не дать увидеть на Земле таких взрывов, вспышек. Кроме того, по различным оценкам, например, [34], движение КА со скоростью, сопоставимой со световой, вызывает мощнейшее радиационное излучение КА из-за трения и сопротивления остаточной среды (атомов водорода) вакуума, что также было бы отмечено астрономами (в виде длинного излучающего следа по пути НЛО). Итак, можно достаточно уверенно говорить, что НЛО для вхождения в гиперпространство не используют грубого метода в виде мощных взрывов или не используют ускорения НЛО до скорости, достаточно близкой к скорости света. И эти факты внушают осторожный оптимизм. Иначе, гиперпространство имеет физические свойства, позволяющие обойтись без таких грубых и энергоемких методов. Например, похоже, что после входа в гиперпространство НЛО не требуется постоянного энергетического воздействия на структуру вакуума, так как это выделение энергии было бы замечено (в виде движущегося излучающего следа). А это значит, что после организации большой области с А-вакуумом и на его основе – гиперпространства, НЛО уходит в гиперпространство, в А-область. И вполне возможно, что гиперпространство обладает фантастической способностью воспринимать мощный НЛО как элементарную частицу, способную поместиться в А-область. Какие физические условия и соотношения параметров НЛО (геометрия элементов конструкции, скорость, ускорение и т.п.) нужны для осуществления такого перехода – большой вопрос! Из дополнительных условий организации перехода в гиперпространство достаточно логичными представляются следующие: 1. Импульс силы давления на вакуум направлен строго по вектору скорости движения КА, тогда и вектор канала пробитого вакуума совпадает с вектором скорости движения КА. 2. Учитывая абсолютное незнание инерционных свойств канала пробитого вакуума (время схлопывания, исчезновения этого канала) в первом приближении можно считать, что время воздействия импульса силы давления равно времени ухода всего КА в канал. Иначе, время импульса равно времени движения корпуса КА до входа в канал, до его начальной точки. Например, при скорости ~ 107 м/с и длине корпуса КА ~ 100 м время импульса ~ 100/107 ~ 10-5 с. 3. Минимальные волновые параметры КА. Здесь КА для космоса является нейтральной сверхчастицей, а любая частица имеет 236 волновые свойства, например, длину волны де Бройля. Например, для КА с массой 106 кг и скоростью 107 м/с длина волны де Бройля ~ 6 · 10 -47 м, то есть намного меньше размера аттообласти. И такая сверхчастица с энергией ~ 3 · 1038 ГэВ имеет минимальное волновое взаимодействие с пробитым каналом. Само движение КА может быть в пассивном или активном вариантах. В пассивном варианте КА просто движется в канале. При этом для исключения взаимодействия в канале поверхности корпуса должны быть: электрически нейтральный (нулевой заряд), не иметь остаточного магнетизма, иметь предельно ничтожную шероховатость, иметь криогенную температуру (нулевое испарение атомов с поверхности). Также тепловое объемное расширение корпуса КА не должно превышать долей аттометра (ограничение тепловыделения и вибрации внутри КА). В активном варианте поверхность КА электрически заряжена, (например, это многополюсная система), а также имеется и мощное магнитное поле (например, от РАЭ). Тогда при движении КА в канале такие сильные электрические и магнитные поля автоматически раздвигают стенки пробитого канала при таком движении. Впрочем, незнание свойств гиперпространства заставляет лишь гадать – какой вариант, пассивный или активный, больше соответствует будущим реальным полетам. Заметим, что для разрушения вакуума возможно применение давления на очень короткое время. Например, в перспективе интересны импульсные лазеры, типа фемто-лазера, с интенсивностью излучения 1030 1031 Вт/см² (и более) типа лазера на свободных электронах, с длительностью импульса ~ 230 фс = 210-13 с и пиковой мощностью 9 ГВт, с длиной волны ~ 1,5 Ǻ; а также с возможностью генерации гаммы-излучения (с энергией 100 кэв) и теоретической интенсивностью до 1030 Вт/см² [204], и аналогичные им фемто-лазеры. Причем астрономы вряд ли могут уверенно выделять такие сверхкороткие импульсы, и для современной аппаратуры это скорее, фоновое излучение, блики. Конечно, сейчас идет начальный этап создания таких лазеров, и их реальная мощность и интенсивность на многие порядки уступает теоретическим, а также необходимым параметрам для воздействия на вакуум, однако это шаги в нужном направлении. Другое экзотическое направление – тонкое воздействие на вакуум. Логично считать, что инструмент воздействия на А-область может иметь аналогичные размеры, то есть, например, это волны или частицы с длиной волны де Бройля λ ~ 10-18 10-17см = 1 10 асм = = 0,01 0,1 ам где величина 237 2 с , (СГС) Е (8.6) для ультрарелятивистского варианта. Тогда имеем Е = 1210-5/λ эв, и для λ = 10-18 см получаем Е = 121013 эв ≈ 1014эв ≈ 1,810² эрг ≈ ≈ 1,810-3 Дж. Таким образом, начиная с Е ~ 1013 1014 эв частицы – протоны или электроны становятся космическими лучами, позволяющими проникать в А-область, и главное – воздействовать на структуру вакуума, в том числе импульсом, электрическим и магнитным полем частицы. Любопытно, что астрономия отмечает неожиданно большое количество космических лучей с энергией ~ 1014эв и более, причем не очень понятно и их происхождение, те природные процессы, позволяющие получить столь большие энергии (недостижимые ни для каких типов звезд, испускающих солнечные – космические лучи). Однако вполне возможно их получение высокоразвитыми цивилизациями, например, на ускорителях, которые позволяют искусственно получать импульсные потоки релятивистских частиц с энергией ≥ 1014 эв. И этот мощный импульсный поток вполне способен разрушить структуру пространства и вакуума своим импульсом давления и мощными электрическим и магнитными полями частиц, проникающих в А-область на большой площади сечения потока. Причем такие потоки частиц могут служить и для направления движения НЛО в гиперпространстве. Подчеркнем, что такие потоки частиц принципиально направляются в космическое пространство в требуемом направлении (а не в сторону планет и звезд), и в силу их короткого импульса и узкого направленного потока при движении земная астрономическая техника просто не в состоянии их регистрировать, даже если НЛО стартует с высокой орбиты вокруг Земли (может лишь случайно по косвенным признакам что-то предположить). И астрономия регистрирует лишь случайный, рассеянный поток космических лучей, пришедших издалека. Использование такого импульсного потока релятивистских частиц для получения А-вакуума – экзотическая идея, но как гипотеза вполне физически логична и реальна. Здесь главный вопрос – создание принципиально новых ускорителей, но этот вопрос – к будущей технике. Сейчас можно отметить, что в тех же фемто-лазерах темп ускорения в электрическом поле релятивистски сильного лазерного излучения столь высок, что теоретически приращение энергии электронов при прохождении слоя толщиной 10 см = 0,1 м составляет 3 Гэв = 31012 эв [204], то есть достаточно близко к необходимой энергии. Отметим и давно известную идею коллективного ускорения (оставшуюся, к сожалению, в зачаточном состоянии), например, ускорители с электронными кольцами, 238 в которых ионы удерживаются и ускоряются кольцом релятивистских электронов, при этом энергия протонов до 1800 раз (из-за большей массы) больше энергии электронов при одинаковой совместной скорости движения. К ним относится и идея ускорителей с коллективной фокусировкой, в которых ускорение ионов происходит с помощью цепочки электронных линз [29], [172]. Тогда, если воспользоваться зависимостью (6.6) из раздела 6.2, для релятивистского кольца электронов с энергией ~ 1011 эв = 100 Гэв при радиусе орбиты R = 30 м необходимо магнитное поле ~ 10 Тл, при этом энергия ионов в идеальном варианте достигнет ~ 18001011 ~ 1014 эв. Для примера используем РАЭ (из раздела 6.2) с радиусом R = 30 м. Тогда КА можно представить в виде дискообразного ЛА, ДЛА, с радиусом ~ 30 35 м, по периферии которого расположены кольца РАЭ с запасенной энергией 1021 1025 Дж. При ускорении ДЛА до скорости ~10³ 105 км/с и необходимости организации движения ДЛА через гиперпространство самое крайнее электронное кольцо (возможно и специально организуемое) начинает разгоняться (обязательно есть и ионы для организации самофокусировки) ускорителем этого кольца с помощью передачи энергии от колец РАЭ. И когда энергия электронов достигнет ~ 1011 эв, а у ионов в этом кольце ≥ 1014 эв (скорость ускоренных электронов на одном уровне с