авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

«В.П.БУРДАКОВ Ю.И.ДАНИЛОВ РАКЕТЫ БУДУЩЕГО Москва Атомиздат 1980 6Т6 Б91 УДК 629.7(0.23) Бурдаков В. П., Данилов Ю. И. Б91 ...»

-- [ Страница 4 ] --

Более того, продолжительность и дальность полета этой ра кеты будущего з а в и с я т только от ресурса бортовых систем и ни как не связаны с з а п а с а м и бортовой массы и энергии — и то и другое черпается из внешней среды. Д а ж е начальные бортовые з а п а с ы пускового термоядерного горючего (дейтерия и трития) могут быть восполнены в процессе полета, т а к как эти изотопы во дорода т а к ж е имеются в межпланетной среде.

В заключение необходимо, по-видимому, остановиться на двух принципиальных моментах. Во-первых, следует сказать несколько слов о защите к о р а б л я от микрометеоритов и космической пыли, поскольку огромные скорости полета несомненно о к а ж у т с я зави симыми от возможности организации такой защиты. И, во-вторых, следует описать процесс т о р м о ж е н и я а п п а р а т а у планеты назна чения.

Исследования показывают, что обе проблемы могут быть раз решимы наиболее естественным образом, так к а к выбранный прин цип функционирования системы как бы сам собой позаботился о ее живучести и удобстве эксплуатации.

Микрометеориты и космическая пыль при облучении мощным электронным ионизирующим лучом (заметим, что у ж е в настоя щее время созданы так называемые мегаамперные ускорители электронов) р а с п а д а ю т с я на отдельные а т о м ы и молекулы, т. е.

нагреваются и испаряются. Эти атомы и молекулы в дальнейшем ионизируются тем же электронным лучом и ведут себя подобно остальным частицам о к р у ж а ю щ е й среды. После входа в массо заборник, нейтрализации, рекомбинации и о х л а ж д е н и я эти части цы д о л ж н ы быть, по-видимому, отделены (отсепарированы) от водорода, так как, по современным представлениям, примеси зна чительно з а т р у д н я ю т организацию термоядерной реакции.

Встреча с крупными (которые н е в о з м о ж н о испарить) метео ритами, например, при полетах в зоне расположенного м е ж д у М а р с о м и Юпитером «пояса астероидов», может быть предотвра щена посредством раннего о б н а р у ж е н и я метеорита по вторичному рентгеновскому излучению, вызванному облучением его электро нами, и проведения маневра уклонения летательного аппарата, п р е д о т в р а щ а ю щ е г о нежелательное столкновение. Этот маневр упростится, если л о к а т о р ы с л у ж б ы метеоритной защиты к о р а б л я о б н а р у ж а т метеорит, идущий на столкновение не встречным, а боковым курсом.

Ч т о б ы и з б е ж а т ь столкновения, достаточно за тормозить корабль, переведя реактор в р е ж и м минимального энерговыделения, обеспечивающего лишь внутренние нужды. При этом основная часть з а х в а т ы в а е м о й внешней массы поступит не в реактор, а выбросится н а р у ж у через специальные сопла, распо л о ж е н н ы е м е ж д у витками катушки и направленные перпендику л я р н о к оси летательного аппарата. В ы б р а с ы в а е м а я масса иони зована, поэтому, д и ф ф у н д и р у я поперек магнитного поля, она увлечет его за собой и приведет к дополнительному раскрытию «магнитной воронки», к о т о р а я в данном случае работает просто к а к тормоз. Т о р м о з н а я сила д л я рассматриваемого летательного а п п а р а т а при скорости полета 105 м/с равна 105 Н, или 10 тс.

К а к видим, сила численно равна скорости полета, так как расход массы составляет 1 кг/с. При других скоростях полета т о р м о з н а я сила равна скорости полета, умноженной на секундный расход за хваченной массозаборником массы.

Таким образом, оказывается, что обе проблемы — и з а щ и т а от метеоритов, и т о р м о ж е н и е — принципиально разрешимы с по мощью одной и той же тяговой системы, в основе которой нахо д и т с я термоядерный прямоточный двигатель.

При рассмотрении космического а п п а р а т а ничего не было ска зано об его многочисленных вспомогательных системах. Системы управления;

радиосистемы;

системы, обеспечивающие магнитный, электростатический и температурный р е ж и м ы всех элементов ап парата;

системы, о б с л у ж и в а ю щ и е сердце к о р а б л я (термоядерное устройство и д в и ж и т е л ь — ускоритель реактивного потока), пред ставляют собой сложнейшие кибернетические устройства, расска з ы в а т ь о которых надо было бы более подробно.

15. ФОТОННАЯ РАКЕТА Стремительные темпы развития авиационной и ракетно-кос мической техники в ы н у ж д а ю т с еще большей быстротой разви ваться научные, дисциплины, обеспечивающие успех создания но вых летательных а п п а р а т о в и их силовых установок.

«Современное состояние двигателестроения, н а р я д у с разви тием тепловых двигателей у ж е известных типов, настоятельно тре бует расширения научно-исследовательских работ в целях выяв ления возможных новых типов эффективных теплосиловых уста н о в о к » — эта м ы с л ь *, высказанная замечательным советским ученым более двух десятилетий тому назад, сохраняет всю свою актуальность и в наши дни, когда начинаются исследования фо тонных ракет. Речь идет о профессоре В. К. Кошкине — известном педагоге, воспитавшем не одно поколение советских ученых.

В. К. Кошкин внес огромный личный в к л а д в развитие таких научных дисциплин, как термодинамика, теплопередача, двигате лестроение. Р а з в и т и е этих фундаментальных дисциплин диктова лось развитием различных типов двигателей д л я летательных ап паратов, а двигателей на веку профессора В. К. Кошкина смени лось немало: паровые **, поршневые бензиновые и дизельные, свободнопоршневые, воздушно-реактивные, жидкостные ракетные, комбинированные, ядерные, плазменные, ионные...

