Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах "ведра" – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших "ведро" Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.
К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.
Солнечный парус
Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.
Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.
Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле "Прогресс" провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.
Электрический парус
Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.
Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.
Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.
Ионный двигатель
Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.
В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.
Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.
Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.
Плазменный двигатель
Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.
Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.
Термоядерный двигатель
Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.
В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.
Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.
Двигатель на антиматерии
Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.
Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные "товарищи", отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.
При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом "Царь-бомбы" – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.
Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.
Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания "зеркала", которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.
Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания "абсолютного отражателя". В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.
Полвека назад, еще до начала космической эры, ученые ведущих стран пришли к выводу об отсутствии серьезных перспектив у существующих типов ракетных двигателей. Удельная мощность жидкостных и твердотопливных двигателей достаточна для имеющихся целей, однако слишком мала для отдаленной перспективы. Выходом из сложившегося «тупика» стали ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Однако, несмотря на множество исследований, обе концепции таких двигателей так и не дошли до практического применения. Все закончилось несколькими испытаниями.
Некоторое время назад появились о возобновлении работ в этом направлении, как в России, так и в Соединенных Штатах. В США этой программой занимаются одновременно ученые Университета Алабамы, NASA, Boeing, а также лаборатория Oak Ridge. Новый ракетный двигатель планируется делать по т.н. импульсной системе. Это значит, что во время работы из специального сопла будут выбрасываться небольшие порции радиоактивного вещества. После выброса порция урана, плутония или другого материала с подходящими свойствами взрывается и придает космическому кораблю импульс, ударяя в специальную плиту, окружающую выбрасывающее сопло. Поскольку при ядерном взрыве выделяется огромное количество энергии, импульсный ЯРД в настоящее время считается наиболее перспективным классом в отношении удельной мощности и соотношения расхода топлива к тяге. Однако такая система имеет ряд характерных недостатков: необходимость обеспечения должной прочности плиты, принимающей на себя импульс взрыва, выброс радиоактивных продуктов деления, а также правильный расчет мощности ядерного заряда и времени его подрыва. В связи с этим все работы по импульсным ЯРД пока ограничились исключительно теоретическими расчетами.
Новое предложение сотрудников лаборатории «Оак-Ридж» способно решить, как минимум, одну проблему ядерных ракетных двигателей – обеспечение правильной дистанции подрыва заряда и, как следствие, эффективное расходование топлива. Предложенная технология получила название Z-pinch (Z-сжатие). Ее суть заключается в создании плазменного «кокона», внутри которого и будет происходить взрыв топлива. Для этого предлагается оснастить «сопло» двигателя системой создания плазмы, а также рядом сопутствующего оборудование. Благодаря ему, сразу после выброса ядерного или термоядерного заряда системы двигателя пропускают через образовавшуюся плазму электрический разряд особо большой мощности. Разряд вызывает образование мощнейшего магнитного поля, которое захватывает заряд топлива. Последний, попав под такое воздействие, сжимается и достигает критической плотности. К моменту окончания подачи электричества, согласно расчетам, происходит взрыв. В качестве топлива для Z-двигателя в настоящее время предлагается использовать смесь дейтерия и литиевого изотопа Li6. Таким образом, предлагаемый двигатель имеет в своей основе термоядерные реакции.
Стоит отметить, что приведенное описание относится только к одному циклу работы перспективного ЯРД на Z-сжатии. В ходе работы двигателя такие циклы должны повторяться непрерывно, частота зависит от необходимой мощности. Нынешние расчеты показывают, что максимальная скорость космического корабля с Z-двигателем может достичь отметки в сто тысяч километров в час и даже перевалить через нее. Правда, для этого потребуется достаточно большое количество дейтериево-литиевого топлива. В защиту проекта стоит привести довод о меньших затратах топлива в весовом отношении: традиционные химические ракетные двигатели, способные разогнать аппарат до таких скоростей, имели бы совершенно неприемлемые размеры и расход топлива. Двигатель на Z-сжатии не имеет таких проблем, но, как это всегда бывает, не обошелся без собственных недостатков. В первую очередь, это сложность конструкции. На первый взгляд кажется, что такой ЯРД сравнительно прост, однако даже создание плиты, принимающей удар взрывов, само по себе является достаточно сложной задачей, ведь этой детали придется выдерживать сотни и тысячи взрывов достаточно высокой мощности. Кроме того, Z-сжатие требует колоссальных затрат энергии, которую космический корабль тоже должен откуда-то брать. Таким образом, экономия на непосредственном топливе оборачивается сложностями с другими элементами системы.
Тем не менее, сразу несколько американских научных организаций взялись за этот проект и, похоже, не собираются от него отказываться. Как минимум, до тех пор, пока не будет собран максимум информации, из которой можно будет вывести облик перспективного двигателя и список его плюсов и минусов технологического характера. Естественно, новые технологии требуют новой и уникальной научной аппаратуры. Основной площадкой для исследования Z-сжатия выбрана установка Z-machine. Собственно говоря, именно в честь этого аппарата и был назван принцип, лежащий в основе перспективной концепции ядерного двигателя. Импульсный энергетический ускоритель под названием «Z-машина» располагается на территории Национальной лаборатории Сандия (штат Нью-Мексико). Фактически он представляет собой комплекс из большого количества мощных конденсаторов, которые могут накапливать энергию и отдавать ее по команде. Подобные устройства давно существуют и используются учеными, но в проекте Z-двигателя будет использоваться именно ускоритель из Сандии. Причина этого – его мощность. Для удержания и сжатия порции термоядерного топлива требуются колоссальные энергии, которые попросту не под силу прочим ускорителям. Z-machine способен в течение одной наносекунды (миллиардная доля секунды) выдать электрический импульс мощностью в 210 тераватт. Ожидается, что Z-сжатия можно будет добиться и на меньших мощностях, но запас не повредит.