ионами) происходит импульсный искусственный разрыв движения этого ускоренного кольца и выброс его от ДЛА в виде импульсного пучка ионов и электронов (время импульса ~ 610-7 с) в требуемом направлении. Такой мощный импульсный поток с энергией электронов ~ 1011 эв и ионов ~1014 эв (при энергии импульса потока 1020 1023 Дж) импульсом давления и электрическим и магнитным полями сметет и разорвет на своем пути структуру пространства и вакуума, образуя область с А-вакуумом, основой для движения ДЛА в А-область, в гиперпространство. Отметим, что такое электронное кольцо с ~1011эв, согласно зависимости (6.17), имеет максимум излучения на длине волны ~ 210-16 см, то есть весьма близок к l0 ~ 10-17 см, значит, и излучение кольца также воздействует на вакуум вокруг ДЛА, образуя мощный импульс, гамма-всплеск. Заметим, что астрономы постоянно регистрируют гаммавсплески непонятного происхождения, причем их координаты носят случайный характер. И вполне логично считать, что большая часть таких всплесков является следствием пробоя вакуума и ухода НЛО в гиперпространство. Любопытно, что в этом случае, определив области наиболее частого возникновения таких всплесков, можно определить место расположения высокоразвитых цивилизаций. Подчеркнем, что высокоразвитые цивилизации, потребляющие большое количество энергии и осуществляющие крупные проекты 239 космического масштаба, а также осуществляющие межзвездные (межгалактические?) полеты, используют и соответствующие масштабам физические процессы, и наверняка в космосе имеются многочисленные следы от этих процессов (высокоэнергетические частицы, гамма – всплески, и т.п.), и здесь вопрос – как их отделить от естественных космических процессов. Безусловно, по мере развития ускорительной техники вполне реально появление ускорителей на основе новых материалов, других известных сейчас идей и даже на основе новых принципов, пока неизвестных земной физике (однако известных внеземным цивилизациям), которые позволят создать достаточно легкие и простые конструкции для получения мощных импульсов релятивистских частиц требуемой энергии. Таким образом, по мере развития физики и экспериментальной техники вполне реально выйти к решению проблемы движения КА в гиперпространстве (если это вообще возможно физически). Конечно, если только на этом пути сама физика не закостенеет, уверяя самих себя и окружающих, что физики уже все познали и открыли, и прогресс в физике больше невозможен. Что же, через многие сотни лет это выяснится, и можно лишь пожелать успеха на этом направлении будущей космонавтике. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время рассматриваются различные варианты полета на Марс, например, [147], [174], [235]. Однако общим в этих проектах является большая длительность полета – до ~ 1 года в од240 ну сторону, плюс столь же назад, к Земле (без учета времени на сами исследования), этакий своеобразный «полет черепахи». А если добавить сюда, что в большинстве этих проектов для КА с начальной массой до 400 1500 т возвращается на Землю в виде капсулы ~ 2 5 т, то такие проекты вызывают ужас и недоумение. И такие полеты пытаются выдать за прогресс в области космической техники!? И здесь возникает вопрос – а нужны ли такие единичные дорогостоящие длительные эксперименты, причем бесперспективные именно из-за своей дороговизны. Да и время полета очень важно – ведь при малом времени можно поддерживать интерес к такому полету в обществе, а за год этот полет перестанет интересовать людей, о нем просто забудут и он станет в лучшем случае фоном в новостях. Да и космонавтов жалко мучить такими полетами. Если подходить честно, то эти проекты – тупиковый путь для развития космической техники. И если подходить стратегически, с точки зрения перспективы, то представляется бессмысленным организовывать такой дорогостоящий и длительный полет, особенно на основе химических двигателей типа традиционного ЖРД. Конечно, сейчас основными типами двигателей являются химические – ЖРД и РДТТ. Вызывают уважение основоположники отрасли, такие, как американский изобретатель Р. Годдард (осуществивший первый полет ракеты с ЖРД, и имеющий больше сотни изобретений в области ракетной техники), немецкие разработчики Г. Оберт и В. Браун, советский конструктор В.П. Глушко и многие другие ученые и инженеры. И сейчас это солидная отрасль с многочисленными успехами и заслугами, и это видно и по многочисленным публикациям, и по множеству патентов на изобретения, детально охватывающие буквально все элементы конструкций таких двигателей. Все очень солидно и серьезно, и это вызывает уважение. Однако очевидно и другое: для химических двигателей доступны только старты с Земли и полеты на Луну, и все! И попытки всучить химические двигатели для полетов на Марс – это пустая трата денег и времени, это лишь лоббирование интересов отрасли, выпускающей ЖРД и РДТТ, и не более того. Однако и длительные «полеты черепахи» на основе маломощных ЯЭУ в связке с ЭРД не вызывают восторга. Если обратиться к нормальным условиям полетов, а это надо делать, думая о длительной перспективе космических полетов, то условно их можно разделить на 3 группы: – идеальный комфортный полет с ускорением аи = 10м/с²; – нормальный комфортный полет с ускорением ан = 1 м/с²; – условно комфортный полет с ускорением ау = 0,1 м/с². При этом КА при нормальном полете должен половину пути ускоряться, а вторую половину пути – замедляться, тем самым со241 здавая комфортные условия полета для экипажа. Тогда время полета в одну сторону на Марс (при расстоянии ~ 100 млн км) составит ТИ ≈ 2105 с = 2,3 сут, ТН = 6,32105 с = 7,3 сут; ТУ ≈ 2106 с ≈ 23 сут, вполне нормальное время. Для примера возьмем массу КА МКА = 5105 кг = 500 т, тогда необходим двигатель с силой тяги RИ = 5106 Н, RН = 5105 Н и RУ = 5104 Н. При этом идеальная мощность двигателя составит WИ ~ 100 500 ГВт, WН ~ 10 50 ГВт, и WУ ≈ 1÷5 ГВт. Реально оценивая современный уровень техники, можно забыть об идеальном комфортном полете (это где-то в будущем), да и нормальный комфортный полет лишь в перспективе. Однако надо все-таки стремиться хотя бы к минимальному уровню. Наиболее перспективный путь для развития космической техники – создание Межпланетного Корабля Длительного Использования (МКДИ), в количестве 2 штук (и более), с массой ~ 500 т. Их основа – мощные энергоустановки на 100 МВт и более. Сейчас наиболее реально – ЯЭУ на основе турбомашинного преобразователя мощностью 25 МВт, с ядерным реактором на быстрых нейтронах и капельным холодильником - излучателем, и здесь ожидается получение высокого КПД преобразования тепловой энергии в электрическую (~50%) и низкие значения удельной массы в 2 2,5 кг/кВт [165]. Таким образом, 100 МВт – это 4 ЯЭУ по 25 МВт, общей массой ~ 200 т. Такой МКДИ собирается на орбите с высотой 1000 2000 км (гарантия длительного пребывания на орбите, но и до Земли недалеко), и оттуда МКДИ отправляется к Марсу, где выходит на орбиту вокруг него. После окончания экспедиции на Марсе этот же МКДИ отправляется назад к Земле, где снова выходит на орбиту вокруг Земли. И затем, после профилактического осмотра и ремонта, пополнения запасов, такой МКДИ будет снова готов к полету. Принципиально такой МКДИ может эксплуатироваться даже десятилетия, с постепенной заменой отработавших свой ресурс элементов конструкции. Очень интересен вариант из 2 МКДИ, один из которых используется как грузовик, другой – для полета с людьми. Грубая оценка показывает, что при использовании традиционных ионных ЭРД, при 100 МВт и скорости 200 км/с, с идеальной тягой ~ 10³ Н, для грузового МКДИ затраты топлива составят ~ 70 т (плюс ~ 50 т на обратную дорогу), и за ~ 5,5 месяца полета такой грузовик доставит на орбиту Марса 150 180 т полезного груза (опускаемый аппарат, вездеход для экипажа, куча научных приборов и т.д.). Для полета с людьми более интересен вариант ЭРД со скоростью 140 км/с и идеальной тягой ~ 1,410³ Н, и затраты топлива составят ~ 120 т (плюс ~ 100 т – на обратную дорогу), при этом полет МКДИ пройдет за 3,5 4,2 месяца (в зависимости от расстояния между планетами). Возможны и другие сочетания скорости для ЭРД и силы тяги, с измерением времени полета. 