И вот наступила очередь фотонного. Н о в ы е проблемы, новые «неразрешимые» трудности термодинамического описания про цессов, совершенно фантастические энергетические процессы.

Большинство описаний гипотетических тяговых систем д л я обеспечения м е ж з в е з д н ы х полетов посвящено фотонным ракетам, * В. К. Кошкин, Б. Р. Левин, И. Н. Кутырин и др. Двигатели со сво бодно д в и ж у щ и м и с я поршнями в теплосиловых установках. М., Машгиз, 1957.

** Напомним, что первый в мире авиационный двигатель, установлен ный на самолете А. Ф. Можайского, был паровым. Изучение устройства и принципов работы паровых машин входит в программу авиационных ву зов подобно тому, как обучение морскому делу начинается с парусных судов.

тяга которых создается за счет истечения к в а н т о в электромагнит ного излучения. В идеальном случае, когда вся мощность двига теля переходит в направленное излучение, тяга (в Н) будет рав на этой мощности (в к В т ), умноженной на коэффициент 3, 3 · 1 0 - 6, и не будет зависеть ни от длины волны излучения, ни от типа его источника.

Очевидно, что д а ж е карманный электрический фонарик м о ж е т называться миниатюрным фотонным двигателем. Мощные газосветные лампы, освещающие улицы и площади, а особенно л а м п ы «Сириус», р а з в и в а ю т у ж е ощутимую тягу. Но подобные устройства, к сожалению, д л я сверхдальних полетов не пригодны из-за весьма т я ж е л ы х энергетических источников. Д а ж е идеаль н а я реакция полной аннигиляции вещества и антивещества, кото р а я обеспечивает наивысшее выделение энергии, так как в нее п р е в р а щ а е т с я вся масса исходных продуктов, и та обеспечивает массовую отдачу всего 2 3 %. Многие предпосылки и расчеты, ка сающиеся межзвездных полетов, делались на основе представле ний, почерпнутых из ракетной техники сегодняшнего дня. Пред полагалось, что космическая среда в тяговых системах использо ваться не может из-за чрезвычайной разреженности, что все не обходимые д л я создания тяги массово-энергетические ресурсы (а д л я идеальной фотонной тяговой системы з а п а с массы и энер гии — одно и то ж е ) д о л ж н ы р а з м е щ а т ь с я перед полетом на бор ту летательного а п п а р а т а. Такое предположение р о ж д а л о массу неразрешимых, по современным представлениям, проблем. П о л у чение и хранение антивеществ, организация аннигиляционного про цесса, фокусировка фотонов — это еще д а л е к о не полный их пере чень.

Вот почему многие исследователи проблемы м е ж з в е з д н ы х по летов стали склоняться к мысли о необходимости использования прямоточного принципа создания тяги и д л я этого случая.

Рассмотренный в предыдущем разделе термоядерный прямо точный двигатель принципиально пригоден и д л я межзвездных полетов, т а к к а к отсутствие бортовых запасов массы и энергии снимает ограничение на дальность полета. По современным дан ным, плотность м е ж з в е з д н о г о водорода значительно меньше чем межпланетного, и р а в н а 2 · 1 0 - 2 1 кг/м 3 (на 1 см 3 приходится только один атом!). Следовательно, при скорости полета 100 км/с тяга двигателя о к а ж е т с я равной всего лишь нескольким ньютонам.

Не выполняется, таким образом, второе необходимое условие м е ж звездного полета — его продолжительность при малых ускорениях, обеспечиваемых низкой тягой, будет значительно превышать про д о л ж и т е л ь н о с т ь человеческой жизни. Вот почему такой двигатель будет пригоден, пожалуй, только д л я автоматических межзвезд ных зондов.

Е щ е одно обстоятельство. При постепенном ускорении лета тельного аппарата тяга двигателя рассматриваемого типа будет с н а ч а л а возрастать из-за увеличения количества захватываемой массы, а затем по мере увеличения энергии набегающего потока начнет падать. Д е л о в том, что при увеличении скорости полета соответственно увеличивается энергия з а х в а т ы в а е м ы х частиц и требуется о т д а в а т ь все большую мощность на увеличение интен сивности магнитного поля. Очевидно, что энергия реактивной струи уменьшается. Если же магнитное поле не увеличивать (до пустим, к а т у ш к а постоянно работает на пределе своих в о з м о ж ностей), то тогда энергия и тяга струи уменьшатся из-за меньше го секундного р а с х о д а з а х в а т ы в а е м о г о массозаборником водоро да. Естественно, что уменьшение и без того низкой тяги приведет к невозможности достижения ракетой значительных — не говоря уж об околосветовых — скоростей полета.

Вывод один — н а д о применять антивещество, так как только реакция аннигиляции м о ж е т д а т ь необходимый д л я д о с т и ж е н и я нужного эффекта энергетический выход.

Рассмотрим п р е ж д е всего в о з м о ж н о с т ь использования меж звездного антивещества. Ученые подсчитали, что среди обычного водорода м о ж е т находиться примерно 0, 5 · 1 0 - 7 часть антиводоро да или антигелия. Соединяясь с обычным веществом, эти частицы д а д у т в о з м о ж н о с т ь з а х в а т ы в а т ь массозаборником 10 - 7 часть ан нигиляционного горючего, к а ж д ы й килограмм которого выделяет предельно в о з м о ж н у ю энергию 9 · 1 0 - 1 3 к Д ж, что примерно в 1000 раз больше энергии, выделяемой при синтезе водорода. Су ществуют гипотезы, что в различных р а й о н а х нашей Галактики, а тем более в межгалактическом пространстве имеются целые об ласти, состоящие в основном из антивещества (предполагают д а же, что имеются антизвезды и антигалактики!). Тем не менее эти гипотезы пока п о д т в е р ж д е н и я не нашли, и нам остается конста тировать «печальный» факт — д о л я антивещества во внешней сре де слишком мала, чтобы д а т ь сколько-нибудь ощутимый в к л а д в энергетический выход от термоядерной реакции.