Энергетический ускоритель Z-machine, даже в отрыве от проекта нового ЯРД, представляет большой интерес. На данный момент он является самым мощным устройством этого класса. Кроме того, агрегат из лаборатории Сандия имеет приемлемые характеристики: зарядка конденсаторов системы длится несколько часов и не использует имеющиеся «общие» сети электропередачи. При этом Z-машина выдает рекордные значения мощности сверхкоротких импульсов. Целью создания импульсного ускорителя было изучение процесса термоядерного синтеза и, в будущем, исследование возможностей управления им. Именно по этой причине авторы проекта установки предусмотрели возможность накопления огромных зарядов. Примечательно, что во время разрядки конденсаторов вокруг проводников ускорителя образуются молнии.
Проект ядерного ракетного двигателя, работающего на принципе Z-сжатия достаточно интересен, но одновременно с этим фантастичен. До настоящего времени человечество еще не проводило каких-либо экспериментов с импульсными ЯРД, тем более с основанными на термоядерной реакции. Однако до готового двигателя еще далеко. Пока перед учеными стоит задача тщательнейшего изучения особенностей термоядерных реакций в небольшом количестве вещества, а также доказательства практической возможности Z-сжатия. Кроме того, нужно будет создать источник энергии, который справится с генерацией необходимого для работы двигателя электричества, а также спроектировать работоспособную и высокозащищенную систему подачи термоядерного топлива в рабочую часть двигателя. На данный момент все эти задачи смотрятся более чем сложными. Будем надеяться, американцы справятся с ними и человечество получит новую технологию, способную дать мощный толчок космонавтике и обеспечить массовые полеты к другим планетам.
По материалам сайтов:
http://dailytechinfo.org/
http://nasa.gov/
http://ornl.gov/
http://sandia.gov/
http://astronautix.com/
Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос можно ответить и единственным символом: c .
Скорость света в вакууме, c, равна примерно тремстам тысячам километров в секунду, и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.
В каких условиях лететь?
И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли бы экипажу автономно жить в космосе столько времени — космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.
Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.
Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик картриджей для фильтров слишком накладно.
Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.
Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.
В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.
Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.
Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.
Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.
Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.
На чем лететь?
Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.
Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.
Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.
В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.
Как выжить?
Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.
Один электронвольт, эВ , ― это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.
Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.
Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».
Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.
Нет ли обходных путей?
В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенных в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.
Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.
Ракеты поднимаются в космическое пространство за счет сжигания жидких или твердых топлив. После воспламенения в высокопрочных камерах сгорания эти топлива, обычно состоящие из горючего и окислителя, выделяют огромное количество тепла, создавая очень высокое давление, под действием которого продукты сгорания движутся в сторону земной поверхности через расширяющиеся сопла.
Так как продукты сгорания истекают из сопел вниз, ракета поднимается вверх. Это явление объясняется третьим законом Ньютона, в соответствии с которым для каждого действия существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Поскольку двигателями на жидком топливе легче управлять, чем твердотопливными, их обычно используют в космических ракетах, в частности, в показанной на рисунке слева ракете Сатурн-5. Эта трехступенчатая ракета сжигает тысячи тонн жидкого водорода и кислорода для вывода космического корабля на орбиту.
Для быстрого подъема вверх тяга ракеты должна превышать ее вес примерно на 30 процентов. При этом, если космический корабль должен выйти на околоземную орбиту, он должен развить скорость около 8 километров в секунду. Тяга ракет может доходить до нескольких тысяч тонн.
- Пять двигателей первой ступени поднимают ракету на высоту 50-80 километров. После того как топливо первой ступени будет израсходовано, она отделится и включатся двигатели второй ступени.
- Примерно через 12 минут после старта вторая ступень доставляет ракету на высоту более 160 километров, после чего отделяется с пустыми баками. Также отделяется ракета аварийного спасения.
- Разгоняемая единственным двигателем третьей ступени, ракета переводит космический корабль «Аполлон» на временную околоземную орбиту, высотой около 320 километров. После непродолжительного перерыва двигатели включаются снова, увеличивая скорость космического корабля примерно до 11 километров в секунду и направляя его в сторону Луны.
Двигатель F-1 первой ступени сжигает топливо и выводит продукты сгорания в окружающую среду.
После запуска на орбиту космический корабль «Аполлон» получает разгонный импульс в сторону Луны. Затем третья ступень отделяется и космический корабль, состоящий из командного и лунного модулей, выходит на 100-километровую орбиту вокруг Луны, после чего лунный модуль совершает посадку. Доставив побывавших на Луне космонавтов на командный модуль, лунный модуль отделяется и прекращает свое функционирование.