242 Интересен и вариант полета МКДИ к Луне, и при плазменном ЭРД со скоростью 40 км/с и идеальной тяге ~ 510³ Н, затратив ~ 60 т топлива, такой МКДИ за ~ 6 7 суток доставит на орбиту Луны ~ 200 т полезного груза, поэтому такой МКДИ интересен и для организации и снабжения лунной базы. Если рассмотреть вариант длительного полета со временем 1 год, то для ионного ЭРД со скоростью 200 км/с и тягой 10³ Н, затратив ~ 150 т топлива, такой МКДИ пролетит ~ 1,1 млрд км, то есть примерно достигнет орбиты Юпитера и вернется назад к Земле или достигнет орбиты Сатурна (при благоприятном расположении планет). Конечно, это идеализированные оценки (без учета различных потерь), однако и они позволяют уверенно говорить о высокой эффективности МКДИ, причем МКДИ – достаточно универсальный транспорт, который найдет применение для полетов к Луне, Марсу, Венере, Меркурию и т.п. При этом достаточно 2 МКДИ для организации исследовательских полетов к этим планетам (в порядке очереди на их использование). Заметим, что по мере роста мощности ЯЭУ удельная масса обычно падает, и ЯЭУ на 100 МВт в виде единого, одного, устройства будет иметь массу меньше, чем рассмотренный вариант из 4 ЯЭУ по 25 МВт. Впрочем, нет сомнений, что по мере развития таких устройств, уже в ближайшем будущем, в ЯЭУ с массой 200 т удастся вместить мощность и более 100 МВт, вплоть до 1 ГВт. Собственно – мощность 1 ГВт для ядерного реактора – не проблема (в том числе и по массе) для существующих и работающих земных реакторов (энергетика, атомные суда и т.п.), а главная проблема – масса преобразователя тепловой энергии в электрическую, а также радиатор ЯЭУ. Преимущества мощного двигателя на МКДИ очевидны: достаточно быстрый полет к Луне и планетам, в том числе – к Марсу, а это позволяет резко снизить запасы питания и воздуха; также резко снижаются требования к радиационной защите во время полета; кроме того – вместо тройного дублирования основных систем достаточно будет двойного дублирования и т.п. Отметим и большую массу полезного груза, доставляемого к Марсу, что позволяет осуществлять большую программу исследований. А главное – появляется перспектива у космонавтики и реальная возможность полета в дальнейшем к любым планетам Солнечной системы, в том числе за счет постепенной модернизации ЯЭУ у МКДИ и увеличения мощности ЯЭУ. Причем и стоимость таких экспедиций будет вполне разумной. Если проводить аналогии с земной техникой, то это задача передвижения на большое расстояние из пункта А в пункт В и назад. Можно использовать телегу с лошадью, которая за большое время дотащит телегу, но лошадь надо много кормить, и придется телегу 243 доверху загрузить кормом, который весь и уйдет за время движения (это – аналог полета с ЖРД и РДТТ). Можно использовать автомобиль с маленьким двигателем с мощностью, как у лошади (или 2 3 лошадей), и такой двигатель позволит автомобилю ехать с маленькой скоростью (это аналог маломощного ЭРД и ЯЭУ). Однако в земной технике используют мощные двигатели на автомобилях, «жрущие» бензин, но позволяющие реализовать быстрое движение. Конечно, в космической технике нет пока возможности создать скоростной автомобиль типа «Феррари» (идеальный комфортный полет), но возможность создать автомобиль типа первой модели «Форд-Т» начала 20-го века (это и есть МКДИ на 100 МВт) все-таки реально на современном уровне техники. Конечно, здесь возникает вопрос о двигателе. Главная проблема – за последние десятилетия так и не появилось готового мощного маршевого двигателя с высокой скоростью истечения. Да, есть почти готовый российский ЯРД, но он так и не прошел летных испытаний и нигде не эксплуатировался в космосе (так что непонятно – есть он или нет). Кроме того, такой твердофазный ЯРД имеет относительно малую скорость, и такой ЯРД – это всетаки для полетов к Луне. Собственно, и мощных ЭРД также нет, а есть лишь разнообразные ЭРД на уровень до десятков кВт, а мощные ЭРД – лишь в проектах. Можно сказать, что последние десятилетия в мировом двигателестроении был настоящий застой, полное господство мощных ЖРД и РДТТ, с экспериментальными маломощными двигателями других типов. Причем, похоже, в России это «топтание на месте» будет долгим, учитывая, что, согласно концепции ведущего предприятия – Центра им. М.В. Келдыша, до 2020 года перспективой развития космического двигателестроения является создание новых ЖРД (многоразового использования, и других мелких усовершенствований) [236]. А в области ядерной энергетики предусматривается создание научнотехнического задела, обеспечивающего возможность разработки после 2010 года реакторных ЯЭУ мощностью порядка 100 кВт, и где-то там, далеко, создание ЯЭУ на мощность > 1 МВт [237]. По другой оценке , использование энергоустановок на уровень 5 МВт и более возможно после 2025 … 2030 года [238]. Собственно, выставка МАКС-2007 подтвердила эти тенденции, когда ведущие российские предприятия представили лишь несколько разных вариантов ракет на традиционных ЖРД. В общем, имеем дружное «топтание на месте» всей отрасли. Однако полеты на Марс – это другая ступень развития, требующая скачка развития двигателей и их мощности. С точки зрения 244 требуемых характеристик двигателей для быстрых межпланетных полетов все эти ракеты с традиционными ЖРД – это лишь громкие детские погремушки. Мощные двигатели для межпланетных полетов – это новый вызов создателям космической техники, их способностям и возможностям отрасли. Поэтому реальность такова, что сейчас наиболее разработаны проекты по созданию мощных ЭРД, на уровень до ~ 10 МВт (собственно, их проекты только и есть), и в итоге надо создать ионный (плазменный) ЭРД на скорость 100 200 км/с и мощность 100 МВт, в сочетании с ЯЭУ. Заметим, что физика таких двигателей достаточно известна, и речь идет именно о технической задаче по созданию оптимальной конструкции с лучшими параметрами (иначе – вопрос только в политической воле и деньгах). Отметим, что подобный уровень потока частиц (даже с более высокими скоростями) применяется в исследованиях по термоядерному синтезу, в виде инжектируемого потока в реактор (в реакторах типа «токамак» и др.). Заметим, что автор отнюдь не считает ЭРД идеальным двигателем, просто такова реальность. Однако отметим, что при идеальном варианте полета к Марсу МКДИ, с массой 500 т, при использовании ЭРД со скоростью 140 км/с, 100 МВт (затраты топлива 120 т), затраты энергии двигателя ~ 9.81014 Дж, а в кинетическую энергию МКДИ перейдет лишь ~ 20% энергии потока ЭРД, а с учетом η ≈ 50% перехода тепловой энергии в электрическую в ЯЭУ, на разгон МКДИ уходит лишь ~ 10% энергии от мощности реактора ЯЭУ. Поэтому, повторим, ЭРД отнюдь не идеальный двигатель для МКДИ. Необходим энергичный поиск по созданию более эффективных двигателей, чем ЭРД, и, собственно, основная часть таких двигателей и приведена в данной книге. Выбор наиболее перспективных схем – дело вкуса и интересов каждого читателя. С точки зрения автора, есть интересные схемы в каждом типе двигателей, а выбор во многом зависит от конкретных параметров КА и требований к характеристикам полета. Для примера отметим интересные и физически весьма спорные двигатели с замкнутым циклом и полевые. Было бы интересно реализовать 7 8 различных схем таких двигателей – по 2 3 конструкции каждого типа (механические, газовые, полевые) на уровень мощности ~ 10 20 кВт, с проведением натурных испытаний, чтобы определить реальные характеристики таких двигателей (игнорируя высоконаучные доводы ученых о невозможности их создания в рамках классической физики). Для сравнения заметим, что если удастся реализовать газовый двигатель с замкнутым циклом (по разделам 4,2 и 4,3) на мощность 100 МВт, то благодаря отсутствию в этом двигателе преобразователя тепло245 вой энергии в электрическую (генератора) и мощного радиатора, такой двигатель имел бы массу до 50 т, а благодаря малому количеству рабочего тела в двигателе МКДИ имел бы массу всего до 150 250 т (вместо 500 т, при одинаковом полезном грузе). И такой двигатель позволит вплотную подобраться к условно комфортному полету МКДИ с ускорением ~ 0,1 м/с². Помимо приведенных здесь экзотических схем, а также традиционных схем ЭРД или ЯРД, например [1], [2], [16], [165] и др., отметим обзор нетрадиционных типов двигателей по монографии [34]. Интересны и дешевые двигатели с использованием солнечной плазмы [17], а также нетрадиционные схемы ЯРД, обеспечивающие высокую скорость истечения [150], недостижимую в традиционных схемах ЯРД, а также аннигиляционные двигатели на основе электрон-позитронной аннигиляции [150]. Отсюда возникает и настоятельная потребность в создании испытательной космической станции (ИКС), предназначенной для проведения испытаний двигателей в космических условиях. ИКС включает источник электроэнергии на уровень ~ 1 МВт, накопитель энергии (аккумулятор) на ~ 1010 Дж, имеет систему преобразования электрической энергии для получения необходимых параметров (ток, напряжение и т.