Итак, на борту ракеты необходимо з а п а с а т ь антивещество, которое при достижении ею скорости полета 200—300 км/с с по мощью термоядерного прямоточного двигателя следует использо вать д л я получения «фотонной» тяги и дальнейшего разгона.

Рассмотрим сначала проблемы получения и хранения анти вещества. Об этих проблемах м а л о сказать, что они далеки от р а з решения. Современное состояние физики таково, что они не мо гут д а ж е быть поставлены на повестку дня. И тем не менее успе хи современного физического эксперимента с к а ж д ы м днем приб л и ж а ю т нас к такой возможности. Начнем с того, что создание крупнейших ускорителей в Д у б н е и Серпухове позволило полу чить и исследовать свойства антипротона — ядра антиводорода, а затем ядер антидейтерия и антигелия. Е щ е пока нет установок д л я получения пучков этих «антиядер», но, когда они будут со зданы, проблема получения упомянутых антиэлементов о к а ж е т с я, по-видимому, разрешимой. Д е л о в том, что оснастить полученные «антиядра» антиэлектронами (т. е. позитронами — частицами, равными по массе электронам, но имеющими положительный за р я д ) значительно проще. Позитроны научились у ж е не только получать, но и н а к а п л и в а т ь в значительных количествах в так назы ваемых «накопительных кольцах» — кольцевых магнитных систе мах, напоминающих ускорители. С м е ш и в а я «антиядра» и позитро ны, м о ж н о получить нейтральную плазму антивещества. К а к из вестно, плазма при магнитной изоляции м о ж е т продолжительное (по физическим понятиям) время не вступать в контакты со стен к а м и камер. К сожалению, такое антивещество еще не м о ж е т счи таться пригодным д л я хранения на борту ракеты. Необходимо р а з р а б о т а т ь процесс о х л а ж д е н и я вплоть до отвердевания, с к а ж е м, антидейтерия. Твердый антидейтерий о б л а д а е т достаточной плот ностью д л я того, чтобы его можно было разместить в межзвезд ной ракете. К р о м е того, контейнеры д л я его хранения не нужны.

Сферические или цилиндрические глыбы антидейтерия будут удер ж и в а т ь с я вблизи к о р а б л я с помощью электростатических полей определенной формы при постоянном (динамическом) регулиро вании.

В настоящее время пока нет представления о том, каким спо собом подавать антивещество в зону реакции. М о ж е т быть, будет пригоден «простой» метод эрозии антивещества вследствие взаи модействия с ним потока вещества, захваченного массозаборни ком. О б с у ж д а е т с я и другой способ эрозии и разгона антивещест ва с помощью лазерной установки. Р а з г о н необходим и д л я орга низации реакции аннигиляции, и д л я получения необходимого К П Д преобразования энергии в тягу. Учеными было установлено, что доля «чистой» аннигиляции, т. е. перехода протонов и анти протонов непосредственно в излучение при энергии их взаимо действия 1,6 ГэВ, составляет 30% и растет при дальнейшем уве личении этой энергии. При взаимодействии «покоящихся», т. е.

имеющих очень небольшую энергию, частиц и античастиц «чистой», или полной, аннигиляции нет совсем. Вместо этого протоны и ан типротоны последовательно р о ж д а ю т -мезоны, затем -мезоны и, наконец, электронно-позитронные пары, которые и з а в е р ш а ю т аннигиляцию, переходя в излучение. Отрицательные и положи тельные -мезоны («элементарные» частицы, масса которых в 273 раза больше массы электрона) о б р а з у ю т при этом на корот кое время нейтральные пары — мезоатомы, которые не фокусиру ются магнитным полем. То же самое м о ж н о сказать и о -мезонах, и об электронно-позитронных парах.

В целом м о ж н о отметить, что расстояние, проходимое вещест вом и антивеществом в процессе аннигиляции и ускорения, будет равняться нескольким километрам, поэтому и з о б р а ж а т ь фотонные двигатели с короткими камерами аннигиляции, как это нередко д е л а ю т в популярных книгах, по-видимому, бессмысленно у ж е сейчас. Аннигиляция и ускорение квантовой струи (а точнее, квантового потока) д о л ж н ы происходить вне пределов к о р а б л я и в з а и м о д е й с т в о в а т ь с ним только лишь посредством электромаг нитных сил. О б р а з о в а н и е несфокусированных квантов электро магнитного излучения на промежуточных и з а в е р ш а ю щ е й стади ях аннигиляции требует создания фокусирующего устройства.

В н а с т о я щ е е в р е м я хорошо изучен вопрос о возможности фоку сирования электромагнитных излучений с помощью твердых по верхностей. Оказалось, что д а ж е самый лучший о т р а ж а т е л ь ко ротковолнового светового излучения ( ф и о л е т о в а я область) види мого спектра — полированный алюминий — поглощает при длине волны 0,2 мкм около 60% падающего потока. Серебряные з е р к а л а д л я этой области спектра вообще не годятся, так как по г л о щ а ю т 90% излучения.

Т а к и м образом, з е р к а л о оказывается чрезвычайно громоздким, требует интенсивного о х л а ж д е н и я и, что самое главное, поглощает почти все падающее излучение. Были попытки рассмотреть лазер ные кристаллические системы. Поглощаемое в к р и с т а л л а х корот коволновое излучение преобразуется и высвечивается в виде ко герентного (синхронного) излучения с большей длиной волны, б л а г о д а р я чему его можно очень хорошо фокусировать. К с о ж а лению, и эти весьма перспективные устройства непригодны из-за большой массы и сложности конструкции.

