Страница 9 из 16
Примерная классификация реактивных двигателей с внешними источниками электромагнитного излучения представлена на рис. 8. Рассмотрим прежде всего двигательные системы с естественным источником излучения — Солнцем. Его излучение можно использовать для создания тяги в двух вариантах: 1) при преобразовании энергии солнечного излучения в электрическую (например, с помощью солнечных батарей) с последующим ее применением для питания электрореактивных двигателей; 2) при использовании давления электромагнитного излучения (на этом принципе основаны тяговые системы, называемые солнечным парусом).
Рис. 8. Типы реактивных двигательных систем (РДС) с внешними источниками электромагнитного излучения
Солнечный парус. Суть принципа действия таких систем, от названия которых веет романтикой бригантин и каравелл, в самом деле сходна с принципом действия паруса. В этом случае космический аппарат имеет чрезвычайно развитую поверхность, образуемую тонкой зеркальной пленкой. Солнечное излучение, падая перпендикулярно поверхности пленки и зеркально от нее отражаясь, создает тягу также перпендикулярно поверхности пленки. При частичном поглощении излучения направление тяги будет составлять некоторый угол с этой поверхностью, и, ориентируя парус, можно получить тягу в нужном направлении.
Достоинства таких тяговых систем очевидны: они не требуют расхода ни энергии, ни рабочего тела. Однако для получения достаточных ускорений необходимо использовать очень тонкую пленку, чтобы отношение площади паруса к массе корабля вместе с парусом было бы достаточно большим. Площадь паруса, по современным понятиям, тоже достаточно велика. Так, например, для создания тяги 1 кгс для аппарата, находящегося от Солнца на расстоянии 1 а. с. (150 млн. км), необходимо иметь площадь паруса 3 · 105 м2.
И все же задача создания таких конструкций с приемлемыми массовыми характеристиками вполне реальна для современной науки и техники. В частности, в США рассматривались различные типы солнечного паруса в связи с разработками космического аппарата, предназначенного для полета к комете Галлея. Одна из наиболее перспективных таких конструкций паруса — «солнечный гироскоп» — показана на рис. 9. Этот «гироскоп» состоит из 12 лопастей длиной 7,4 км и шириной 8 м, масса каждой лопасти 200 кг; для придания некоторой жесткости на лопастях через каждые 150 м предусмотрены «рейки». Согласно расчетам, подобный парус на удалении 1 а. е. от Солнца должен обеспечить тягу 0,5 кгс. С помощью паруса космическому аппарату при решении задачи полета к комете Галлея нужно было бы сообщить скорость 55 км/с.
Рис. 9. Одна из возможных конструкций солнечного паруса — «солнечный гироскоп».
По предварительным оценкам, для реализуемости проекта толщина пленки, образующей парус, должна составлять около 0,0025 мм, а удельная масса примерно 3 г/м2. Поэтому главная трудность на пути реализации проекта — выбор материала пленки.
Кроме упомянутого полета к комете Галлея, в качестве возможных операций с применением солнечного паруса рассматриваются перемещения крупных грузов между низкими и геостационарными орбитами и доставка марсианского грунта на Землю. Использование же солнечного паруса для полетов к внешним планетам считается нецелесообразным.
Лазерные реактивные двигатели. Принцип действия лазерных реактивных двигателей основан на хорошо известном факте — возможности испарения материала под воздействием лазерного излучения. Испарение происходит быстро и приводит к образованию сверхзвуковой струи, когда поток энергии на поверхности вещества имеет высокую плотность. При еще более высоких потоках пар может быть ионизован, давая очень высокий удельный импульс. Количество движения струи приводит к созданию тяги точно так же, как в случае обычного реактивного двигателя. Идея использования энергии мощных наземных лазеров для вывода на орбиту ИСЗ была высказана А. Канторовицем в 1971–1972 гг.
В принципе лазерный двигатель сочетает в себе очень высокий удельный импульс, характерный для ядерных и электрических двигателей с большим отношением тяги к массе, с надежностью, свойственной двигателям на химическом топливе. Высоких значений удельного импульса можно достичь, так как в результате поглощения излучения рабочим телом образуется плазма с высокой температурой. Большое же отношение массы полезного груза к массе ракеты обеспечивается тем, что источник энергии находится на Земле.
Реализация этих основных преимуществ зависит, конечно, от решения двух проблем. Во-первых, должна быть обеспечена передача мощного лазерного луча с очень малым углом расходимости, а, во-вторых, требуется создание технологически и экономически доступных больших лазеров и источников их питания.
В настоящее время рассмотрены несколько методов получения тяги на основе использования лазерного излучения. Один из них, например, заключается в быстром испарении твердого топлива, которое поглощает излучение, вследствие чего образуется струя горячего пара. Если к тому же пар поглощает часть энергии лазерного излучения, то можно получить температуры 5000 — 12 000 К. Внутренняя поверхность сопла ракеты в этом случае представляет собой параболический отражатель, так что сопло одновременно служит зеркалом для лазерного излучения и соплом для истекающих газов.
Параболический отражатель принимает лазерный луч с плотностью мощности, меньшей, чем максимальный поток, проходящий без искажений через атмосферу, и фокусирует его на расположенный в фокусе стержень твердого топлива. Таким образом, испаряющееся топливо проходит через область лазерного излучения с высокой интенсивностью (107 — 109 Вт/см2) и нагревается до высоких температур. Затем газ, нагретый до высокой температуры, расширяется, и его тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Подобная система дает более высокую удельную тягу, чем простая испарительная система.
Для выведения ракет с полезным грузом, не превышающим 1 т, на геоцентрическую орбиту в одном из проектов предлагается использовать лазеры на углекислом газе, работающие в импульсном режиме. Такие лазеры позволяют получать импульсы света с расходимостью пучка менее 0,2" и длительностью в несколько миллисекунд.
По предварительным оценкам, стоимость выведения полезной нагрузки массой 1 кг на околоземную орбиту при помощи наземной лазерной установки составит около 50 долл. Основной проблемой при проектировании подобных ракетных систем является проблема наиболее эффективного преобразования энергии лазерного луча в кинетическую энергию движения ракеты, достаточную для выведения последней на околоземную орбиту. Полная энергия, поступающая в двигатель за время выведения ракеты на орбиту, пропорциональна произведению мощности источника на время выведения. Для одной и той же массы полезной нагрузки она почти не зависит от времени выведения. Это означает, что, увеличивая время выведения, можно снизить мощность источника и, наоборот, увеличивая мощность источника, — уменьшить время вывода ракеты на орбиту.
Минимальная мощность лазера может быть порядка 200–300 МВт, если ракета разгоняется в течение длительного промежутка времени, но это ведет и к увеличению зоны разгона — максимального расстояния, которое должен преодолеть лазерный луч, чтобы попасть в приемное устройство ракеты. Для сохранения высокой эффективности передачи энергии при увеличении расстояния необходимо, как об этом уже говорилось, либо уменьшить расходимость луча, либо увеличить размеры приемного устройства на ракете. Первый вариант требует улучшенной оптики лазера, второй приводит к увеличению лобового сопротивления ракеты. Примерная зависимость мощности лазера от длины зоны разгона для системы выведения, обеспечивающей доставку на орбиту 1 т полезного груза, приведена на рис. 10.