Электронно-импульсные реактивные двигатели

 

1. Постановка задачи. Данная глава посвящена внедрению в практическое производство предложений, изложенных в параграфах последней главы курса "Теория относительности и ее критика", а именно в §41 ("Импульсные ускорители заряженных частиц") и §42 ("Электронно-импульсный двигатель"), в которых говорится о новом поколении двигателей для космических аппаратов.

Во время предыдущих этапов научной программы будут получены результаты, необходимые для создания данного двигателя. В проекте космического телескопа будет доказана возможность использования потока электронов в качестве иточника реактивного импульса, а при создании и работе ускорителя для синтеза сверхтяжелых элементов будет проведена отработка принципа "двигателя-ускорителя" с большой плотностью потока электронов и проверка возможности возврата электронов (сначала в лабораторном масштабе, а потом и в промышленном), будут выработаны наиболее оптимальные конструкции.

После отработки общих принципов конструкции необходим ряд этапов постепенного наращивания мощности устройства.

2. Расчет энергетических затрат. Конечным результатом должен стать промышленный (грузовой или пассажирский) космический аппарат массой 50 тонн, способный в течение нескольких минут преодолевать расстояние до Луны. Этому требованию соответствует скорость, равная сотой части скорости света. При таких скоростях релятивистские эффекты практически незаметны, поэтому расчет кинетической энергии (т.е. энергию, которую нужно затратить для разгона корабля до такой скорости и для последующего торможения) можно вести по формуле E=mv²/2 = 5×10⁴ кг × (3×10⁶ м/с)² = 2,25×10¹⁷ Дж. Такая энергия выделяется при аннигиляции нескольких килограмов вещества или при делении нескольких тонн ядерного материала. В принципе это не является невозможным, однако, естественно, потребуются предварительные этапы разработки конструкции двигателя.

Первый этап - простое устройство, цель которого - продемонстрировать возможность именно такого двигателя. Масса - 10 кг (только сама конструкция, без полезного груза и систем компенсации ускорения), которую надо разогнать до скорости, превышающей вторую космическую. Если эта скорость будет равна 20 км/с, то затраты энергии составят 2×10⁹Дж, что соответствует (при условии 100% КПД) 2 мг ядерного делящегося материала, для чего подойдет источник на сверхтяжелых элементах. Если считать, что такую скорость необходимо развить за 10 секунд, то мощность, передаваемая от источника тока к двигателю, составит 2×10⁸ Вт, что вполне в рамках возможностей электрических силовых систем.

Следующий этап - экспериментальное устройство массой 500 кг (на которое можно навесить дополнительные устройства - система компенсации ускорения, система для получения энергии из реликтового излучения и т.п.), способная добраться до Луны за несколько часов. Этому условию соответствует скорость 10^-4 световой (30 км/с), а кинетическая энергия - 2×10¹¹Дж, что соответствует (при условии 100% КПД) 2 г ядерного делящегося материала, для чего опять же подойдет источник на сверхтяжелых элементах. Причем для заданных масштабов времени (10³-10⁴ сек) мощность не превысит той, что необходима для предыдущего случая.

После отработки всех технологий - следующий этап - аппарат массой до 10 тонн, способный достичь Луны за 20 минут. В этом случае затраты энергии составят 4,5×10¹⁴ Дж, для чего потребуется около 1 кг делящегося материала. Это уже может быть экспериментальный пилотируемый аппарат, с помощью которого можно будет осуществить советскую лунную программу.

3. Компенсация ускорения. Проблема, которую необходимо решить при конструировании указанных аппаратов - это компенсация ускорения. Например, в аппарате, который за 20 минут достигает лунной орбиты, если он будет двигаться первую половину пути с постоянным ускорением, а вторую половину пути - с таким же замедлением. Ускорение, которое будет при этом необходимо, составит: a = 2S/t² = 2×(1/2) ×384.400.000 м / (600 сек) ² = 10³ м/с² = 100g, что в 100 раз выше биологически допустимого значения ускорения свободного падения. Причем это лишь необходимый минимум, в промышленных межпланетных програмах потребуются еще большие значения. Как сделать полеты с таким ускорением безопасными для космонавтов?