Н а и б о л е е перспективным (по современным представлениям) считается предложение о фокусировании квантов с помощью дис кообразного электронного о б л а к а, у д е р ж и в а е м о г о тем же магнит ным полем, которое обеспечивает работу электромагнитного мас созаборника. При полете м е ж з в е з д н о й ракеты это о б л а к о под воз действием встречного потока изгибается и принимает форму огромной параболы, с о з д а в а я тем самым более благоприятные ус ловия д л я использования в создании тяги несфокусированных квантов. Заметим, наконец, что электронное о б л а к о создается устройствами, аналогичными тому, которое направляет навстречу потоку электронный луч (описанный в предыдущей главе), обес печивающий работу электромагнитного массозаборника.

Представим теперь всю процедуру межзвездного полета. На околоземной орбите собран корабль, имеющий приемлемые д а ж е по современным представлениям геометрические размеры. Диа метр массозаборника около 20 м, длина к о р а б л я не более 100 м.

С у х а я масса к о р а б л я находится в пределах 500—1000 т. Основ ные его элементы: массозаборник с магнитной и электронной фо кусирующими системами;

т е р м о я д е р н а я энергоустановка проточ ного типа с электромагнитным движителем, т в е р д а я поверхность которого выполнена в виде расширяющегося сопла;

система хра нения и подачи антивещества;

рабочие, производственные и ж и лые сферические отсеки с необходимой биологической защитой от излучений;

системы ускорителей электронов;

комплекс вспомога тельных бортовых систем.

Старт к о р а б л я с орбиты И С З происходит с помощью прямоточ ного термоядерного двигателя. На границе планетной системы — где-нибудь вблизи Нептуна или Плутона — корабль тормозится и принимает на борт, т. е. подвешивает с помощью электростати ческих сил, необходимые запасы твердого антиводорода или анти дейтерия, подготовленного расположенным там заводом по про изводству антивещества. После тщательной и всесторонней про верки корабля состоится его передача э к и п а ж у. Количество членов э к и п а ж а 20—50 человек, отобранных из групп людей, которые с момента р о ж д е н и я проходили специальную подготовку и наблю дались врачами. Возраст, знания и навыки э к и п а ж а д о л ж н ы обес печить возвращение через 60—70 лет ракетного времени, как ми нимум, трех звездоплавателей. По земным часам это время будет соответствовать десяткам тысяч лет из-за эффектов, предсказы ваемых теорией относительности.

Старт к о р а б л я происходит за счет тяги термоядерного устрой ства. Сначала из сопла появляется бледно-фиолетовое свечение — это включился малый термоядерный реактор, потребляющий бор товые запасы дейтерия и трития. К о р а б л ь медленно разгоняется.

При достижении скорости 50 км/с навстречу набегающему потоку начинает вытягиваться ярко-фиолетовое копье электронного луча.

Через некоторое время вокруг раструба массозаборника появляет ся едва заметное свечение и из сопла, постепенно удлиняясь, на чинает истекать ослепительно-фиолетовая струя. Это включилось магнитное поле и начал работать прямоточный термоядерный двигатель. Скорость возрастает. Впереди к о р а б л я ярко вспыхива ют редкие зеленоватые звездочки — гибнут встречные микроме теориты. Значительно р е ж е такие же звездочки вспыхивают по бокам к о р а б л я — это работает автоматическая круговая противо метеоритная л а з е р н а я защита. К о р а б л ь прощается с Солнечной системой.

П р о ш л о у ж е несколько месяцев полета. Скорость достигла 200 км/с. Солнце у ж е нельзя отличить от других ярких звезд.

Е щ е и еще раз проверяются системы к о р а б л я и уточняется его курс. Пора включать фотонный двигатель. П о я в л я е т с я все усили вающееся свечение в плоскости, пересекающей магнитную систему массозаборника перпендикулярно к оси к о р а б л я — з а р а б о т а л и тан генциальные инжекторы электронов, формирующие электронное зеркало. По мере увеличения яркости свечения становится замет ной огромная с в е т я щ а я с я чаша параболы, вершина которой совпа д а е т с началом массозаборника, а изогнутые образующие прости р а ю т с я на многие десятки километров, как бы о х в а т ы в а я реактив ную струю. Но вот струя стала удлиняться, на ней появились све т я щ и е с я пульсирующие узлы, а о к р у ж а ю щ а я струю парабола вспыхнула ярко-фиолетовым пламенем. Это с помощью специ ального электростатического манипулятора один из многочислен ных «ледовых» з а р я д о в антивещества, х р а н я щ и х с я «в тени» сбоку летательного а п п а р а т а, переместился в центр массозаборного уст ройства и с помощью тех же электростатических сил стал прочно у д е р ж и в а т ь с я в з а д а н н о м положении. Форма и размеры этого за ряда обеспечивают нужный режим работы тягового устройства.

Поступающее в массозаборное устройство вещество о к р у ж а ю щ е й среды обтекает з а р я д антивещества, соприкасается с ним, вызы вает эрозию антивещества в результате местных аннигиляционных, электромагнитных и тепловых процессов и тем самым вовлекает антивещество в д в и ж у щ и й с я поток рабочего тела. В соответствии с э ф ф е к т а м и теории относительности время, необходимое д л я полной аннигиляции вещества и антивещества, таково, что все процессы в реактивной струе занимают по протяженности не сколько километров. Б о л е е того, эти процессы идут в несколько этапов, о которых у ж е говорилось ранее, поэтому сама реактив н а я струя напоминает сильно вытянутую струю работающего в атмосфере ракетного д в и г а т е л я с характерными светящимися пе р е ж а т и я м и, обусловленными структурой ударных волн. В случае же фотонного д в и г а т е л я структура светящихся узлов другая — они обусловлены последовательными процессами аннигиляции, а их цвет — зелено-голубой в первом узле постепенно меняется до бледно-фиолетового в последнем. Таким образом, прямоточный межзвездный фотонный двигатель вышел на режим. З а м е т н о воз росла тяга. У э к и п а ж а пропало ощущение невесомости.