п.), также холодильная машина для получения криогенных жидкостей (гелий) и емкости для хранения криогенных жидкостей (гелий, водород и т.п.). Очень важна современная система съема телеметрической информации и автоматической передачи (в реальном времени) на Землю. И другие необходимые для эксплуатации ИКМ системы (ориентации и стабилизации, стыковочный узел и т.п.). Также имеется одна (или две) выносная штанга, с регулируемой длиной 50 500 м, на которой будет крепиться испытываемый двигатель или ЯЭУ. Дли ИКС идеальной является вытянутая эллипсная орбита, с минимумом на высоте 1000 2000 км, а максимум – высотой 70000 80000 км. Такая ИКС обычно работает с экспедицией посещения из испытателей, которые устанавливают на выносной штанге испытываемый двигатель и необходимую измерительную аппаратуру (на орбите высотой 1000 2000 км), а затем экспедиция покидает ИКС, которая переходит в автоматический режим работы. Принципиально возможен и вариант работы испытателей на ИКС при проведении испытаний (например, при работе с магнитными полями, которые защищают ИКС от потока заряженных частиц). Важное значение имеет максимум орбиты ИКС, позволяющий выйти ИКС за пределы магнитосферы Земли. Например, при проведении летных испытаний мощного ЯРД это гарантирует экологическую безопасность Земли даже в случае непредвиденного взрыва 246 ядерного реактора, так как на пути продуктов взрыва будет вся мощь магнитосферы, которая надежно защитит Землю. Кроме того, работа за пределами магнитосферы просто необходима в случае двигателей, взаимодействующих с межпланетной средой, например, с солнечной плазмой (которую магнитосфера просто не пропускает к поверхности Земли) или межпланетным магнитным полем. Да и проведение экспериментов вне магнитосферы дает более чистые результаты, например, как уже отмечалось в разделе 7.3, для экспериментов с истечением струи из плазмотрона в разных направлениях в пространстве и т.п. Здесь же возможно проведение и «чистых» надежных экспериментов по исследованию воздействия полей на вакуум с целью его использования в двигателях, так как эксперименты в условиях сильного магнитного и электрического полей на поверхности Земли достаточно сомнительны. Другой (запасной) вариант орбиты ИКС – круговая, с высотой 70000 80000 км, то есть постоянный полет вне магнитосферы земли. И представляется, что лучше потратить 5 7 лет на создание мощного, на 100 МВт, двигателя и получить великолепный эффективный (и перспективный!) двигатель, чем тратить деньги на «химию» – традиционные ЖРД и РДТТ. Время вкладывать деньги в перспективные двигатели. Таким образом, перспективным выглядит разработка проекта ионного ЭРД на 100 МВт в сочетании с ЯЭУ, в виде 4 блоков по 25 МВт, с одновременной разработкой ЯЭУ в виде одного блока на 100 МВт (после сравнения параметров будет выбран оптимальный вариант). Одновременно разработать, изготовить и запустить ИКС (за 5 7 лет). При этом необходим энергичный поиск новых типов эффективных двигателей, помимо традиционных схем ЭРД и ЯРД. И сейчас, когда возник интерес у руководства США и Китая к полету на Марс, необходимо убеждать политиков, что лучше создать мощный двигатель, на 100 МВт, лучше потратить время и деньги именно на такой двигатель. И будет жаль, если победит тупиковый и абсолютно бесперспективный для дальнейшего развития космонавтики проект «полета черепахи» к Марсу на химических двигателях или даже на маломощных ЭРД или ЯРД, и просто будет жаль впустую потраченных времени и денег. Ведь когда полет к Марсу будет осуществлен, а это весьма дорогостоящий проект, то еще неизвестно, когда у руководства стран мира появится желание осуществить аналогичный дорогостоящий проект. А имея МКДИ с мощным двигателем, можно использовать его и в дальнейших исследованиях, полетах от Меркурия до Марса, это – стратегическая перспектива для развития космонавтики. 247 Можно сказать, что полет на Марс – крупный научный исследовательский проект, однако это и политика – показ (и весьма убедительный) способностей нации, страны, ее интеллектуальной и промышленной мощи, в конце концов – показатель амбиций страны, в том числе и ее руководства. И самый лучший и мощный двигатель в мире – тоже повод для гордости (и кстати, весомый вклад в случае осуществления международной экспедиции). Жаль, что за время так называемых «реформ» российская космонавтика пришла в убогое состояние, так, например, основные задачи космической политики России на период 1996–2005 гг. не были реализованы, и запуски последних лет позволили лишь отчасти восполнить потери космической группировки из спутников военного и гражданского назначения. Например, финансирование Федеральной космической программы (ФКП) в 2001–2004 гг. составило ~ 68% от необходимого объема, утвержденного правительством по ФКП в 2000 г. Что же удивительного в том, что если на орбите вокруг Земли в 1995 г. ~ 33% от общего числа КА были российскими, то в 2005 г. российских КА ~ 12%, причем и общее число российских КА в 2005 г. составило ~ 60% от российских КА в 1995 [239]. При этом наибольший удар был нанесен научной космонавтике, где состояние близко к критическому, и лишь благодаря международным контактам (а часто – и деньгам других стран) удается пристроить отдельные научные приборы в космические проекты NASA, ЕКА и международные научные проекты с единичными запусками научных КА в самой России [240]. При этом одновременно до 40 50% запускаемых Россией КА относятся к коммерческим запускам КА других стран [239], то есть космическая (ракетная) промышленность работала (дешевый извозчик и неравноправный партнер для NASA, ЕКА и прочих богатых стран). В общем, как выразился американский эксперт «Российская космическая программа: полет над пустотой», космическая промышленность была принуждена к международному сотрудничеству для элементарного выживания [241]. Или, говоря научным языком, космическая промышленность выжила благодаря оказанию услуг на мировом космическом рынке, а российская научная космонавтика зачахла, так как в России никому не нужны никакие исследования и эксперименты, а выжил лишь сектор коммерческих и военных КА. А главное – у России нет крупных (можно даже сказать – амбициозных) национальных программ (так, жизнь на подхвате у богатеньких стран). Причем проекты есть, и весьма интересные, например, по развитию космического туризма (на базе самолета М-55 и гиперзвукового ракетоплана), защита Земли от астероидно-кометной опасности, пилотируемая экспедиция на Марс, лунная база, новые средства выведения и т.д. [242], но реальная жизнь заставляет сильно сомневаться, что удастся их реализовать 248 хотя бы в основном. Что же, космонавтика сильно зависит от политического руководства, и если они относятся к типу «рожденный ползать летать не может», то и имеем сегодня весьма скромную и тихую космонавтику (собственно, зачем космос «сырьевой империи»?!). И автор вынужден согласиться с великолепным заключением А. Первушина [4] о плохих временах для космонавтики и отсутствии политической воли. И автор честно признает, что данная книга в России обращена прежде всего к студентам, которые могут дожить до лучших времен для космонавтики, и тогда и понадобятся рассмотренные в данной книге идеи по созданию подобных и на первый взгляд – экзотических типов двигателей для космических полетов. ЛИТЕРАТУРА 1. Космические двигатели: состояние и перспективы / А. Бакингем , Т. Боттс, Д. 249 Бьюден и др.; Под. ред. Л. Кейвни. – М.: Мир, 1988. – 454 с. 2. Киселев А.И., Медведев А.А., Меньшиков В.А. Космонавтика на рубеже тысячелетий. Итоги и перспективы. – М: Машиностроение – Полет, 2001. – 672 с. 3. Хоук Р., Брукс А., Фаулер К., Петерсон Д. Электромагнитные рельсовые метатели: возможности прямого запуска тел в космос. // Аэрокосмическая техника. – Том 1. – 1983. – № 1. С. 110–120. 4. Первушин А. Битва за звезды: Космическое противостояние. – М.: ООО «Издательство АСТ», 2003. – 832 с. 5. Гэтланд К. Космическая техника. – М.: Мир, 1986. – 296 с. 6. Богомаз А.А., Будин А.В., Захаренков С.В. и др. Применние импульсных генераторов плазмы для гиперскоростного ускорения тел. Известия РАН. Энергетика, 1998, №1, с. 64-79. 7. Лузганов С.Н., Полищук В.П., Шурупов А.В. Проблемы и перспективы магнитоплазменных ускорителей макротел. Известия РАН. Энергетика, 2005, №1, с. 32-43. 8. АС СССР 1819828, МПК В64G 1/00, опубл. 07.06.93. Способ запуска снаряда в космическое пространство и система для его осуществления. Сирота А.В. 9. Патент РФ 2239586, МПК В64G 5/00, опубл. 10.11.2004. Система запуска космических аппаратов. Исачкин А.Ф. 10. Патент РФ 2134650, МПК В64G 9/00, опубл. 