Багров Александр Викторович

Смирнов Михаил Александрович

Каравеллы для звездоплавателей

Каравеллы для звездоплавателей

Первыми их построили в своем воображении фантасты. В своих попытках увидеть, угадать, какой будет техника грядущих времен, писатели отталкивались от научных представлений о свойствах той Вселенной, в которой нам выпало жить. Теория относительности утверждает, что ничему в мире не удастся превысить скорость света, а тела с ненулевой массой покоя не могут достичь даже и ее. Отсюда нетрудно было сделать вывод, что лучшая ракета для самых быстрых полетов — фотонная. При всех прочих равных условиях корабль разовьет тем большую скорость, чем выше скорость истечения рабочего вещества, а что в природе быстрее фотонов? Житейский опыт подсказывает: поток фотонов, а это ведь обычный свет, легко сфокусировать в точку или отразить в любом направлении. И в воображении сразу же возникает образ фотонной ракеты с огромным зеркалом-отражателем, оставляющим за собой столб ослепительного света (рис. 1).

Рис 1. Фотонная ракета в представлении художника-фантаста.

И все же фотонная ракета с точки зрения того же житейского здравого смысла выглядит уж слишком экзотично. В природе действует множество сил, но среди них световое давление по своей «силе» попадает на самые последние места. Вот обычная ракета с топливными баками и дюзами, с пламенем неукротимой мощи и оглушительным ревом — она реальность, в нее мы верим. Писатели, конечно же, не слишком утруждали себя технической стороной дела, и лишь редкий из них, терзаемый несовершенством двигателей на химическом топливе порой «изобретет» какой-нибудь невероятный вид ракетного горючего. Вспомните хотя бы ультралиддит А. Толстого («Аэлита») или анамезон И. Ефремова («Туманность Андромеды»). Сами же ракеты для межзвездных путешествий чаще всего фантастам видятся как некий гибрид ракеты-носителя и подводной лодки (рис. 2).

Рис 2. Таким виделся межзвездный ракетный корабль «Тантра» из романа И. Ефремова «Туманность Андромеды» в год запуска первого искусственного спутника Земли (Техника-молодежи, 1957, № 3).

Коррективы в представления фантастов о конструкциях подобных кораблей внесло понимание того, что в глубоком космосе сопротивление отсутствует даже на самых больших скоростях. В романах появились звездолеты с невероятно сложными архитектурными формами, не имеющие ничего общего с изящной «обтекаемостью» прежних кораблей. На смену принципу ракетного движения пришли идеи «нуль-транспортировки», «подпространственных переходов» и «смежных миров».

Ну а что же предлагали ученые? Не стоит, видимо, думать, что у них фантазии меньше, чем у писателей. Среди самых ярких писателей-фантастов всегда было немало ученых. Поэтому не удивительно, что более или менее обоснованные проекты звездолетов вышли из-под пера представителей научной мысли, хотя и без надежды на осуществление в обозримом будущем.

В 1946 г. — через год после первого атомного взрыва и за одиннадцать лет до запуска первого искусственного спутника — американский физик И. Аккерет (Ackeret) предложил вариант корабля, способного достичь релятивистских скоростей. Вообще говоря, речь шла об обычной ракете, релятивистскими же были скорости истекания рабочего вещества. Высокую энергию реактивной струе должны были сообщить термоядерные реакции или даже реакции аннигиляции. В последнем случае энергия аннигиляции использовалась для питания ионного двигателя, в котором под действием мощного электромагнитного поля ускорялись бы ионизованные атомы рабочего вещества.

Мало того, что управляемая термоядерная реакция не осуществлена и сегодня, Аккерет не давал решения и такой важной проблемы, как сброс тепла. В реакторе-энергогенераторе выделяется огромная мощность. Даже ничтожной ее части, поглощенной стенками установки, будет достаточно, чтобы разогреть реактор до температуры, при которой он попросту испарится, если, конечно, не обеспечено подобающее охлаждение. Впрочем, сброс тепла — слабое место почти всех проектов межзвездных кораблей.