П р о ш л о несколько суток, и земные с л у ж б ы наблюдения обна р у ж и л и вышедшие из д а в н о намеченной точки безбрежного космо са д о л г о ж д а н н ы е рентгеновские лучи-свидетели состоявшегося за пуска фотонного двигателя и начала первого м е ж з в е з д н о г о полета.

Возникает вопрос — насколько реально создание описанного выше а п п а р а т а с фотонным двигателем. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо п р е ж д е всего с к а з а т ь о потребности челове чества в м е ж з в е з д н ы х полетах. Т а к а я потребность есть. О ней в настоящее время много пишут не только в популярной, но и в на учной литературе. «Погоня за светом и пространством» всегда с о п р о в о ж д а л а и будет с о п р о в о ж д а т ь развитие человечества. Воз никновение сначала идей, затем проектов и, наконец, реальных конструкций фотонных ракет следует рассматривать к а к следст вие этой потребности в м е ж з в е з д н ы х перелетах. В о з м о ж н о с т и же создания таких ракет будут находиться в тесной зависимости от успехов фундаментальных и прикладных исследований по термо ядерному синтезу, высокотемпературной сверхпроводимости, ме тодов получения и хранения антивещества и т. п. Особое место в этих прогнозах будут иметь результаты ф у н д а м е н т а л ь н ы х работ по теории поля, элементарных частиц, особенно к в а р к о в и лепто нов, а т а к ж е по теории возникновения и развития Вселенной, по скольку оказывается, что изучение процессов, имевших место при рождении нашей Вселенной, м о ж е т ответить на многие вопросы о строении мира, начиная от элементарных частиц и полей и до возможности существования антимиров.

16. ВОЗМОЖНА ЛИ АНТИГРАВИТАЦИЯ?

Гравитационное притяжение тел — одно из наиболее загадоч ных и непознанных явлений природы. В о о б щ е говоря, все извест ные физикам силы дальнодействия (гравитационная, электроста тическая и магнитная) до сих пор загадочны и ничем не объяснимы.

Ч т о такое электрический з а р я д ? К а к о в ы его природа и про т я ж е н н о с т ь в пространстве? Почему одноименные з а р я д ы оттал киваются, а разноименные притягиваются? На все эти вопросы наука еще д о л ж н а получить ответы. Решение этих загадок, по видимому, станет началом новой эры в науке и технике, а в о з м о ж но, и произведет н а с т о я щ у ю революцию в понимании законов природы.

В настоящее время силы дальнодействия широко использу ются в практической деятельности людей, в том числе и в космо навтике. Они хорошо изучены количественно. В частности, теория п р и т я ж е н и я Ньютона одинаково хорошо описывает к а к электро статическое, так и магнитное, и гравитационное взаимодействие тел на расстоянии. Б о л е е точные в ы р а ж е н и я д а ю т с я общей тео рией относительности Эйнштейна.

Если рассмотреть силы притяжения в р а м к а х теории Ньюто на, то, сравнивая напряженности и удельные объемные энергии гравитационного и электростатического полей, м о ж н о о б н а р у ж и т ь в космосе огромные «запасы» гравитационной энергии. Д а ж е у поверхности Земли плотность гравитационной энергии чрезвы чайно велика. Она равна 1,6·10 1 1 Д ж / м 3, что намного превышает известный суммарный энергетический з а п а с атмосферы (термо я д е р н а я энергия водяных паров, энергия конденсации и кристал лизации воздуха, тепловая, механическая и химическая энергии п т. п.), равный у поверхности Земли 106 Д ж / м 3. З а м е т и м д л я сравнения, что удельный энергетический эквивалент массы атмо сферы на этой высоте равен 1017 Д ж / м 3, что, естественно, являет ся физическим пределом, а удельная о б ъ е м н а я энергия топлива существующих ракет (кислород + керосин) р а в н а «всего лишь»

1010 Д ж / м 3. Иначе говоря, если приведенные выше р а с с у ж д е н и я о гравитационной аналогии правильны, то открываются огромные возможности в использовании энергии нового типа — гравитаци онной. Собственно говоря, эта энергия у ж е и сейчас широко ис пользуется. Так, при организации полета к планетам или мимо планет учитывается их гравитационное притяжение, которое в ря де случаев позволяет снизить количество взятого на борт ракеты топлива. Но, к сожалению, сила гравитации всегда имеет один знак — массы всегда притягиваются. Это обстоятельство не толь ко ограничивает возможности полезного использования энергии гравитации, но и приводит к так н а з ы в а е м ы м гравитационным по терям при старте ракет с поверхности Земли.

А в о з м о ж н а ли отрицательная гравитация? В о з м о ж н о ли та кое состояние, когда тела отталкиваются, подобно двум одноимен ным з а р я д а м ? Этот вопрос и является основным в процессе ис следования антигравитации или в более общей постановке в про цессе исследования возможностей искусственного регулирования гравитации. Очевидно, что регулировать м о ж н о только такое яв ление, закономерности которого в той или иной мере известны, поэтому п р е ж д е всего стали появляться теории гравитации.

По-видимому, первым ученым, который з а д у м а л с я над этим явлением, был Ньютон (вспомним легенду о «яблоке Н ь ю т о н а » ), но подходящего объяснения он д а т ь не мог.

«Не знаю, — писал Ньютон, — каким представляет себе меня мир, но самому себе я к а ж у с ь просто ребенком, который играет на морском берегу и з а б а в л я е т с я, отыскивая лучше обкатанные камешки или более красивые, чем обычно, ракушки, в то время к а к великий океан истины лежит передо мной, еще девственно не познанный».


