Космические двигатели будущего - Александр Дмитриев

В самом деле, при изменении расстояния от источника энергии до космического аппарата в 2 раза плотность потока мощности меняется в 4 раза. Это означает, что для питания двигательной установки фиксированной мощности необходимо увеличить площадь устройства, принимающего солнечную электромагнитную энергию, также в 4 раза. При полете к дальним планетам, расстояние которых от Солнца во много раз превышает расстояние Земли от Солнца, плотность солнечного излучения становится настолько малой, что использование солнечной энергии вряд ли целесообразно. Но даже те расстояния, на которых применение солнечной энергии оправдано, огромны — сотни миллионов километров (таковы характерные размеры тракта передачи энергии).

В случае использования искусственных источников реализация эффективной передачи энергии на такие расстояния представляется крайне проблематичной. Рассмотрим, например, тракт передачи электромагнитной энергии искусственного источника.

Первое ограничение, которое сразу бросается в глаза, — ограниченная мощность источника. Если общая мощность излучения Солнца на много порядков превышает мощность, необходимую для питания двигательной установки, и не ограничивает ее возможностей, то энергетические характеристики двигательной системы с искусственным источником ограничены мощностью источника и следует стремиться к тому, чтобы как можно большая доля мощности внешнего источника достигала двигателя. Отсюда следует необходимость в высокой эффективности передачи энергии в тракте источник — космический аппарат. В идеале требуется, чтобы вся энергия источника поступала в приемное устройство космического аппарата. Реально это должна быть доля, составляющая по меньшей мере десятки процентов от мощности источника.

Эффективную передачу электромагнитного излучения можно реализовать, сформировав излучение в узкий пучок. Возможность формирования пучка необходимой конфигурации, распространения и приема направленного электромагнитного излучения определяется длиной волны (частотой), размерами излучающей или приемной поверхности, параметрами среды, в которой происходит распространение.

Прием и передача электромагнитных волн. Прием и передача электромагнитных волн производится антеннами. Приемная и передающая антенны имеют много общего, и часто одно и то же устройство используется в качестве и передающей и приемной антенны. Пока речь шла об обычных антеннах, в задачу которых входит либо передача, либо прием и сбор падающей электромагнитной энергии. Однако уже сейчас существуют антенны, принимающие электромагнитную энергию и преобразующие ее в электрическую, — это и солнечные батареи, и устройства, называемые ректеннами, которые предназначены для приема монохроматического излучения в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ-диапазоне) и преобразования его в постоянный электрический ток.

Поэтому в более широком смысле под приемной антенной будем понимать устройство, предназначенное для приема и преобразования энергии электромагнитного излучения в некоторый другой вид энергии. Все такие устройства объединяет ряд общих моментов, в значительной степени влияющих на облик антенны. Прежде всего это касается соотношений между размерами антенны, длинами излучаемых или принимаемых электромагнитных волн, направленностью излучения для передающих антенн или способностью эффективно принимать электромагнитные волны для приемных антенн.

Степень направленности излучения с длиной волны λ, которую можно реализовать с помощью антенны размера D, характеризуется специальной величиной — углом расходимости Θ ~ λ/D. При передаче электромагнитной энергии с высоким коэффициентом направленного действия (с малыми потерями) расходящийся пучок почти целиком попадает на поверхность приемной антенны. Если расстояние между передающей и приемной антеннами велико, требуемый угол расходимости излучения оказывается чрезвычайно малым. Следовательно, размеры антенн, измеренные в единицах длин волн, должны быть значительными.

Например, при использовании электромагнитного излучения с длиной волны 1 см для передачи электромагнитной энергии без значительных потерь на расстояния порядка 1000 км нужны антенны размером 100 м. С точки зрения эффективности передачи выгоднее использовать более короткие длины волн, поскольку расстояние эффективной передачи обратно пропорционально длине волны. Однако уменьшение длины волны, способствуя решению одной проблемы (проблемы расстояния), создает другие. В частности, ужесточаются требования на точность изготовления конструкции, точность наведения, стабилизацию антенн по направлению приема и передачи и т. д. Как всегда в таких случаях, нужен эффективный компромисс между требованиями, налагаемыми решаемой задачей, и технико-экономическими возможностями.

Классификация двигателей с внешними источниками электромагнитного излучения. Гипотетические тяговые системы с внешними источниками электромагнитного излучения весьма разнообразны. Они используют естественные и искусственные источники излучения, а возможный диапазон применяемых длин волн простирается от рентгеновского до СВЧ. Кроме того, в них используются различные способы преобразования энергии излучения в тягу. То обстоятельство, что источник энергии для создания тяги находится вне космического аппарата, существенным образом сказывается на внешнем виде двигательной системы и всего космического аппарата. Непременным атрибутом становится приемная антенна значительных размеров.

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.