В 1953 г. известный немецкий ученый Э. Зенгер (Sanger) предложил свой вариант фотонного звездолета, в основе которого лежала идея «абсолютного отражателя». Чтобы сильно увеличить тягу и разогнать корабль до релятивистских скоростей, нужно мощное энерговыделение. В подходящих для этого ядерных реакциях, особенно реакции аннигиляции, энергия высвобождается в виде гамма-квантов высокой энергии. Они слабо взаимодействуют с веществом и способны глубоко проникнуть в его толщу, прежде чем испытают поглощение или отражение (у специалистов даже бытует выражение «проникающее излучение»). Как сделать «абсолютный отражатель», который мог бы эффективно отражать гамма-кванты, никому не известно. Но даже если бы построить такую фотонную ракету удалось, то выглядела бы она совсем не так, как у фантастов. Никакого столба света не было бы: гамма- кванты невидимы. Зато их незримый поток и в миллионах километров от звездолета был бы «лучом смерти», который на своем пути распылял бы на атомы любое вещество.

Косвенно Э. Зенгер причастен и еще к одному проекту. Его разработки воздушно-космического самолета послужили основой для межзвездного самолета американца Р. Бюссара (Bussard. 1960 г.). Идея заключалась в том. чтобы использовать межзвездный водород в качестве топлива прямоточного реактивного двигателя. И хотя водород — основная составляющая вещества в нашей Вселенной, его в межзвездном пространстве очень мало: по одному атому в кубическом сантиметре. Чтобы, совершая полет, добывать достаточное количество «попутного» топлива, нужна собирающая воронка огромных размеров (рис. 3).

Рис. 3. Межзвездный самолет Бюссара. Гигантская воронка нужна для сбора чрезвычайно разреженного межзвездного водорода, используемого в качестве топлива прямоточного реактивного двигателя.

Правда, в таком виде звездолет вряд ли удастся создать. Из-за разреженности межзвездного водорода при малых скоростях полета воронка будет собирать не так уж много топлива и тяга двигателя будет невелика. По мере же разгона водорода будет поступать больше, пропорционально возрастет и тяга. Для одного из последующих вариантов прямоточного корабля давалась оценка крейсерской скорости в 20–30 % от скорости света. Однако при столь быстром движении удары атомов водорода и пылинок межзвездной среды способны разрушить собирающую воронку, если она сделана из вещества.

Не исключено, что лучше было бы для сбора водорода использовать электромагнитные поля в сочетании с ионизующим излучением: ионизованные атомы водорода (протоны) можно отклонять магнитным полем в любую сторону,

Идея привлекательна еще и потому, что столкновения на большой скорости с частицами межзвездной среды опасны и для самого корабля, а при эффективно действующем магнитном водородозаборнике он двигался бы в очищенном от частиц пространстве.

И в самом деле, защищать звездолет от атомов и пылинок межзвездной среды не менее важно, чем обеспечить его тепловой баланс. К простейшему решению — одеть корабль в очень толстую броню — скорее надо отнестись как к курьезу. Броня — это балласт, а тратить энергию на его разгон и торможение в высшей степени нелепо. Вот если бы использовать даровую энергию пертурбационного маневра, тогда бы еще куда ни шло. Космический корабль (какой бы ни была его масса) разгонялся бы, пролетая возле большой планеты (или звезды) которая передавала бы ему через гравитационное поле часть своей кинетической энергии. Так было, например, с американским аппаратом «Вояджер-2» около каждой планеты, с которой он сближался — Юпитера, Сатурна, Урана. Теоретически подобным маневрированием возле нескольких звезд можно достичь скорости в тысячи километров в секунду, но тогда межзвездный перелет займет десятки веков. Проблемы защиты и жизненного пространства для переселенцев (ибо только цели экспансии могут оправдать столь продолжительное путешествие) можно одновременно решить, если обитаемую зону целиком встроить в астероид и на нем же разместить двигатель для маневрирования (рис. 4).

Рис. 4. Корабль для длительного межзвездного перепета большой группы колонистов- переселенцев, построенный из астероида (или кометы). Обитаемую зону и полезный груз защитит от микрометеоритов и космического излучения толща пород над ними. Двигатель корабля-астероида обеспечивает лишь небольшую тягу, которая достаточна только для маневрирования. Если вещество астероида использовать в качестве топлива для двигательной установки, то ее возможности возрастут. Тем не менее путешествие на подобном космическом ковчеге до ближайшей звезды займет несколько тысячелетий.