20.08.99. Магнитноплазменный способ вывода полезных грузов на геостационарную орбиту. Золотухин В.А. 11. Шабанов А.С. Заботы космического архитектора. – М.:Детская литература, 1982. – 142 с. 12. Заявка РФ 2001118550/28, МПК В64G 5/00, опубл. 27.06.2003. Способ вывода полезной нагрузки в космос, наземное оборудование для осуществления этого способа. Шемякин Г.И., Бражник В.М., Маркин В.Ф., Терешко Ю.Г. 13. А Catapult for Iaunching Large Masses / P.Cooper // AIAA Pap / – 1986. – № 17762. – Р. 1–8. 14. Патент РФ 2215673, МПК В 64G 5/00, опубл. 10.11.2003. Авиационнокосмический стартовый комплекс «Марс». Шуликов К.В. 15. Thе MagLifter: An Advanced Concert Using Electromagnetic Propulsion in Reducing the cost of Spase Launch / J.Mankins // AIAA Pap / – 1994. – № 2726. – Р. 1–17. 16. Гильзин К.А. Электрические межпланетные корабли. – М.: Наука, 1970. – 432 с. 17. Солодов Б.М. Солнечная плазма и возможности ее использования в космической технике. – Самара: ЗАО «Самарский информационный концерн», 2004. – 156 с. 18. Дмитриев А.С. К теории электромагнитного резонаторного двигателя: Труды объедин. научн. чтений, посвященных памяти выдающ. сов. ученых-пионеров освоения космич. пространства. М., 26 февр. – 2 марта 1979. // Теория и конструкция двигателей летат. аппаратов. – М., 1979. – С. 117–126. 19. Черный И. В космос – на электричке. // Новости космонавтики. – Том 9. – 1999 – №2. – С. 50. 20. Патент РФ 2131830, МПК В64G 1/00, опубл. 20.08.1999. Космодром в космосе. Ломанов А.А. 21. Патент РФ 2241643, МПК В64G 1/00, опубл. 10.12.2004. Способ запуска объекта с космодрома в космосе. Ломанов А.А. 22. Mag-beam propulsion. News Bull. Astronaut Soc. West.Austral. 2004, 30, № 2, рр. 1–4. 250 23. Белецкий В.В., Левин Е.М. Динамика космических тросовых систем. – М.: Наука, 1990. – 336 с. 24. Патент США 6193194, МПК В64G 1/40, НПК 244/172, опубл. 27.02.2001. Магнитный двигатель для КА. 25. Заявка РСТ (WО), 93/01090, МПК В64G 1/40, В64Д 39/00, опубл. 21.01.93 г. Пропульсивная система с внешней подачей реактивного топлива для воздушных транспортных средств. 26. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. – М.: Атомиздат, 1979. – 317 с. 27. Физика космоса. Маленькая энциклопедия / Под ред. Р.А. Сюняева. – М.: Советская энциклопедия, 1986. – 783 с. 28. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. – М.: ГИФ – МЛ, 1961. – 468 с. 29. Физическая энциклопедия. Том 2 / Под. ред. А.М. Прохорова. – М.: Советская энциклопедия, 1990. – 703 с. 30. Ракетные двигатели / Т.М. Мелькумов, Н.И. Мелик–Пашаев, и др. – М.: Машиностроение, 1976. – 400 с. 31. Таблицы газодинамических функций. – М.: МГУ, 1965. – 160 с. 32. Таблицы газодинамических функций / А.А. Диментова, Ф.С. Рекстин, В.А. Рябов. – М-Л.: Машиностроение, 1966. – 138 с. 33. Патент РФ 2112717, МПК В64G 1/40, опубл. 10.06.98 г., заявка от 02.09.92 г. Способ ускорения космического аппарата и устройство для его осуществления. Солодов Б.М. 34. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Внешние ресурсы и космонавтика. М.: Атомиздат, 1976. – 552 с. 35. Калашников Л.М., Малышев Г.В., Свотин А.П. Тросовые системы в орбитальных транспортных операциях. // Полет. – 2001. – №4. – С. 51–56. 36. Патент РФ 2330794, В64G 1/00, опубл. 10.08.2008. Способ ускорения космического аппарата. Солодов Б.М. 37. Коваленко В.П. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. – М.: Машиностроение, 1975. 38. Черепенин В.А. Релятивистские многоволновые генераторы и их возможные применения. УФН, 2006, т. 176, №10, с. 1124-1130. 39. Патент РФ 2087736, МПК F02К9/00, опубл. 20.08.97. Способ создания силы тяги ракетного двигателя. Солодов Б.М. 40. Соколов В.Г., Микула А.Е. Электродинамическое использование тросовых систем. Современные проблемы ракетной и космической техники и идеи К.Э. Циолковского. // Труды ХХIII Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники», ИИЕТ АН СССР, 1989, с. 116–121. 41. Патент РФ 2112714, МПК В64G 1/24, опубл. 10.06.98. Способ развертывания орбитальной тросовой системы. Осипов В.Г., Шошунов Н.Л., Кочергин В.И. 42. Патент РФ 2092401, МПК В64G 1/22, опубл. 10.10.97. Способ электродинамического взаимодействия с магнитоплазменной околопланетной средой и электродинамическая тросовая система для его осу-ществления. Уткин В.Ф., Борисов В.В., Лукьященко В.И. и др. 43. Заявка РФ 2003118788/11, МПК В64G 1/00, опубл. 27.01.2005. Линейный гео251 магнитный двигатель для межорбитального транспортного модуля и космического аппарата. Додотченко В.В., Никулин С.Н., Гурьев И.С., Олейник Н.И. 44. Патент РФ 2010751, МПК В64G 1/32, опубл. 15.04.94. Устройство для создания силы тяги на объекте во внешнем магнитном поле. Ланюк А.Н. 45. Патент РФ 2172279, МПК В64G 1/32, опубл. 20.08.2001. Устройство линейного электромагнитного движителя с разомкнутыми магнитопроводами. Бихман Р.И. 46. Патент РФ 2162812, МПК В64G 1/32, опубл. 10.02.2001. Устройство линейного электромагнитного движителя. Бихман Р.И. 47. Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. – М.: Наука, 1978. – 224 с. 48. Патент США 6116544, МПК В64G 1/00, НПК 244/158, опубл. 12.09.2000. Канатная подвеска и способ ее применения с использованием электромагнитных сил. 49. Заявка РФ 2005119348/06, F02к1/00, опубл. 27.12.2006. Способ реактивного движения и устройство для его осуществления в виде ракетного двигателя. Солодов Б.М. 50. Торможение магнитным полем для КА, возвращающихся с Марса // РЖ «Ракетостроение и космическая техника». – 1995. – № 9. – ст. 9.41.45. 51. Электромагнитный космический двигатель без реактивной тяги // РЖ «Авиационные и ракетные двигатели». – 1988. – № 4.– Ст. 4.34.152. 52. Заявка Великобритании 2312709, МПК F 03Н 5/00, опубл. 05.11.97. 53. Патент РФ 2104411, МПК F 03Н 1/00, В64G 1/40, опубл. 10.02.98. Способ ускорения КА потоком заряженных частиц и устройство для его осуществления. Солодов Б.М. 54. Заявка РФ 2005119346/11, В64G 1/00, опубл. 27.12.2006. Способ ускорения космического аппарата и устройство для его осуществления. Солодов Б.М. 55. Коваленко В.А. Солнечный ветер. – М.: Наука, 1983. – 272 с. 56. Околотин В. В поисках инерцоида. Техника – молодежи, 1986, №8, с. 20-22. 57. Толчин В.Н. Инерцоид. Силы инерции как источник поступательного движения. Пермь, Кн. изд-во, 1977. – 99 с. 58. АС СССР 1561601, МПК F03G 3/00, 1989. 59. АC CCCР 1751389, МПК F03G 3/00, опубл. 30.07.92. Импульсный реактивный двигатель. Белов А.М. 60. Патент РФ 2095625, МПК F03G 3/00, опубл. 10.11.97. Центробежно-силовой движитель. Устьянцев Л.С. 61. Патент РФ 2045684, МПК F03G 3/00, опубл. 10.10.95. Генератор внутренней тяги. Лучшев Б.М. 62. Патент 2079707, МПК F03G 3/08, опубл. 20.05.97. Способ передвижения транспортного средства и устройство для его осуществления. Михайлов А.И. 63. Патент РФ 2047001, МПК F03G 3/08, опубл. 27.10.95. Способ передвижения транспортного средства и устройство для его осуществления. Михайлов А.И. 64. Заявка РФ 2000127591/28, МПК В64G 1/40, опубл. 20.02.2004. Центробежный космический двигатель. Кириллов Л.И. 65. Заявка РФ 2001129540/28, МПК В64Д 41/00, опубл. 27.01.2004. Способ тяги посредством центробежных сил. Движитель. Мужипов В.С. 66. Смольяков Э.Р. Теоретическое обоснование межзвездных полетов. М. Комкнига, 2005. – 88 с. 67. Толшмяков А.А. Принцип реактивного движителя – II (второго ряда). Изобретатели – машиностроению, 2007, №2, с. 49-63. 252 68. Иванов М.Г. Безопорные двигатели космических аппаратов. М. Издательство ЛКИ, 2008. – 152 с. 69. Заявка Франции 2608689, МПК F03G 3/08, 1988. 70. Заявка ЕПВ 0251525, МПК F03G 3/00, 1988. 71. Заявка Франции 2626320, МПК F03G 3/00, опубл. 28.07.89. Генератор внутренней тяги. 72. ДЕ, заявка 3604406, МПК F03G 7/08, 1987. 73. Патент США 6345789, МПК В64G 1/40, НПК 244/172, опубл. 12.02.2002. Метод и устройство для передвижения. 74. Патент США 5313851, МПК F16Н 33/20, НКИ 74/84R, опубл. 25.05.94. Движительная система с многократно используемой массой. 75. Патент США 4726241, МПК F16Н 19/06, НКИ 74/61, опубл. 23.02.88. Генератор, создающий постоянный и импульсный векторы силы. Melnick Harry S. 76. Заявка ФРГ 3429536, МПК F16Н 33/02, опубл. 20.02.86. Центробежный двигатель. 77. Заявка ФРГ 3520935, МПК В64G 1/28, опубл, 16.01.86. Устройство для получения подъемной силы или для перемещения КА. Wohlfanhrt Herbert. 78. Заявка ФРГ 3219698, МПК В64G 1/40, опубл. 15.12.83. Двигательная установка для КА. Moritz Richard. 79. Заявка РФ 98103193/06, МПК F03Н 5/00, опубл. 27.12.98. Способ создания тяги внутри замкнутой системы. Болдин А.Ю. 80. Сигалов Р.Г. Новые исследования движущих сил магнитного поля. – Ташкент: Наука, 1965. – 161 с. 81. Сигалов Р.