Первое правдоподобное физическое объяснение причины гра витации д а л М. В. Ломоносов, который полагал, что притяжение тел является р е з у л ь т а т о м их взаимодействия с огромным числом очень мелких частиц, пронизывающих Вселенную. Д в а тела при тягиваются, воспринимая при поглощении импульс этих частиц и взаимно э к р а н и р у я от них друг друга. В тех или иных вариан тах эта теория гравитации сохраняется и до наших дней. В качест ве «виновников» гравитационного п р и т я ж е н и я рассматриваются -кванты, нейтрино, гипотетические к в а р к и — мельчаишие частицы с дробным з а р я д о м, гравитоны, а иногда и другие «элементарные»

частицы.

С появлением в н а ч а л е века общей теории относительности Эйнштейна, к о т о р а я иногда носит н а з в а н и е теории гравитации, многое изменилось. Эйнштейн писал: «Только гений Р и м а н а, оди нокий и непостижимый, у ж е в середине прошлого века достиг но вого понимания пространства, и это была концепция пространст ва, лишенного жесткости, способность которого у ч а с т в о в а т ь в фи зических я в л е н и я х б ы л а признана в о з м о ж н о й ». Иначе говоря, Эйнштейн р а с с м а т р и в а л пространство не просто как арену, на ко торой происходят физические явления, но к а к равноправный фи зический ф а к т о р, способный изменяться под воздействием других физических ф а к т о р о в. У т в е р ж д а л о с ь мнение, что г р а в и т а ц и я — это не что иное, к а к искривление пространства. Таким о б р а з о м, несомненно м а т е р и а л ь н о е гравитационное поле отождествляется с геометрической структурой п р о с т р а н с т в а — в р е м е н и. Эйнштейн о ш и б а л с я в одном. Э т о т новый подход к ф у н д а м е н т а л ь н о й физи ческой н а у к е был предсказан не Р и м а н о м, а великим русским уче ным Н. И. Л о б а ч е в с к и м в 1829—1830 гг. Н. И. Л о б а ч е в с к и й пи сал: «Итак, все прочие понятия, например, геометрические, про изведены н а ш и м умом искусственно, будучи в з я т ы в свойствах д в и ж е н и я, а потому пространство с а м о собою, отдельно, д л я нас не существует». И д а л е е : «...в том о д н а к о ж нельзя сомневаться, что силы все п р о и з в о д я т одни: д в и ж е н и е, время, массу, д а ж е рас стояния и углы». Идеи Л о б а ч е в с к о г о прошли длинный путь, ве д у щ и й через р а б о т ы великих немецких ученых Гаусса, Р и м а н а и Эйнштейна и глубоко проникли в современную физику.

Эти идеи всколыхнули многие физические (как теоретические, т а к и экспериментальные) исследования, подняли на новую вы соту математические исследования в области высшей геометрии и надолго оставили след в других, более поздних теориях грави тации.

К а к известно, еще Эйнштейн был не д о в о л е н своей теорией по д в у м причинам. Он не мог исключить понятие массы и не мог найти решение проблемы создания «единой теории», описывающей поведение к а к полей, т а к и элементарных частиц.

Н о в ы е теории многочисленны. Многие из них предусматрива ют квантование гравитационного поля, у т в е р ж д а я, что гравитаци онные кванты — гравитоны — могут переносить энергию гравита ции подобно радиоволнам, которые переносят электромагнитную энергию, что в гравитоны при определенных обстоятельствах мо гут п р е в р а щ а т ь с я пары частица — античастица при аннигиляции (возможен и обратный процесс), что гравитоны, излучаемые эле ментарными частицами, я в л я ю т с я физической причиной всемирно го тяготения. Определены (конечно, только теоретически) и свой ства гравитонов. Масса гравитона чрезвычайно мала — всего лишь 1 0 - 6 6 — 1 0 - 6 4 г, а энергия 5 · 1 0 - 5 2 Д ж. У т в е р ж д а е т с я, что размеры гравитонов не постоянны — при излучении радиус гравитона ра вен радиусу испускающей его элементарной частицы, но затем ра диус гравитона якобы увеличивается, достигая в пределе размеров Вселенной.

Если все сказанное подтвердится экспериментально, то ока ж е т с я в о з м о ж н ы м и создание гравитонных двигателей, использу ющих импульс гравитонного излучения. Естественно, что о б с у ж д а т ь конструкцию таких двигателей сейчас преждевременно.

Теория гравитации не и з б е ж а л а и обычного для физики дуа лизма «частица — волна». Н а р я д у с частицами (гравитонами) изу чаются гравитационные волны — скорость их распространения, условия генерации и поглощения, переносимая энергия, экраниро вание, интерференция и т. п. В этом направлении ведутся и экс периментальные работы.

В заключение остановимся на одной из оригинальных, на наш взгляд, попыток с ф о р м у л и р о в а т ь единую релятивистскую кванто вую теорию фундаментального поля, объясняющую структуру и свойства всех известных полей, элементарных частиц, химичес ких элементов и к р и с т а л л о в *. В теории у т в е р ж д а е т с я, что космос (или, точнее, космический вакуум) — это не пустота, а пространст во, сплошь заполненное элементарными частицами вакуума, т. е.

проаннигилировавшими (исчезнувшими) протонами и антипрото нами. Плотность элементарных частиц в а к у у м а огромна: в 1 см *. М. Протодьяконов, И. Л. Герловин. Электронное строение и фи зические свойства кристаллов. М., « Н а у к а », 1975 г.


содержится 1039 частиц! О д н а к о н а б л ю д а т ь их принципиально не возможно. Элементарные частицы в а к у у м а образуются при анни гиляции протонов и антипротонов, которые мгновенно становятся ненаблюдаемыми, как бы исчезая в физическом вакууме и остав л я я на его «поверхности» доступные д л я наблюдения два фотона.

Фотоны или вообще электромагнитные волны рассматриваются в этой теории просто к а к возмущения физического сверхплотного вакуума, переносимые в нем со скоростью света.