Пожалуй, среди проектов межзвездных ракет, которые рассматривались в качестве отправной точки для детальной разработки, наиболее известны «Орион» и «Дедал».

Свою идею звездолета «Орион» с импульсным термоядерным двигателем американский ученый Ф. Дайсон опубликовал в 1968 г. Как раз тогда растущие мировые арсеналы водородных бомб и невообразимая их мощь создали атмосферу страха перед будущим. Но вот тут-то и появился проект, где движение обеспечивалось взрывами водородных бомб возле массивной плиты, соединенной амортизаторами с остальными частями корабля (рис. 5, 6). Возникающие при термоядерных реакциях частицы высокой энергии, застревая в плите, передают ей свой импульс, а амортизаторы гасят резкие толчки от взрывов. Конечно же, то, что на топливо для «Ориона» шла начинка водородных бомб, вызывало всеобщую симпатию к проекту. «Какой это был бы замечательный день, если бы ужасное оружие удалось использовать вот таким мирным способом» — писал американский журнал «Спейсфлайт» по этому поводу.

Рис. 5. Конструкция термоядерного импульсного звездолета «Орион».

Рис. 6. Полет «Ориона». Повторяющиеся друг за другом термоядерные взрывы толкают тяжелую плиту в основании корабля.

К сожалению, совсем неясно, как изготовить ударную плиту, способную без ущерба для себя выдерживать термоядерные взрывы. Но даже если бы случилось чудо и непробиваемый материал для нее удалось создать, то все равно мы бы не знали, как избавиться от нагрева конструкций поглощаемой ею энергией? Хоть прост и привлекателен проект, да несбыточен.

Ученые Британского межпланетного общества полагают, что обе проблемы (создать неразрушаемый и ненагреваемый микровзрывами реактивный двигатель) было бы легче решить, если роль взрывной камеры и сопла двигателя передать магнитному полю и использовать реакцию аннигиляции. При аннигиляции протона и антипротона большая часть энергии уносится заряженными пи-мезонами, которые легко фокусируются магнитным полем специально подобранной конфигурации (рис. 7). Часть энергии микровзрыва приходится на нейтральные пи-ноль-мезоны, довольно быстро распадающиеся на гамма-кванты. Требование отнести полезные грузы достаточно далеко от реактора (чтобы уменьшить поток проникающего гамма-излучения) и снабдить ракету радиаторами для сброса поглощаемой энергии, по сути, предопределяют облик звездолета с аннигиляционным двигателем (рис. 8).

Рис. 7. Принцип действия протон-антипротонного аннигиляционного двигателя. Магнитное поле в форме камеры-ловушки и расширяющегося сопла формируется током в кольцевых витках из сверхпроводника. После взаимодействия протона с антипротоном рождаются заряженные пи-мезоны и нейтральные пи-ноль-мезоны. Заряженные пи-мезоны летят в направлении из сопла почти параллельным пучком и, пройдя почти 2 км, распадаются на другие частицы. Нейтральные пи-ноль-мезоны и продукты их распада — гамма-кванты не отклоняются магнитный полем реактора и, поглощаясь веществом звездолета, нагревают его.

Рис. 8. Конструкция звездолета с аннигиляционным двигателей. Длинная ферма, соединяющая двигатель с жилыми отсеками, несет множество радиаторов. Она призвана уберечь экипаж и запасы топлива от перегрева и жесткой радиации.

Английские энтузиасты звездоплавания продолжают активно работать над теорией аннигиляционных реакций и упорно искать технически возможные пути их реализации. И успехи налицо. Так, в реакции аннигиляции уже видят не только источник жестких гамма-квантов для фотонного звездолета с абсолютным отражателем (в отличие от составителей советской энциклопедии «Космонавтика»). Проведено и целенаправленное сопоставление реакций аннигиляции разных типов, изучаются всевозможные конструкции контейнеров для хранения и позирования антивещества, просчитываются разные варианты магнитного сопла и реактора. Лучше всего, видимо, производить антивещество непосредственно на борту корабля: так безопаснее, да и пополнять запасы сырья можно в любом месте посадки.