Теоретический принцип был изложен в главе "Проблема ускорения": если в течение очень короткого промежутка времени (доли секунды) система будет давать большой импульс ускорения, а потом в течение некотрого времени (одна или несколько секунд) корабль будет двигаться по инерции без ускорения, то в среднем корабль будет двигаться с большим ускорением, биологическое же действие этого ускорения будет незначительным. Самый, казалось бы, простой вариант - пусть  в течение короткого промежутка времени t будет создаваться импульс ускорения, в n раз первышающий ускорение свободного падения, а затем в период времени n×t пусть корабль двигается по инерции без ускорения. В этом случае даже без всяких систем компенсации среднее ускорение составит g, а путь, который пройдет корабль, может составить больше, чем если бы корабль двигался с ускорением g.

В действительности такой вариант малоперспективен. Определим, какой путь пройдет корабль, движущийся с таким ускорением, за период времени t. Если за S₀ обозначить расстояние, которое за время t прошел бы, двигаясь равномерно с ускорением g: S₀ = gt/2, то в описанном выше случае путь составит: S = S₀×(2/n²)×(1+2+....+n). При малых значениях n возможен незначительный выигрыш, однако совершенно недостаточный, а при n, стремящемся к бесконечности, S стремится к S₀, т.е. выигрыш вообще пропадает.

Поэтому рассмотрим общий случай. Пусть весь интервал полета Т разделен на n равных интервалов, и в каждом из этих интервалов 1/N часть времени система ускоряется с ускорением, в k раз превышающим ускорение свободного падения g, а в течение в  N раз большего периода времени - движется по инерции без ускорения.

Путь, пройденный кораблем за каждый цикл, складывается из пути, пройденного за счет ускорения и пути, пройденного по инерции с приобретенной скоростью. В течение каждого из циклов ускорения за счет этого ускорения корабль проходит путь S = at²/2  = (kg/2)×(T/n)² = kgT²/2n² = (gT²/2)×(k/n²). Общее расстояние, пройденное за счет исключения, составит: S₁ = n×(gT²/2)×(k/n²) = (gT²/2)×(k/n).

Увеличение скорости за каждй цикл ускорения составит: at = kg×(T/N) = gt×(k/N). Таким образом, за первый цикл ускорения корабль приобретет скорость gt×(k/N), за второй цикл ускорения - 2gt×(k/N), за третий цикл ускорения - 3gt×(k/N), за последний, n-й цикл ускорения - ngt×(k/N). Расстояние, пройденное за счет инерции составит: за первый цикл ускорения (kgT/N)×(T/n) = kgT²/Nn, за второй цикл ускорения - 2×kgT²/Nn, за третий цикл ускорения - 3×kgT²/Nn и т.д., а при суммировании по всем n циклам ускорения пройденное по инерции расстояние составит: S₂= kgT²/Nn×(1+2+3+...+n). При n, стремящемся к бесконечности, величина в скобках стремится к n²/2, поэтому получаем S₂= kgnT²/2N.

Суммируя расстояния, пройденные за счет ускорения и за счет инерции, получаем расстояние, пройденное за период времени T:

S = S₁ + S₂ = (gT²/2)×(k/n) + kgnT²/2N = (gT²/2)×(k/n + kn/N)

Таким образом, выигрыш по сравнению с равноускоренным движением с ускорением g составит (k/n + kn/N). Что же касается биологического действия такого режима ускорения, то очень краткие его импульсы вполне могут быть компенсированы с помощью механических систем компенсации ускорения, о которых говорится в главе "Проблема ускорения". Чем выше соотношения k/n и n/N, тем большего выигрыша можно добиться. Причем величина k определяется мощностью двигателя, а соотношение n/N - возможностями систем компенсации ускорения и возврата электронов.

4. Технические вопросы. Как следует из проекта, в период ускорения в системе происходит выброс пучка электронов, дающих реактивный импульс, а в период движения по инерции эти электроны возвращаются обратно по электрической цепи. Поэтому, хотя принцип работы двигателя является импульсным, тем не менее движение тока в цепи питания должно быть непрерывным, поэтому ядерная система питания должна быть не в виде взрывного реактора, а в виде реактора непрерывного действия, который заряжает конденсаторы, а эти конденсаторы подают энергию в систему импульсами. В перспективе возможна установка систем питания за счет энергии реликтового излучения.

Ныне используемые жидкостные реактивные двигатели неспособны обеспечивать ускорение путем подачи отдельных импульсов, а способны лишь обеспечивать непрерывное ускорение. Поэтому максимальное ускорение, которое они способны обеспечить, составляет на более 10g - этот предел ограничен биологическими возможностями космонавтов. Поскольку жидкостные реактивные двигатели неспособны обеспечить указанные выше преимущества импульсного ускорения, то такие вопросы не ставились. Переход же к электронно-импульсным двигателям ставит вопрос о переходе к новым принципам построения космических аппаратов.