Г., Шаповалова Т.И., Каримов Х.Х., Самсонов Н.И. Новые исследования движущих сил магнитного поля. – Ташкент: ФАН, 1975. – 227 с. 82. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 3. Электричество. – М.: Наука, 1977. – 687 с. 83. Заявка ФРГ 4416295, МПК F02С 1/10, опубл. 14.03.96. Привод, работающий без контакта с окружающим пространством. 84. Патент РФ 2115022, МПК F03Н 5/00, опубл. 10.07.98. Ракетный двигатель. Кочетков Б.Ф. 85. Патент РФ 2125657, МПК F02К 1/00, опубл. 27.01.99. Способ реактивного движения и устройство для его осуществления в виде ракетного двигателя. Кочетков Б.Ф. 86. Патент РФ 2125658, МПК F02К 1/00, опубл. 27.01.99. Способ реактивного движения и устройство для его осуществления в виде ракетного двигателя. Кочетков Б.Ф. 87. Гулиа Н. Алфизики ХХ века. Техника – молодежи. 1966, №8, с. 22-24; сайт htth:// n-t.ru/tp/ts/af.htm 88. Заявка РФ 2005119347/06, F02к1/00, опубл. 27.12.2006. Способ реактивного движения. Солодов Б.М. 89. Техническая термодинамика / Е.В. Дрыжаков, Н.П. Козлов, Н.К. Корнейчук и др. – М.: Высшая школа, 1971. – 427 c. 90. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. – М. Энергия, 1974. – 592 с. 91. Дрюков В.М. О чем молчат физики. – Тула: Гриф и К, 2004. – 96 с. 92. Николаев Г.В. Тайны электромагнетизма. Новые концепции физического мира. – Томск, Изд-во ООО «Твердыня», 2001. – 80 с. 253 93. Авраменко Р.Ф., Грачев Л.П., Николаева В.И. Проблемы современной электродинамики и биоэнергетики // Будущее открывается квантовым ключом / Р.Ф. Авраменко и др. – М.: Химия, 2000. – С. 112–113. 94. Авраменко Р.Ф., Грачев Л.П., Николаева В.И. Экспериментальная проверка дифференциальных законов электромагнитного поля // Будущее открывается квантовым ключом / Р.Ф. Авраменко и др. – М.: Химия, 2000. – С. 139–159. 95. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.: Наука, 1989. – 504 с. 96. Глушко В.П., Глушко Г.З. Альтернатива ракетной техники. Прикл. и теор. вопросы нетрадицион. энерг. и энергосберег. технол.: Матер. научно-техн. конф. – С.Петербург, дом научно-техн. проп.. – СПб, 1992. – С. 7–8. 97. Заявка РФ 96120350/25, МПК F03Н 5/00, опубл. 20.12.98. Способ создания тяги маломощных ракетных систем и устройство для его осуществления. Дятлов Р.Н. 98. Патент РФ 2172865, МПК F03Н 5/00, опубл. 10.04.2001. Способ получения тяги. Иванов Г.П., Иванов Ю.Г. 99. Патент США 3662554 100. Патент РФ 2097275, МПК В64С 39/00, F03Н 1/00, опубл. 27.11.97. Электролет. Абачараев Н.М. 101. Славин С.Н. Секретное оружие третьего рейха. – М.: Вече, 1999. – 447 с. 102. Полуян П.В., Кузина С. НЛО строили на тракторном заводе? // Комсомольская правда, 25 августа 2005 г. С. 6–7. 103. Физическая энциклопедия. Том 5. // Большая российская энциклопедия. 1998. – 757 с. 104. Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с. 105. Патент РФ 2130401, МПК В64С 23/00, 64С 39/00, опубл. 20.05.99. Термодипольный способ полета и летательный аппарат для его осуществления. Витко А.В., Орлов А.Б. 106. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Часть 1. – М.: Наука, 1991. – 600 с. 107. Патент РФ 2106287, МПК В64G 9/00, опубл. 10.03.98. Комплексная технология планетного и межпланетного плавания. Белошапкин К.П. 108. Патент РФ 2097274, МПК В64С 39/00, F03Н 1/00, опубл. 27.11.97. Электролет. Абачараев Н.М. 109. Заявка РФ 2002112163/11, МПК В64G 9/00, опубл. 10.02.2004. Дисковый антигравитационный аппарат. Шайхутдинов С.С. 110. Патент РФ 2046210, МПК F03Н 5/00, опубл. 20.10.95. Электроракетный двигатель Богданова. Богданов И.Г. 111. Иванов М.Г. Антигравитационные двигатели «летающих тарелок»: Теория гравитации, М. Издательство ЛКИ, 2007. – 352 с. 112. Умеренков Е., Егоров А. Земляне сотрудничают с инопланетянами? // Комсомольская правда, 18 августа 2005 г. С. 18–19. 113. Днестровский Ю.Н. Физические результаты работы установки Т-10 // Физика плазмы. – Том 27. – №10. – 2001. – С. 873–891 114. Быченков В.Ю., Розмус В., Максимчук А. и др. Быстрый поджиг на основе ионов. // Физика плазмы. – Том 27. – № 12. – 2002. – С. 783–789. 115. Физическая энциклопедия. Том 3. // Большая российская энциклопедия. 1992 – 672 с. 254 116. Царев В.А. Низкотемпературный ядерный синтез // УФН – 1990 – Том 160. – № 11. – С. 1–53. 117. Патент РФ 2056649, МПК G21В 1/00, опубл. 20.03.96. Способ управляемого термоядерного синтеза и управляемый термоядерный реактор для его осуществления. Столбов С.Н., Дробышевский Ю.В. 118. АС СССР 1735909, МПК G21В 1/00, опубл. 23.05.92. Способ получения атомной энергии и устройство для его осуществления. Родимов Б.Н. 119. Патент РФ 2109352, МПК G21В 1/00, опубл. 20.04.98. Способ осуществления реакции термоядерного синтеза. Ватрунин В.Е., Дубинов А.Е., Нижегородцев Ю.Б., Селемир В.Д. 120. АС СССР 1494788, МПК G21В 1/00, опубл. 10.05.95. Способ получения управляемой термоядерной реакции. Вихреев В.В., Добряков А.В., Иванов В.В. 121. АС СССР 786617, МПК G21В 1/00, опубл. 23.02.85. Устройство для инициирования импульсной термоядерной реакции. Недосеев С.Л., Рудаков Л.И., Смирнов В.П., Ямпольский И.Р. 122. Патент РФ 2075115, МПК G21В 1/02, опубл. 10.03.97. Способ изготовления лайнера для инерциального термоядерного синтеза. Медовщиков С.Ф., Недосеев С.Л. 123. Заявка РФ 2003100750/06, МПК G21В 1/00, опубл. 14.01.2003. Устройство для осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза. Богданов И.Г. 124. Патент РФ 2145123, МПК G21В 1/00, опубл. 27.01.2000. Способ ядерного синтеза и устройство для его осущенствления. Цветсков С.А. 125. Заявка РФ 2002127551/06, МПК G21В 1/00, опубл. 10.04.2004. Способ осуществления ядерных реакций синтеза. Пушко Г.И., Загнитько А.В., Пушко А.И., Чаплыгин Ю.О. 126. Намиот В.А. Кавитация и термоядерный синтез: оценки параметров и предложения по возможному способу получения положительного энерговыхода. // Доклады АН, Физика, 2003, том. 388, № 3. С. 323–328. 127. Заявка РФ 2003110012/06, МПК G21В 1/00, опубл. 10.10.2004. Способ проведения термоядерной реакции и устройство для его осуществления. Ляхтер В.М. 128. Патент РФ 2145122, МПК G21В 1/00, опубл. 21.01.2000. Способ осуществления реакции низкотемпературного ядерного синтеза в системах с «тяжелыми фермионами. Олендский О.Л., Терез А.Ю. 129. Крохин О.Н. Размышления: состояние и перспективы лазерного термоядерного синтеза // УФН. – Том 172. – № 12. – 200. –, С. 1466–1468. 130. Патент РФ 2148278, МПК G21В 1/02, опубл. 27.04.2000. Способ получения энергии и установка для его осуществления. Кащук А.С. 131. Патент РФ 2145124, МПК G21В 1/02, опубл. 27.01.2000. Способ получения энергии и установка для его осуществления. Кащук А.С. 132. Патент РФ 2183865, МПК G21В 1/00, опубл. 20.06.2002. Способ возбуждения экзотермических реакций ядерного синтеза. Пинчук В.А., Каторгин Б.И., Пинчук А.В. и др. 133. Патент РФ 2100849, МПК G21В 1/00, опубл. 27.12.97. Термоядерный реактор. Холев В.С. 134. Заявка РФ 2002117457/06, МПК G21В 1/00, опубл. 27.01.2004. Способ управляемого термоядерного синтеза и устройство для его осуществления. Обручков А.И. 135. Патент РФ 2237297, МПК G21В 1/02, опубл. 27.09.2004. Способ осуществления реакций термоядерного синтеза. Такибаев Н.Ж. 255 136. Физические величины: Справочник. – М: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с. 137. Заявка РФ 2000117268/06, МПК G21В 1/02, опубл. 10.05.2002. Способ осуществления термоядерного синтеза. Шестернин А.В. 138. Димов Г.И. Амбиполярная ловушка. // УФН. – 2005. – Том 175. – № 11. – С. 1185–1206. 139. Патент РФ 2157005, МПК G21В 1/02, опубл. 27.09.2000. Способ получения энергии из дейтерия и его продуктов при совмещении реакций деления и синтеза. Ирдынчеев Л.А. 140. Патент РФ 2151324, МПК F03Н 1/00, опубл. 20.06.2000. Способ создания реактивной тяги ядерного ракетного двигателя. Ирдынчеев Л.А. 141. Патент РФ 2113617, МПК F03Н 5/00, опубл. 20.06.98. Ядерный ракетный двигатель. Кириллов Л.И. 142. Патент РФ 2156378, МПК F03Н 5/00, опубл. 20.09.2000. Ядерный ракетный двигатель. Кириллов Л.И. 143. Патент РФ 2005901, МПК F02К 9/08, опубл. 15.01.94. Ракетный двигатель. Виноградов Л.Д. 144. Заявка РФ 2002130540/06, МПК F02К 11/00, опубл. 27.06.2004. Термоядерный ракетный двигатель. Богданов И.Г. 145. Заявка ФРГ 3711125, МПК F03Н 5/00, G21В 1/00, опубл. 03.11.88. Термоядерный ракетный двигатель 146. Патент США 5475722, МПК G21Д 5/02, НКИ 376/318, опубл. 12.12.95. Термоядерный ракетный двигатель и его сопло. 147. Марсианский проект: современная концепция. Астронавтика и ракетодинамика. Экспресс-информация. – ВИНИТИ, 1998, № 14. – С. 2–23. 148. Шипов Г.