Аннигиляционный подход столь популярен из-за того, что обещает перемещение в космосе с релятивистскими скоростями. А ведь только при больших скоростях человечество вправе рассчитывать на быструю отдачу от межзвездных полетов. В противном случае они вовсе бессмысленны. Покидающий Солнечную систему, «Вояджер-2» летит слишком медленно для того, чтобы долететь хотя бы до ближайшей звезды раньше специально посланного к ней корабля, пусть даже и стартующего столетия спустя.

Какова та минимальная скорость «межзвездных сообщений», при которой они будут иметь смысл для земной цивилизации? Мы считаем, что полет к другой звездной системе будет оправдан, если займет примерно столько же времени, сколько понадобится для того, чтобы получить тот же объем новой информации об интересующем нас объекте, но иными средствами, т. е. — без осуществления данного конкретного полета. Нынешние темпы развития нашей цивилизации таковы, что создавать стоило бы лишь межзвездный зонд, который доберется до окрестностей соседней звезды за 100–150 лет. Высокоскоростные аннигиляционные ракеты всем хороши, только вот едва ли их проекты станут технически осуществимы в ближайшие полвека.

В 1975 г. на суд Космической подкомиссии Палаты представителей США (в рамках выработки долгосрочных космических программ для Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства) Р. Форвардом (Forward) был представлен дерзкий план подготовки межзвездных полетов со стартом пилотируемой экспедиции к одной из ближайших звезд в 2025 г. А три года спустя группа ученых Британского межпланетного общества обнародовала тщательно разработанный проект «Дедал» (рис. 9, 10). В его создании приняло участие около 120 человек, но главная тяжесть легла на плечи (читай: головы) 13 ученых. Всего затрачено было около 100 000 человеко-часов высококвалифицированного труда.

Рис. 9. Звездолет «Дедал» в стартовом состоянии.

В качестве исходного принципа принималась осуществимость решений в рамках известных в настоящее время технологий. Поэтому, почти все упомянутые выше, концепции исключались из рассмотрения. Оставлена была лишь идея импульсного термоядерного двигателя, где заряд поджигается мощным электронным пучком. Из всех термоядерных реакций (а рассматривались только те, в которых не образуются сверхопасные свободные нейтроны) был выбран синтез дейтерия с гелием-3, поскольку энергию, необходимую для его инициации, способен дать ускоритель электронов.

Конструкция магнитных камеры сгорания и сопла примерно такая же, как показанная на рис. 7, только вдоль самого большого витка с током в звездолете «Дедал» должна быть размещена цепочка смотрящих внутрь инициирующих электронных пушек. Микрозаряды диаметром 4 см в тонкой оболочке из сверхпроводника должны подаваться в зону взрыва 250 раз в секунду специальным электромагнитным ускорителем.

У «Дедала» две ступени, очень похожие друг на друга и различающиеся по сути лишь размерами. Вместе с цилиндрическим контейнером для научной аппаратуры (диаметр 50 м) высота корабля составит около 200 м, а габаритные диаметры первой и второй ступеней — 200 и 80 м.

Рис. 10. Старт второй ступени звездолета «Дедал».

В гигантских шарах-баллонах (диаметром 60 м на первой ступени и 40 м на второй) во время полета хранятся чрезвычайно летучие компоненты топлива при температуре 3 К. Предусматривается, что баки по мере их опустошения сбрасываются, Первая ступень примет 46 000 т топлива, и еще 4000 т — вторая. 50 тыс. т дейтерия и гелия-3 добыть чрезвычайно трудно. Предполагается, что это удастся сделать в атмосфере Юпитера, для чего туда потребуется запустить около 300 воздушных шаров с необходимым оборудованием.

Огромный начальный вес корабля заставляет отнести место его старта как можно дальше от Солнца, — видимо, на один из спутников того же Юпитера.

