Космические двигатели будущего - Александр Дмитриев

Рис. 13. Сверхвысокочастотный реактивный двигатель: 1 — волновод, 2 — полуволновое диэлектрическое окно, 3 — соленоид, 4 — инжекция рабочего тела

Возможное расположение элементов космического СВЧ-двигателя схематически показано на рис. 13. Такой двигатель состоит по существу из волновода, соленоида и прозрачного для электромагнитных волн окна, через которое поступает СВЧ-излучение. Окно служит для того, чтобы предотвратить обратный поток движущихся частиц в направлении источника СВЧ-излучения. В ускоритель входит система впрыска рабочего тела (топлива), а также средства обеспечения постоянной интенсивности магнитного поля (для получения совпадения частоты излучения и циклотронной частоты в пространстве взаимодействия). При уровне непрерывной мощности порядка 1 кВт и более поток СВЧ-излучения оказывается достаточным для полной ионизации инжектируемого рабочего тела и для сообщения плазме требуемой кинетической энергии.

Достоинства подобного вида ускорения плазмы обусловлены безэлектродной структурой ускорителя и полным отсутствием подвижных частей. Таким образом, можно в принципе ожидать, что двигатель будет отличаться предельной простотой конструкции и долговечностью. Маломощные СВЧ-двигатели (Р < 100 кВт) могут найти применение в недалеком будущем, после того как в них будут внесены некоторые технические усовершенствования. Использование же СВЧ-двигателей для создания основной тяги (Р > 100 кВт в непрерывном режиме) станет возможным, если будут реализованы системы передачи энергии с помощью СВЧ-пучков (спутниковые солнечные электростанции).

Перспективы создания мощных источников электромагнитного излучения. Комплекс технических проблем, которые должны быть решены при создании двигательной космической системы с внешними источниками электромагнитного излучения, тесно взаимосвязан с проблемами, стоящими перед другими областями науки и техники, а также с более общими проблемами.

Лазеры, как известно, были созданы вне всякой связи с космическими проблемами, и в течение более 10 лет не возникало идеи использовать их в качестве элемента космических двигательных систем. Развитие лазерной техники, заключающееся в росте излучаемой мощности, освоении все новых и новых диапазонов, улучшении характеристик и т. д., происходило и происходит достаточно бурно. Достаточно сказать, что мощность излучения лучших современных образцов лазеров в 106 — 108 раз превосходит мощность излучения первых лазеров. Такой прогресс, который уже ощутимо наметился к концу 60-х годов, позволил рассматривать лазеры как потенциально мощные источники удобного для многих целей вида энергии — электромагнитного излучения, светового, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов (сейчас этот спектр еще более расширился).

Вот тогда и родилась идея использовать лазеры для разгона ракет, которая была подготовлена всей короткой историей развития лазерной техники. С другой стороны, вопрос о применении внешних источников энергии назрел и в космической технике, где он неоднократно поднимался и обсуждался, начиная с работ К. Э. Циолковского, Ф. А. Цандера и других пионеров космонавтики.

В плане преобразования энергии электромагнитного излучения в кинетическую энергию рабочего тела вопрос был подготовлен работами по разогреву плазмы СВЧ-излучением и первыми экспериментами по созданию двигателей, использующих для создания тяги электромагнитную энергию.

Идеи рождаются по-разному: одни появляются задолго до возможности реализации, а иногда и проведения целенаправленных экспериментов по их проверке. Реализация других, судя по общему уровню развития науки и техники, могла бы начаться значительно раньше, чем они возникли. Идея использования лазеров и других мощных источников электромагнитного излучения в космических двигательных установках не опередила течения событий и не опоздала. Ее рождение практически совпало с появлением возможностей по проведению работ, направленных на реализацию этой идеи.

Проблема выведения космических аппаратов на орбиту сегодня находится на стыке нескольких областей физики и техники: космические двигатели, лазеры, взаимодействие излучения с веществом, механика, прием и передача мощных пучков электромагнитного излучения и т. д. Каждое из этих направлений науки и техники имеет массу приложений, и поэтому прогресс в развитии идей лазерного выведения определяется не только (а в начальной стадии и не столько) параметрами экспериментальных устройств, но и характеристиками, которыми обладают элементы, входящие в системы другого назначения.