И. Теория физического вакуума. М. Наука, 1997. – 450 с. 149. Шевченко В.В. Лунная база. М. Знание, 1991. – 64 с. 150. Солодов Б.М. Нетрадиционные схемы ядерных ракетных двигателей для космических полетов. – Самара, ЗАО «Самарский информационный концерн», 2004. – 154 с. 151. Грибков А.С., Романов С.Ю., Севастьянов Н.Н., Синявский В.В. Лунный добывающеперерабатывающий комплекс на базе атомной теплоэлектростанции. Известия РАН, Энергетика. 2007, №23, с. 22-34. 152. Юдицкий В.Д., Грибков А.С., Беловолов С.Е. и др. Космический транспортно-энергетический комплекс для добычи на астероидах и доставки к Земле термоядерного топлива гелия-3. Известия РАН. Энергетика, 2003, №3, с. 15-24. 153. Масленков А.А., Синявский В.В., Юдицкий В.Д. О возможности добычи термоядерного топлива гелия-3 из атмосферы Юпитера. Известия РАН. Энергетика, 2006, №1, с. 121-124. 154. АС СССР 999839, МПК G 21Н 7/00, заявка от 07.05.1981, опубл. 23.02.83; 10.03.96. Способ получения изотопов гелия-3 и трития. Солодов Б.М. 155. Фортов В.Е., Василяк Л.М., Ветчинин С.П. и др. Плазменно-пылевые структуры при криогенных температурах: Доклады АН // Физика. – 2002. – Том 382. – № 1 – С. 50–53. 156. Метод охлаждения ионов гелия // УФН. – Том 175 – 2005. – № 2. – С. 180 (Новости физики в сети INTERNET). 157. Тернов И.М., Михайлин В.В. Синхротронное излучение. Теория и эксперимент. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 296 с. 158. Заявка 2005119344/06, G21В1/00, опубл. 27.12.2006. Способ осуществления термоядерного синтеза. Солодов Б.М. 256 159. Физическая энциклопедия. Том 1. – М.: Советская энциклопедия, 1988. – 704 с. 160. АС СССР 1400470, МПК Н05Н 7/00, опубл. 20.08.93. Источник ускоренных нейтральных частиц. 161. Свойства жидкого и твердого водорода. Справочник. – М.: Изд-во стандартов, 1969. – 136с. 162. Есельсон Б.Н., Иванов В.Г., Коваль В.А. и др. Свойства жидкого и твердого гелия: Справочник. – Киев: Наукова думка, 1982. – 231 с. 163. Патент США 4891600, МПК G21К 1/00, НКИ 328/233, опубл. 02.01.90. Способ и устройство для ускорения диполей. Cox James E. 164. Заявка 2005119345/06, F03Н5/00, опубл. 27.12.2006. Способ создания реактивной тяги термоядерного двигателя и устройство для его осуществления. Солодов Б.М. 165. Демянко Ю.Г., Конюхов Г.В., Коротеев А.С. и др. Ядерные ракетные двигатели. – М.: «Норма – Информ», 2001. – 416 с. 166. Перельман Р.Г. Цели и пути покорения космоса. – М.: Наука, 1967. – 211 с. 167. Власов Н.А. Аннигиляция как энергетический процесс // Атомная энергия. – 1978. – Том 44. – Вып.1. С. 45–50. 168. Будкер Г.И. Релятивистский стабилизированный электронный пучок // Атомная энергия. – Т. 1, вып. 5. – С. 9. 169. Физическая энциклопедия. Том 4. – М.: Большая российская энциклопедия, 1994. – 704с. 170. Каку М. Введение в теорию суперструн. М.: Мир, 1999. – 624 с. 171. Иванов М.Я. К вопросу фундаментальности классической механики // Конверсия в машиностроении. – 2003. – № 3. – С. 5–16. 172. Саранцев В.П., Перельштейн Э.А. Коллективное ускорение ионов электронными кольцами. – М., 1979. – 216 с. 173. Физический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – 928 с. 174. Феоктистов К.П. Космическая техника. Перспективы развития. – М.: МГТУ, 1997 – 172 с. 175. Метод охлаждения ионов гелия // УФН. – Том 175 – 2005. – № 2. – С. 180 (Новости физики в сети INTERNET). 176. Коломенский А.А. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. – М.: МГУ, 1980. – 302 с. 177. Розанов Н.Н. О самовоздействии интенсивного электромагнитного излучения в электрон-позитронном вакууме // ЖЭТФ. – 1998. – Том 113. – Вып. 2. – С. 513–520. 178. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 528 с. 179. Черкасов А.С. Космическая ядерная энергетика и светопроизводящий реактор // От первой в мире АЗС к атомной энергетике 21 века: Сб. тезисов, докладов и сообщений 10-й ежегодной конференции ядерного общества России. Обнинск, 28 июня – 2 июня 1999. – Обнинск. Изд-во ГНЦ РФ «ФЭИ», 1999. – С. 254. 180. Гулевич А.В., Зродников А.В., Евтодиев Д.В., Кухарчук О.Ф. Применение ядерных фотонных ракет для исследования дальнего космоса. Конференция «Ядерная энергетика в космосе – 2005». Москва-Подольск 2005, Том 1, М.: Изд-во НИКИЭТ. 2005, с. 169-177. 181. Патент РФ 2201527, МПК F03Н 3/00, опубл. 27.03.2003. Фотонный двигатель. Горбачев К.А. 182. Чернин А.Д. Космический вакуум. // УФН. – 2001 – Т. 171. – № 11. – С. 1153– 257 1175. 183. Смирнов А.И. О физическом составе темной материи // Известия ВУЗов, Физика, том 48, 2005, № 9. – С. 90–91 184. Лукаш В.Н., Михеева Е.В. Темная материя: от начальных условий до образования структуры Вселенной. УФН, 2007, т. 177, №9, с. 1023-1028. 185. Патент РФ 2185526, МПК F03Н 5/0, опубл. 20.07.2002. Способ создания тяги в вакууме и полевой двигатель для космического корабля. Леонов В.С., Пилкин В.Е. 186. . Чернин А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение. УФН, 2008, т. 178, №3, с. 267-300. 187. Ласуков В.В. Темная материя и темная энергия вселенной. Известия ВУЗов, Физика, 2006, т. 49, с. 9-19. 188. Ласуков В.В. Теория космического вакуума // Известия вузов, Физика. – 2005. – № 1. – С. 24–34. 189. Новиков В.А. Непертурбативная КХД и суперсимметричная КХД // УФН. – 2004. – Т. 174. – № 2. – С. 113–120. 190. Коноплева Н.П., Попов В.Н. Калибровочные поля. – М.: Эдиториал УРСС, 2000. – 272 с. 191. Хокинг С., Пенроуз Р. Природа пространства и времени. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. – 160 с. 192. Артеха С.Н. Критика основ теории относительности. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 224 с. 193. Логунов А.А. Лекции по теории относительности и гравитации: Современный анализ проблемы. – М.: Наука, 1987. – 272 с. 194. Логунов А.А. Теория гравитационного поля. – М.: Наука, 2000. – 235 с. 195. Попов И.Ф. Стационарные волны гравитации в управлении космосом // Конверсия в машиностроении. – 2005. – № 1-2. – С. 134–140. 196. Авраменко Р.Ф., Николаева В.И. Квантовая энергия электронного бозеконденсата в окружающей среде // Будущее открывается квантовым ключом / Р.Ф. Авраменко и др. – М.: Химия, 2000. – С. 32–45. 197. Пятницкая Н.Н., Кириллов А.И. Основы праматерии (квант-силовая концепция). – М.: ТОО «Агат», 1994. – 123 с. 198. Фесенко О.Г. Континуум Мак-Келлога – электромагнитный эфир. – Белгород: ИД «Шаповалов», 1997. – 86 с. 199. Чеплашкин В. Гипотеза электромагнитного вакуума и ряд явлений окружающего мира, поддающихся объяснению с ее помощью с позиций классической физики. Инженер, 2007, №3, с. 301-308. 200. Розанов Н.Н. Четырехволновые взаимодействия интенсивного излучения в вакууме // ЖЭТФ – Том 106. – 1993. – Вып. 6. – С. 1196–2007. 201. Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и реальность. УФН, 2008, т. 178, №3, с. 301308. 202. Тернов И.М., Жуковский В.Ч., Борисов А.В. Квантовые процессы в сильном внешнем поле. – М.: МГУ, 1989. – 192 с. 203. Гриб А.А., Мамаев С.Г., Мостепаненко В.М. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 288 с. 204. Таджима Т. Рентгеновские лазеры на свободных электронах в фундаментальной физике // Физика плазмы. – 2003. – Том 29. – № 3. – С. 231–235. 205. Бауров Ю.А., Поливцев В.М. Движители-генераторы и электростанции, использующие энергию физического пространства // Конверсия в машиностроении. – 1998. – № 4. – С. 11–13. 206. Бауров Ю.А. Некоторые прикладные вопросы использования теории структу258 ры физического пространства для получения новой энергии // Конверсия в машиностроении. – 1999. – № 2. – С. 37–41. 207. Патент РФ 2023203, МПК F03G 7/00, опубл. 15.11.94. Способ перемещения объекта в пространстве и устройство для его осуществления. Бауров Ю.А., Огарков В.М. 208. Патент РФ 2082900, МПК F03G 7/00, опубл. 27.06.97. Способ перемещения объекта в пространстве. Бауров Ю.А., Огарков В.М. 209. Патент РФ 2121602, МПК F03G 7/00, опубл. 10.11.98. Способ генерирования механической энергии и устройство для его осуществления. Бауров Ю.А., Огарков В.М. 210. Патент РФ 2147696, МПК F03G 7/00, опубл. 20.04.2000. Способ получения энергии и устройство для его осуществления. Бауров Ю.А., Беда Г.А., Даниленко И.П., Огарков В.М. 211. Патент РФ 2200875, МПК F03Н 5/00, опубл. 20.03.2003. Электромагнитный двигатель Богданова для создания тяги на новых физических принципах. Богданов И.Г. 212. Меньшиков В.А. Экспериментальные исследования принципов создания гравитационных двигательных установок // Полет. – 2001. – № 10. – С. 38–39. 213. Froning H. Investigation of quantum ramjet for interstellar flight // «AlAA Pap», 1981, № 1533, Р. 8. 