За четыре года полета аппарат наберет скорость порядка 12% от скорости света, пройдя при этом 0,21 св. года. Дальнейший путь до одной из ближайших к Солнцу звезд займет около 45 лет. Конечно, все это время будут вестись ценнейшие астрономические наблюдения. Для защиты от столкновении с частицами межзвездной среды после разгона перед аппаратом на расстоянии 200 км полетит 50-тонный бериллиевый щит, а размещенные на нем датчики сообщат нам точнейшие сведения об окружающей обстановке. На огромной скорости «Дедал» за несколько суток промчится мимо планетной системы вокруг звезды, к которой стремился. Наименьшее расстояние составит 0,05 св. года — Плутон находится в 700 раз ближе к Солнцу.

Даже сами авторы проекта считают, что его осуществление может стать реальным не ранее конца следующего века. Хотя принципиальных трудностей как будто бы нет, тем не менее технические и финансовые проблемы надо характеризовать как грандиозные.

Пожалуй, еще более спорными выглядят проекты, где используется идея «светового паруса». Она восходит к знаменитым опытам нашего соотечественника П. Н. Лебедева, который продемонстрировал, что свет оказывает давление на легкие крылышки. Давление солнечного излучения давно вымело из ближайших окрестностей пыль и газ, оставшиеся там от протозвездного облака, из которого родились и само Солнце, и планеты. Большой бы парус из тонкой зеркальной пленки — вот и весь двигатель для полета за пределы Солнечной системы! Правда, давление это и возле Земли-то мало, а чем дальше от Солнца, тем оно меньше. Неутомимый на выдумки Р. Форвард предложил прибегнуть к мощному лазеру: узким лазерным пучком можно годами освещать парус, что позволит разогнать его, по уверениям автора, до субсветовых скоростей. Но не надо забывать про столкновения с частицами межзвездной среды, которые разрушат такой корабль раньше, чем ему удастся достичь скорости, оправдывающей подобную экспедицию. Кроме того, физические свойства нашей Вселенной не позволят при освещении паруса поддерживать ориентацию лазерного луча с нужной точностью на расстояниях в сотни астрономических единиц.

Рис. 11. Межзвездный корабль со световым парусом, освещаемым лазерным лучом из Солнечной системы и увлекающим за собой полезную нагрузку — еще один «экспонат» для кунсткамеры несбыточных проектов.

В 1985 г. на XX Чтениях К. Э. Циолковского авторами этой статьи был предложен свой «академический» проект межзвездного корабля основанный на использовании фокусирующих свойств магнитного поля, возникающего вокруг полого витка с током (рис. 12, 13).

Виток имеет форму тора (кольца) и снаружи покрыт сверхпроводящей пленкой, температура которой не должна превышать 21 К. Речь идет о достаточно обычных сверхпроводниках, при изготовлении которых не возникнет особых технических трудностей. Более того, за прошедшие с тех пор годы открыто целое семейство высокотемпературных керамических сверхпроводников, и можно ждать, что еще до конца века будет налажено серийное производство сверхпроводящих материалов, работающих при комнатной температуре.

Если на оси симметрии подобного кольцевого электромагнита (магнитного зеркала) в результате какой-либо ядерной реакции образуются заряженные частицы, то магнитное поле «вытолкнет» их в сторону падения своей напряженности (в основном, в направлении от центра тора) и передаст импульс вытолкнутых частиц витку. Размеры тора и силу тока в нем, расстояние до точки взрыва и его мощность можно подобрать так, чтобы ни взрывы не разрушали магнита, ни магнитное поле не «портило» сверхпроводника (при больших напряженностях эффект сверхпроводимости исчезает). Частота взрывов подбирается, исходя из времени, за которое будет излучена та тепловая энергия, что поглощается тором при каждом из них.

Сверхпроводящая пленка, способная сохранять свои свойства в очень сильном магнитном поле, имеет толщину всего 0,1 мм. Однако давление самого магнитного поля слишком велико, чтобы у нее хватило собственной механическом прочности. Видимо, под пленкой должна быть высокопрочная основа, например, из кeвлара или, еще лучше, бороволокна.

Всю полезную нагрузку нужно размещать на звездолете спереди — как можно дальше от того места, где рождаются пусть даже редкие гамма-кванты.

Рис. 12. Схема звездолета с импульсным термоядерным двигателем и электромагнитом в виде сверхпроводящего тора.