Все наблюдаемые элементарные частицы, атомы, молекулы и тела образуют вещество, т. е. физические объекты, о б л а д а ю щ и е массой, которая, в свою очередь, является мерой наблюдаемой инерции, а т а к ж е мерой наблюдаемой энергии и энергии связи.

Вакуум на много порядков плотнее вещества, но его массу, как, впрочем, и другие свойства, н а б л ю д а т ь невозможно. Считает ся, что элементарные частицы в а к у у м а массы не имеют.

Гравитационное взаимодействие м е ж д у элементарными час тицами объясняется всесторонним давлением вакуума, ослаблен ным небольшим экранированием. К а к р а з это экранирование и со здает эффект гравитационного п р и т я ж е н и я.

Сейчас пока еще рано у т в е р ж д а т ь о справедливости и ж и з ненности предложенной теории, хотя она и объединяет многие идеи, высказывавшиеся ведущими физиками нашего времени, не противоречит в основных своих р е з у л ь т а т а х теориям относитель ности Эйнштейна, а главное, очень удачно о б ъ я с н я е т многочислен ные экспериментальные факты. П о ж а л у й, менее всего в этой тео рии р а з р а б о т а н а проблема гравитации, в частности, вопросы эк ранирования воздействий в а к у у м а на элементарные частицы, са моэкранирования в а к у у м а при прохождении через него волн воз мущения, т. е. электромагнитных волн, однородности в а к у у м а во Вселенной, уничтожения частиц в а к у у м а с выходом частиц — ан тичастиц в наблюдаемое пространство, взаимодействия реляти вистских частиц с в а к у у м о м и т. д. Очень в а ж е н вопрос о ста ционарности в а к у у м а, граничащий с вопросом о стационарности Вселенной. Меняется ли плотность в а к у у м а в связи с д о к а з а н н ы м в настоящее время ее расширением?

И наконец, об антигравитации. Согласно представлениям упо мянутой теории, антигравитация в о з м о ж н а, если м е ж д у д в у м я тя готеющими массами происходит более интенсивная генерация ва куума, чем его экранирование этими массами. В этом случае две соседние массы будут не притягиваться, а отталкиваться. По-ви димому, и рассмотренный в предыдущем р а з д е л е фотонный пря моточный двигатель м о ж е т оказаться значительно эффективней из-за того, что аннигиляция создаст большую плотность вакуума за летящим кораблем. Если повышенная сила упругости в а к у у м а за летательным аппаратом приведет к возникновению тягового усилия, то последнее будет складываться с тяговым усилием классического фотонного двигателя.

М о ж н о без преувеличения сказать, что наступление ученых на проблему гравитации идет в настоящее время широким фрон том, включая всесторонние теоретические и уникальные экспери ментальные наблюдения. С о з д а ю т с я высокочувствительные уста новки д л я о б н а р у ж е н и я гравитационных волн, проводятся экспе рименты на гигантских ускорителях элементарных частиц в целях выявления гравитационных свойств античастиц, планируются уни кальные эксперименты на космических а п п а р а т а х. В теоретиче ском плане очень в а ж н ы усилия ученых, направленные на созда ние единых теорий поля и элементарных частиц, на раскрытие пока еще не известных свойств к в а р к о в и лептонов. Эти же рабо ты с в я з а н ы с изучением нашей Вселенной как целого, ее образо вания и развития. М о ж н о отметить, что к н а с т о я щ е м у времени накоплен обширный материал о Вселенной. Установлен факт ее расширения, о б н а р у ж е н о реликтовое радиоизлучение, на пределе возможностей оптических и радиотелескопов найдены необычные объекты гигантской светимости — к в а з а р ы. Свет от к в а з а р о в до нас идет миллиарды лет, следовательно, мы видим свидетелей очень далекого прошлого нашей Вселенной. О б о б щ а я данные на блюдений и расчетов, ученые делают вывод, что Вселенная не вечна, не бесконечна и не стационарна, к а к д у м а л и еще несколько десятков лет тому назад. В то же время п о д т в е р ж д а ю т с я пред положения об однородности и изотропности Вселенной. Наиболее распространена с л е д у ю щ а я модель ее эволюции: примерно 13 млрд. лет тому н а з а д было «начало», когда все пространство Вселенной з а н и м а л о объем 2, 5 · 1 0 - 3 7 см 3. Плотность начальной материи была огромна — 4 · 1 0 9 3 г/см 3. У ж е через 1 0 - 4 с после «начала» плотность Вселенной составляла 1014 г/см, что равно плотности атомных ядер. Экспериментальным подтверждением этого периода могло бы стать о б н а р у ж е н и е реликтового (остаточ ного) гравитационного излучения. Через 0,3 с после «начала»

107 г/см 3, а температура 3·10 1 0 К.

плотность составляла у ж е Нейтрино и антинейтрино при этих условиях веществом не погло щ а ю т с я и могут существовать независимо, а следовательно, могут дойти до нас в виде реликтовых нейтрино. О б р а з о в а н и е протонов, нейтронов, электронов и других элементарных частиц, а также образование первичного водорода и гелия произошло на сотой се кунде при плотности 100 г/см 3 и температуре 199 К. Отрыв от ве щества излучения, дошедшего до нас в виде реликтового фона, произошел на 3·10 5 с жизни Вселенной при плотности 1 0 - 2 0 г/см и температуре 3—4 тыс. К. Сейчас температура этого излучения 3 К, а плотность Вселенной 1 0 - 2 9 г/см 3. З н а я общую массу Все ленной (10 66 —10 57 г), а т а к ж е ее плотность в различные периоды времени, м о ж н о о б н а р у ж и т ь, что скорость ее расширения в на чальный период превышала световую. Ч т о б ы не вступать в про тиворечие с общей теорией относительности, ученые предполага ют, что вместе со Вселенной расширяется и само пространство.