214. Froning H. Application of fluid dynamics to the problems of field propulsion and ultra high – speed flight // «AlAA Pap», 1990, № 0563, Р. 8. 215. Froning H. Vacuum energy for power and propulsive flight? // «AlAA Pap», 1994, № 3348, Р. 15. 216. Реферативный журнал «Ракетостроение и космическая техника», 2005, № 11, сообщение 05.11 – 41.47. «Полет к звездам». 217. Патент США 6960975, МПК 01F6/00, НКИ 334/216, опубл. 01.11.2005. Двигатель для КА на давлении вырожденных вакуумных состояний. VoIfson B. 218. Маршаков А.В. Теория струн или теория поля? // УФН. – Том 172. – 2002. – № 9. – С. 977–1020. 219. Беттини А. Физика за пределами Стандартной модели. Эксперименты в Лаборатории Гран Сассо // УФН. – 2001. – Т. 171. – № 9. – С. 977–1003. 220. Заявка РФ 2000119415/06, МПК F03G 7/00, опубл. 20.06.2002. Способ преобразования энергии полей постоянных магнитов в механическую работу и устройство для его осуществления. Пилипков Ю.С. 221. Сирота Н.Н. Силы, действующие на параллельные пластинки в разреженном газе // Известия вузов. – Физика. – Том 48. – 2005. – № 4. – С. 89–91. 222. Заявка РФ 2004113143/11 МПК В64G 1/00, опубл. 20.10.2005. Способ реактивного движения. Синельник А.И. 223. Alzofon F. Antigravity with present technology: implementation and theoretical foundation // «AlAA Pap», 1981, № 1608, Р. 33. 224. Заявка РФ 96112912/25, МПК F03Н 3/00, опубл. 27.09.98. Способ создания антигравитации. Лакеев В.И. 225. Заявка 96103902/06, МПК F03G 3/00, опубл. 27.04.98. Гравитационно - энергетический экран. Курочкин Г.М. 226. Авраменко Р.Ф. О возможности передачи сигналов через среды, обладающие магнитными спиновыми свойствами // Будущее открывается квантовым ключом / Р.Ф. Авраменко и др. – М.: Химия, 2000. – С. 276–281. 259 227. Котельников Г.А. К проблеме сверхсветовых движений. Известия ВУЗов, Физика, 2006, том 49, №2, с. 15-19. 228. Константинов М.Ю. Сверхсветовые сигналы и причинность // Известия ВУЗов. Физика. – 2002. – № 1. – С. 24–27. 229. Розанов Н.Н. Сверхсветовые локализованные структуры электромагнитного излучения // УФН. – 2005. – Том 175. – № 2. – С. 181–185. 230. Лихушин Ю.Б., Смирнов А.И. Метод поиска тахионов. Известия ВУЗов. Физика, 2006, т. 49, №8, с. 96. 231. Барвинский А.О. Космологические браны и макроскопические дополнительные измерения // УФН. – 2005. – Том 175. – № 6. – С. 569–601. 232. Шаповалова М.С. Крупномасштабные квантовые двумерные флуктуации метрики пятимерного и четырехмерного пространства – времени // Известия ВУЗов, Физика. – 2004. – № 4. – С. 18–24. 233. Макаренко А.Н., Обухов В.В., Осетрин К.Е. Кротовые норы в бранной вселенной // Известия вузов, Физика. – 2004. – № 4. – С. 76–79. 234. Новиков И.Д., Кардашев Н.С., Шацкий А.А.. Многокомпонентная Вселенная и астрофизика кротовых нор. УФН, т. 177, 2007, №9, с. 1018-1023. 235. Семенов Ю.П., Горшков Л.А. Концепция марсианской экспедиции // Полет. – № 11. – 2001. – С. 12–18. 236. Бессонов А.И., Калмыков Г.П., Пастухов А.И. Перспективы развития космического двигателестроения // Полет – 2005. – № 6. – С. 16-21. 237. Гафаров А. Ядерная энергия в космосе: состояние и перспективы // Новости космонавтики. – Том 14. – 2004. – № 4. – С. 38–40. 238. Коротеев А.С., Акимов В.Н., Гафаров А.А. Создание и перспективы применения космической ядреной энергетики в России. Полет, 2007, №7, с. 3-15. 239. Перминов А.Н. Космическая деятельность Российской Федерации и перспективы ее развития // Полет. – 2005. – № 7. – С. 3–11. 240. Зеленый Л.М. Космическая наука: состояние, проблемы, перспективы // Полет. – 2005. – № 1. – С. 3–10. 241. Оберг Дж. Российская космическая программа: полет над пустотой // Астронавтика и ракетодинамика. – 2005. – № 9. – С. 3–38. 242. Коротеев А.С., Акимов В.Н. Перспективы развития космонавтики // Полет. – 2003. – № 12. – С. 3–12. 260 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие .................................................................................................... 3 Введение.. ......................................................................................................... 4 Г л а в а 1 . Ускорение космического аппарата с использованием внешнего источника вещества и энергии ............... 6 1.1. Обзор..................................................................................................... 6 1.2. Ускорение КА по дорожке из топлива ............................................ 19 1.3. Ускорение КА потоком плазмы ....................................................... 29 Г л а в а 2 . Тепловой двигатель с истечением в искусственную атмосферу ...................................................................... 40 2.1. Газодинамика теплового двигателя ................................................. 40 2.2. Характеристики теплового двигателя 261 с внешней искусственной атмосферой ...........................................44 Г л а в а 3 . Д вигатели с использованием космического магнитного поля ................................................................51 3.1. Введение .............................................................................................51 3.2. Двигатель с неизотермической плазмой .........................................54 3.3. Электронный двигатель с неизотермической плазмой .................60 3.4. Тормозной магнитный двигатель ....................................................62 3.5. Магнитный двигатель для ускорения КА .......................................67 Г л а в а 4 . Двигатели с замкнутым циклом рабочего тела и аналогичные конструкции .....................................................................70 4.1. Введение .............................................................................................70 4.2. Физические основы создания двигателя с замкнутым циклом со сверхзвуковой струей...................................................................81 4.3. Физические основы создания двигателя с замкнутым циклом с дозвуковой струей ..........................................................................87 4.4. Физические основы создания двигателя на основе полей ............98 4.5. Дискообразные летательные аппараты .........................................104 Г л а в а 5 . Термоядерные двигатели .....................................................114 5.1. Общий обзор ....................................................................................114 5.2. «Дьявол кроется в деталях»............................................................122 5.3. Концепция термоядерного наноструйного реактора и двигателя .......................................................................................127 Г л а в а 6 . Двигатели с использованием высокоэнергетических частиц ................................................................141 6.1. Двигатели .........................................................................................141 6.2. Релятивистский аккумулятор энергии ..........................................144 6.3. Система на основе релятивистского аккумулятора энергии ......157 6.4. Двигатели КА на основе электромагнитного излучения ............160 Г л а в а 7 . Двигатели с использованием структуры космоса ..........167 Введение ..................................................................................................167 7.1. Физические основы .........................................................................167 7.2. Известные проекты установок .......................................................182 7.3. Критический анализ ........................................................................191 7.4. Двигатель с использованием вакуума ...........................................200 262 Г л а в а 8 . На грани фантастики............................................................ 206 Введение .................................................................................................. 206 8.1. Гравитационные двигатели ............................................................ 206 8.2. Двигатель на основе энергии вакуума .......................................... 210 8.3. Сверхсветовая скорость .................................................................. 214 8.4. Многомерный мир ........................................................................... 225 8.5. Гиперпространство.......................................................................... 232 Заключение................................................................................................... 241 Список литературы ..................................................................................... 250 263