Электромагнитные пушки (ускорители) направляют в зону реакции термоядерные заряды (мишени), которые взрываются под действием лазера. Образовавшиеся заряженные частицы, закручиваясь вокруг магнитных силовых линий, отражаются магнитным полем и передают своя импульсы возбуждающему его электромагниту (тору). Так происходит разгон корабля.

Ядерная реакция рассматривалась в двух вариантах: синтез протона и бора-11 и аннигиляция протона и антипротона. Среди продуктов обеих реакций нет свободных нейтронов и мало гамма-квантов. Материалом для первой из них могли бы послужить бороводородные соединения — бораны, внешне похожие на стеарин, из которого делают свечки. Хранение, дозировка и подача микрозарядов в зону взрыва в данном случае совсем несложны. Все три проблемы при аннигиляционной реакции решать гораздо труднее. Но зато с инициацией реакции все наоборот: она достаточно проста при аннигиляции в то время как для бороводородного синтеза никакого надежного способа нет. Правда, не исключено, что в процессе конструирования мощных лазеров для изотопной химии и управляемого термоядерного синтеза в ближайшем будущем и эта задача будет решена.

Во время работы двигателя заряженные частицы, движущиеся вблизи оси тора будут не отражаться магнитным зеркалом, а пролетать сквозь него. У этих частиц своя особая роль — ионизовывать встречные атомы и пылинки межзвездной среды перед звездолетом, а уж ионы отбросит от корабля то же магнитное поле тора.

Рис. 13. Взаимодействие «магнитного зеркала» и заряженных частиц в двигателе звездолета изображенного на рис. 12. Все силовые линяй возбуждаемого магнитного поля проходят внутри тора, сгущаясь в его плоскости. Там, где густота линии максимальна, и напряженность поля самая большая. Всякая заряженная частице, продвигаясь в магнитном поле, «сминает» его. Если энергия частицы меньше энергии деформации магнитного поля, то она сначала затормозится, а потом отбросится полем в сторону уменьшения напряженности (туда, где густота силовых линий меньше). Только тем частицам, что движутся через центральную часть тора, удается преодолеть магнитный отражатель. Магнитное поле кольцевых токов создает давление внутри тора, имитируя его каркас.

Тяга термоядерного двигателя при диаметре тора 66 м и толщине 22 м составит 30 т. На изготовление тора потребуется 28 т бороволокна и 6 т сверхпроводящей пленки. При массе корабля и полезной нагрузки в 150 т для разгона до скорости 10 000 км/с и торможения у цели экспедиции нужно будет взять с собой всего 960 т топлив. В итоге стартовый вес звездолета составит примерно 1110 т. что в 2 раза меньше, чем у космической системы типа «Спейсшаттл»! Но стартовать все-таки при такой тяге придется из космоса.

Тот же звездолет годится и для полетов внутри Солнечной системы. Тогда для двух разгонов до скорости 1000 км/ч и двух торможений хватило бы 75 т топлива, а путешествие до Плутона и обратно продлилось бы всего 4 месяца.

Оценки меняются, сели выбор падает на реакцию аннигиляции. Размеры заметно увеличиваются:

диаметр тора — до 600 м, толщина — до 200 м. а вот конструкционных материалов нужно меньше — всего 22,4 т. Получается прямо-таки огромный мыльный пузырь! А дело все в том, что из-за большего расстояния от центра тора до зоны реакции (500 м) напряженность магнитного поля в центре тора уменьшается в 30 раз по сравнению с термоядерным двигателем.

Для одного разгона до скорости 150 000 км/с (половина скорости света) и одного торможения в конце пути потребуется 270 т топлива, из которых половина — антивещество. Такой звездолет долетит до звезды Альфа Центавра за 12 лет, а путь до Эпсилона Эридана преодолеет за 24,8 года.

Человечество еще только начинает осваивать Солнечную систему, но уже мечтает о полетах к другим звездным мирам. Мы не сомневаемся, что в следующем XXI веке посланные земной цивилизацией корабли проложат первые трассы в просторах Галактики. Какими они будут, первые звездолеты? Будут ли похожи на свои прообразы, что рождаются в головах писателей и ученых? Вряд ли. А может быть, все-таки…

Content

Багров Александр Викторович и др Каравеллы для звездоплавателей

Каравеллы для звездоплавателей