Таким образом, пространство вовлекается в физический процесс и у ж е не считается неизменной формой существования материи.

Это д а е т основание предположить, что вслед за фотонными и гра витационными ракетами могут появиться летательные аппараты или устройства, изменяющие пространство и позволяющие пере мещаться со сверхсветовыми скоростями и достигать границ на шей Вселенной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Перечень новых возможностей д л я с о з д а н и я удивительных летательных а п п а р а т о в будущего, о т к р ы в а е м ы х современной нау кой, м о ж н о было бы продолжить. Не о б с у ж д а л с я, например, воп рос о термодинамических проблемах обратимости, связанных с в о з м о ж н ы м и перспективами создания «машин времени». Не за тронуты вопросы о в о з м о ж н о м развитии цивилизации и изменении «целей звездоплавания».

В небольшой книге невозможно описать и многочисленные проекты будущих ракет. Н а ш а з а д а ч а состояла в другом — пока зать безграничность технических возможностей, большое количест во идей и актуальность целей будущего изучения и освоения кос мического пространства.

Все большее число государств тяготеет к космическим иссле д о в а н и я м. В тех странах, которые у ж е имеют необходимую тех нику и возможности, а особено это к а с а е т с я родины космонавти ки — С С С Р и другой космической страны — США, все шире об с у ж д а ю т с я вопросы практического использования космонавтики, повышения ее рентабельности и эффективности. С к а ж д ы м днем ширится м е ж д у н а р о д н о е сотрудничество в деле исследования и освоения космоса.

Теперь у ж е, п о ж а л у й, не так просто отыскать людей, которые не понимали бы значения космонавтики д л я будущего р а з в и т и я человечества. Интерес к космонавтике перешагнул этап сенсаций и принял обычный деловой характер. Теперь д а ж е о фотонных ра кетах межзвездных путешествиях говорят не к а к о каком-то сверхфантастическом пародоксе, а к а к об одной из более или ме нее обычных научно-технических з а д а ч з а в т р а ш н е г о дня.

Проектированием космических ракет, причем, ракет не стан»

дартных, не обычных, а ракет, о б л а д а ю щ и х новым свойством — универсальностью, одноступенчатых или, наоборот, многоблочных многоступенчатых, с повышенной эффективностью при эксплуата ции, ракет-самолетов и т. п., в настоящее в р е м я з а н я т ы не т о л ь к о государственные организации в Великобритании, Индии, Фран ции, Ф Р Г, С С С Р, США, Японии, но и частные фирмы, и д а ж е от дельные энтузиасты во многих странах.

Н а м к а ж е т с я, что д л я начинающих конструкторов будущих ракет (независимо от уровня их знаний и подготовки) предлагае м а я популярная книга может быть неплохим пособием д л я рас ширения их кругозора.

Эта книга может сыграть определенную роль в жизни моло дых людей, р а з м ы ш л я ю щ и х о своей будущей специальности, и просто быть интересной любознательным читателям.

Н а м представлятся, что именно т а к а я з а д а ч а, з а д а ч а популя ризации новой и перспективной техники в самых широких массах читающей аудитории наиболее отвечает интересам будущего раз вития космонавтики. Вместе с тем авторы д о л ж н ы признаться, что эта книга — их первый опыт в деятельности подобного рода.

Не исключены, следовательно, как мелкие, так и более серьезные упущения, узнать о которых они были бы весьма рады.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. ЗАЧЕМ ИЗУЧАЮТ И КАК ОСВАИВАЮТ КОСМОС 2. НА ПУТИ К К О С М И Ч Е С К О Й РАКЕТЕ 3. Б Р О Н Т О З А В Р Ы Р А К Е Т Н О Й Т Е Х Н И К И 4. АТОМ И РАКЕТА 5. З О Л О Т О Й Д И Р И Ж А Б Л Ь 6. ЧТО ТАКОЕ ВНЕШНИЕ Р Е С У Р С Ы 7. А В И А Ц И Я - КОСМОНАВТИКА 8. Э Ф Ф Е К Т И В Н О С Т Ь, ТЕРМОДИНАМИКА И КОСМИ Ч Е С К И Й Т У Р И З М 9. Ф И З И К А НА С Л У Ж Б Е К О С М О Н А В Т И К И 10. ТЕХНИКА С О С Е Д Е Й ПО РАЗУМУ? 11. НАДО ЛИ З А Р Я Ж А Т Ь ЛУНУ? 12. А Д Р Е С — О И С З 13. Т Е Р М О Я Д Е Р Н Ы Й Д В И Г А Т Е Л Ь 14. К О С М И Ч Е С К И Й ПРЯМОТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 15. ФОТОННАЯ РАКЕТА 16. В О З М О Ж Н А ЛИ А Н Т И Г Р А В И Т А Ц И Я ? З А К Л Ю Ч Е Н И Е ИБ № Валерий Павлович Бурдаков Юрий Иванович Д а н и л о в РАКЕТЫ БУДУЩЕГО Редактор О. А. Степеннова Художественные редакторы А. С. Александров, А. Т. Кирьянов Обложка художника Е. В. Шворака Технические редакторы О. Н. Адаскина, А. А. Белоус Корректор М. В. Косарева Сдано в набор 31.03.80. Подписано к печа ти 11.07.80. -11997. Формат 70х1001/32.

Бумага тип. № 2. Гарнитура литератур ная. Печать высокая. Усл. печ. л. (3,45.

Уч.-изд. л. 8,22. Т и р а ж 117000 экз. Зак.

тип. 309. Зак. изд. 69338. Цена 30 к.

Атомиздат, 103031 Москва К-31, ул. Ж д а нова, 5.

Ярославский полиграфкомбинат Союзполи графпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 150014 Ярославль, ул. Свободы, 97.

Scan, OCR, SpellCheck, Formatting - Петров Эдуард Часть сканов любезно предоставлена Сергеем Павловичем Хлыниным

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.