§41. Электронно-импульсный двигатель
Ранее мы говорили об ускорении до околосветовых или
сверхсветовых частей лишь отдельных элементарных частиц. Теперь рассмотрим
технические средства, которые могут ускорить до таких скоростей космические
аппараты.
В космическом пространстве могут передвигаться только
аппараты, основанные на принципе реактивного движения. Их движение описывается
известной формулой Циолковского:
V = u × ln(M0/MK) = u × ln(1 + MT/MK)
где V - скорость,
развиваемая ракетой, u - скорость
истечения реактивных газов, M0 - стартовая масса ракеты, MК - масса
ракеты без топлива, MT - масса топлива.
Из этой формулы следует, что для увеличения скорости
ракеты нужно либо увеличить скорость истечения реактивных газов, либо увеличить
массу ракеты.
Скорость ракеты пропорциональна скорости истечения
реактивных газов, однако увеличивать эту скорость очень трудно: существующие
сейчас жидкостные реактивные двигатели могут развивать скорость лишь несколько
тысяч метров в секунду, а планируемые более перспективные проекты: с ядерной
или ионно-реактивной двигательной установкой могут увеличить ее лишь в два-три
раза. Еще недавно существовали проекты фотонных ракет, где в качестве
реактивного газа используются кванты света (фотоны), для которых скорость истечения
равна скорости света, что позволило бы ускорить ракету до околосветовой
скорости. Однако расчеты показали, что не существует источников, способных
обеспечить необходимую интенсивность фотонов, даже если для их получения
использовать процесс аннигиляции, при котором вся масса топлива полностью
преобразуется в энергию излучения. А источников с более высокой плотностью
энергии, чем при аннигиляции, существовать не может в принципе.
Увеличивать массу топлива можно, но эта масса
находится под знаком логарифма, то есть даже значительное увеличение массы
топлива приводит к очень незначительному повышению скорости. Поэтому сегодня
даже для вывода спутников и космических кораблей на околоземную орбиту (то есть
для достижения первой космической скорости) требуются ракеты, в которых масса
полезного груза составляет лишь несколько процентов от массы топлива, а для
запуска межпланетных аппаратов (то есть для достижения второй космической
скорости) нужны ракеты с таким количеством топлива, что управление ими представляет
само по себе очень сложную задачу, а запуск пилотируемых межпланетных аппаратов
проблематичен даже при сегодняшнем уровне техники.
Выходом, способным решить проблему, может стать
электрореактивный двигатель, в котором реактивные частицы, прежде чем вылететь
из сопла ракеты, пропускаются через ускоритель. Атомы топлива ионизируются, и
их можно ускорить вплоть до скорости, близкой к скорости света, что позволяет
обеспечить очень большую скорость ракеты, вплоть до околосветовой. А знак
логарифма теперь играет положительную роль: даже если масса рабочего вещества
составляет очень малую часть от общей массы ракеты, то это всё равно позволит
обеспечить ее приличную скорость.
Проблему ограниченности запасов топлива можно решить,
если вместо ионов использовать электроны. Электроны путем автоэмиссии
испускаются с нагретого катода, попадают в линейный ускоритель, где ускоряются
до околосветовой скорости и вылетают, сообщая системе реактивный импульс. В одной из работ, представленных на конкурс «Энергия
будущего – 2005», говорилось, что чем ниже молекулярная масса рабочего
тела, тем более эффективен электрореактивный двигатель. Электроны здесь
являются идеальным выбором рабочего тела.
Можно предложить и замкнутую систему: электроны
испускаются катодом и сообщают ему реактивный импульс, а, попадая на анод,
электроны по проводам возвращаются на катод и цикл повторяется. Таким образом,
получается, что пределы маневренности ракеты с такой двигательной установкой
зависят исключительно от запасов электрической энергии и не зависят от топлива.
Возможно возражение: попадая на анод, электроны будут
сообщать ему импульс, противоположный по направлению тому импульсу, который они
сообщили катоду, и суммарный импульс системы будет равен нулю, то есть никакого
реактивного ускорения не будет. Решить эту проблему можно, если электроны,
вылетев из катода, будут попадать на анод с меньшей скоростью - в этом случае
ракета будет иметь ненулевой реактивный импульс. Для этого нужно создать
правильную конфигурацию электрического поля. Как показали исследования проекта
линейного ускорителя на открытом резонаторе (
Возможно другое возражение: что электроны, возвращаясь
от анода к катоду, будут своим движением создавать тот же самый противоположный
реактивный импульс. Техническое решение этой проблемы возможно такое: электроны
от катода к аноду будут испускаться не непрерывно, а резкими короткими
импульсами, а между ними будут промежутки во времени, длительность которых
будет значительно больше, чем длительность импульсов. Этого будет достаточно
для движения корабля с достаточным ускорением. В то время как ток в проводах от
анода к катоду будет поддерживаться постоянным, поэтому электроны будут
двигаться без ускорения. Подробнее о решении этих технических вопросов будет
рассказано в §42.
Исходя из описанного принципа работы, такую
двигательную систему можно назвать электронно-импульсным двигателем (ЭИД).
Если рабочее тело будет не выбрасываться из ракеты, а
циркулировать внутри нее, а ракета при этом будет двигаться с ускорением, то
как же будет выполняться закон сохранения импульса? Напомним, что
электромагнитное поле также обладает импульсом, поэтому сохранение закона
сохранения импульса будет обеспечиваться за счет внешнего электромагнитного
поля, создаваемого системой - то есть работа двигателя будет сопровождаться
сильным электромагнитным излучением.
Учтем также, что источником энергии для аппарата в
принципе может быть источник на реликтовом излучении (см. § 40). А для таких источников чем больше его
скорость движения в фоне реликтового излучения, тем большую мощность можно
получить. Поэтому для электронно-импульсного двигателя чем больше скорость, тем
большее ускорение можно обеспечить.
А что будет, если поток электронов в таком двигателе с
помощью методов, описанных в § 38, перевести в
сверхсветовой диапазон? Получится, что они как бы "исчезнут" для
электромагнитного поля и благодаря своей высокой проникающей силе могут выйти
за пределы системы. Тут возможен один из двух вариантов. Либо это просто
приведет к появлению мощного реактивного импульса (поскольку, сообщив системе
реактивный импульс, электроны "исчезнут"), либо же, для того, чтобы
не нарушался закон сохранения электрического заряда в результате "исчезновения"
электронов для электромагнитного поля, вся двигательная установка
"перескочит" в сверхсветовой диапазон, что даст возможности для
создания сверхсветовых космических кораблей. Какой из этих двух вариантов
правильный - это должен решить эксперимент. Для сегодняшнего дня это выглядит
как фантастика, но эксперименты по конструированию электронно-импульсных
двигателей можно начинать уже сейчас.
В продолжение темы:
А.Буслаев, исследования 1992 года: лабораторный эксперимент по проверке принципов работы ЭИДа
Брошюра Общественного совета Росатома "В космос на атомной тяге"