В связи с этим хотелось бы отметить работы, которые в перспективе найдут непосредственное применение в системах с дистанционным снабжением космических аппаратов энергией. Речь дальше пойдет о космических электростанциях. Вопрос о создании спутниковых солнечных электростанций (ССЭ) всерьез стал рассматриваться с начала 70-х годов, когда стало ясно, что имеются серьезные ограничения в возможности удовлетворения энергетических потребностей большинства стран за счет ископаемых источников. Энергетический кризис в западных странах 1973–1974 гг. дал дополнительный импульс к реализации этой проблемы.

По представлениям, которые выработались в процессе обсуждения возможностей создания ССЭ, последние будут представлять собой плоские поля солнечных батарей или других приемников солнечного излучения с площадями сотни квадратных километров, размещенные на геостационарных или высокоэллиптических орбитах и — постоянно ориентированные на Солнце. Часть падающей на приемники солнечной энергии (15–20 %) преобразуется в электрическую. При площади 100 км2 общая электрическая мощность такой электростанции, помещенной на орбиту искусственного спутника Земли, составит 15–20 ГВт, т. е. мощность, которую имеют 4–5 гидроэлектростанций типа Братской. Ожидается, что масса ССЭ будет измеряться десятками тысяч тонн.

Серьезной проблемой является передача энергии, получаемой на ССЭ, потребителям, которые могут находиться на расстояниях до десятков тысяч километров от электростанции. Эффективным и практически единственным средством передачи энергии, получаемой на ССЭ, является передача посредством направленного электромагнитного излучения. Первоначально для этой цели предполагалось использовать СВЧ-систему передачи энергии с длиной волны 10–12 см. Выбор этого диапазона не случаен. Он обладает рядом достоинств, среди которых прозрачность ионосферы и атмосферы для электромагнитных волн (в том числе при облачной погоде и осадках), хорошо развитая техника, способная обеспечить высокий КПД преобразования постоянного электрического тока в энергию СВЧ-излучения и т. д.

Однако для эффективной передачи энергии без потерь на расстояния 40 000 км (т. е. с высокоэллиптической или геостационарной орбиты на Землю) требуются размеры космической передающей антенны 1 км, а наземная приемная антенна должна иметь в поперечнике 10–15 км. В связи с этим все больший интерес проявляется к системам передачи энергии с помощью лазерного излучения.

Если электрическую энергию преобразовать в лазерное излучение, то лазерный передатчик (на длине волны 10,6 мкм) должен иметь передающую антенну диаметром 31 м, а размеры приемной антенны на Земле — 31 × 40,3 м. Лазерная система может передавать энергию не только на Землю, но и на другие спутники, а также обеспечивать энергией двигательные установки самолетов и космических аппаратов. Если для СВЧ-системы максимально допустимый поток энергии не превышает 23 МВт/см2, то для лазерной системы, рассчитанной на мощность 500 МВт, максимальный поток лучистой энергии может достигать 185 Вт/см2 без увеличения потерь на взаимодействие светового пучка с атмосферой.

Одним из возможных вариантов лазерной энергетической системы является запуск ССЭ на низкую околоземную солнечно-синхронную орбиту, последующее преобразование на ее борту солнечной энергии в лазерное излучение, передача последнего на один или два ретрансляционных спутника, находящихся на геостационарной орбите. И наконец, передача с этих спутников лазерного излучения на приемные станции на Земле.

Отметим, что конфигурация энергетической системы с использованием спутников-ретрансляторов возможна только при работе в лазерном диапазоне длин волн. При этом запуск ССЭ на низкую полярную орбиту (а не на стационарную или высокоэллиптическую, как в исходной концепции) позволяет в 6 — 10 раз снизить общую массу грузов, которую необходимо вывести на опорную орбиту для обеспечения создания ССЭ. В целом при использовании ряда перспективных технических решений лазерные энергетические системы вероятно будут обладать серьезными преимуществами перед системами, работающими в СВЧ-диапазоне по массовым характеристикам, по уровню загрязнения окружающей среды и стоимости.