/
Автор: Сушков Ю.Н.
Теги: двигатели космические аппараты космическая техника космические корабли серия научно-популярная библиотека
Год: 1962
Текст
КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ
ВОЕННОГО ИЗДАТЕЛЬСТВА
Популярная
Библиотека
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
Кандидат технических наук
Ю. Н, СУШКОВ
ДВИГАТЕЛИ
КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ
ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР
МОСКВА —1962
GT 5.2
С 89
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Брошюра посвящена одной из основных проблем ракетоплава-
ния — двигателям космических кораблей. В ней достаточно полно
описывается устройство ракетных двигателей настоящего и буду-
щего и принципы их работы. При этом автор обращает особое ‘вни-
мание на выяснение физики явлений в двигателях. Популярность
брошюры сочетается с высоким научным уровнем изложения. До-
стоинство брошюры также в четком разграничении проектов сегод-
няшнего дня и проектов далекого будущего, научно-фантастических
предложений.
В брошюре излагаются основы космонавтики и теории реактив-
ного движения. Вначале приводится краткий исторический обзор раз-
вития ракетоплавания в нашей стране, описывается устройство и
применение ракетных двигателей на твердом и жидком топливе.
Затем сообщаются основные сведения по ядерной энергетике и маг-
нитной гидродинамике; показываются перспективы создания атом-
ных, плазменных, термоядерных, ионных ракетных двигателей. Автор
подробно рассказывает о заманчивой идее создания фотонных ра-
кетных двигателей, о проблемах межзвездных полетов с околосве-
товой скоростью, о «замедлении» времени. С материалистических
позиций автор освещает работы по изучению природы тяготения,
рассказывает о возможности получения «невесомого» .вещества, об
увлекательных попытках создания «антигравитационных» летатель-
ных аппаратов. Брошюра написана по материалам, опубликованным
в советской и иностранной печати, и рассчитана на широкий круг
читателей со средним образованием, агитаторов и пропагандистов.
На обложке брошюры художник А. Б. Жук изобразил пример-
ный вид ракет с жидкостно-реактивным, атомным и фотонным дви-
гателями.
ВВЕДЕНИЕ
Еще в древности народы разных стран складывали
мифы и легенды о путешествиях на Луну, к звездам и
даже на Солнце. В этих сказаниях люди отправлялись
в путь на колесницах, запряженных орлами, на драко-
нах и тому подобных «средствах сообщения». Затем
мечту о межпланетных полетах подхватили писатели-
фантасты. В их романах летательными аппаратами ста-
новятся воздушные шары, снаряды, выстреливаемые из
гигантских пушек, корабли, защищенные экранами от
действия силы тяжести, и т. д. Все эти способы осущест-
вления космических полетов слишком далеки от ре-
альности. Только с началом деятельности основополож-
ника реактивного движения К. Э. Циолковского работы
по межпланетным сообщениям были поставлены на на-
учную основу.
В 1903 году в книге «Исследование мировых про-
странств реактивными приборами» К. Э. Циолковский
доказал, что только ракета открывает возможность меж-
планетных перелетов. Работы Циолковского успешно
продолжали другие русские ученые и инженеры. В на-
стоящее время, когда создаются искусственные спутники
Земли и искусственные планеты, советский вымпел до-
ставлен на Луну и сфотографирована ее невидимая
сторона, автоматические межпланетные станции бороз-
дят просторы Вселенной и советские летчики-космо-
навты Ю. А. Гагарин, Г. С. Титов, А. Г. Николаев и
П. Р. Попович проложили первые трассы в космосе, на-
верно, нет сомневающихся в том, что полеты на Луну, на
Венеру, на Марс и другие планеты — дело недалекого бу-
дущего.
Каковы же пути в космос?
1* з
Космические скорости. Вообразим, что на высочай-
шей горе, вершина которой выступает из плотных слоев
атмосферы, установлена пушка (рис. 1). Посмотрим,
какие силы действуют на горизонтально выстреленный
из нее снаряд.
Если бы никакие силы не действовали на снаряд, то
по инерции он летел бы прямолинейно с постоянной
скоростью. Но снаряд будет притягиваться к центру
Земли, сила притяжения искривит его траекторию. При
Рис. 1. Форма траекторий космических снарядов в зависимости
от начальной скорости
этом возникнет сила инерции. Она действует в сторону,
противоположную направлению ускорения снаряда.
Величина ее равна произведению массы тела на уско-
рение, то есть величине действующей на снаряд актив-
ной силы — силы тяжести.
Таким образом, если пренебречь сопротивлением
воздуха, то полет снаряда будет происходить'под дей-
ствием силы притяжения Земли и инерции. Поэтому тра-
4
ектория снаряда полностью определяется его начальной
скоростью.
При малой скорости вылета из пушки снаряд упадет
вблизи от нее. Чем больше начальная скорость, тем
дальше пролетит снаряд. При достаточно большой ско-
рости снаряд вовсе не упадет на Землю. Он будет вра-
щаться вокруг Земли по круговой орбите с постоянной
скоростью, равной начальной, т. е. превратится в искус-
ственный спутник.
Как определить величину этой так называемой «кру-
говой» скорости?
Воспользуемся тем фактом, что сила инерции.в этом
случае является центробежной силой, а сила притяже-
ния снаряда к Земле—центростремительной. Обозна-
чим через Ккр круговую скорость снаряда, т — его мас-
су, R— радиус орбиты снаряда-спутника, g— ускорение
силы тяжести на орбите спутника. Тогда центростреми-
тельная сила, являющаяся силой веса снаряда, выра-
зится по формуле G = mg, а центробежная сила
р т^р
R
Из условия равенства этих сил найдем
Подставив в эту формулу значения ускорения силы тя-
жести на поверхности Земли g0=9,81 м/сек2 и радиуса
земного шара 7?0 = 6 378 000 м, получим величину кру-
говой скорости у поверхности Земли Икр0 = 7912 м/сек.
Эта скорость называется иногда первой космической.
С увеличением радиуса орбиты круговая скорость
уменьшается. На высоте 400 км она становится равной
7675 м/сек, а на высоте 4000 км — уже 6203 м/сек.
А что произойдет, если начальная скорость снаряда
превысит круговую? В этом случае сила притяжения
Земли уже не строго центростремительная. Помимо из-
менения направления скорости она будет изменять и ее
величину. Орбита снаряда-спутника превратится в
.эллипс. При удалении снаряда от Земли сила притяже-
ния уменьшает скорость его полета. А на той половине
эллиптической орбиты, на которой расстояние между
спутником и центром Земли сокращается, скорость воз-
растает.
5
С увеличением начальной скорости эллиптическая
орбита все более вытягивается, и наконец при некоторой
начальной скорости снаряд уже не вернется к Земле.
По параболической траектории он удалится в межпла-
нетное пространство. При старте с поверхности Земли
эта скорость равна 11190 м/сек.
В зависимости от формы траекторий снаряда ско-
рость 11 190 м/сек при старте с поверхности Земли на-
зывается параболической, а скорости, лежащие между
7912 м/сек и 11 190 м/сек, называются эллиптическими.
Методами высшей математики получаем соотношение,
указывающее, что параболическая скорость для любой
высоты над поверхностью Земли точно в 2 раз больше
круговой скорости на той же высоте. Физически вели-
чина параболической скорости определяет собой тот ми-
нимальный запас кинетической энергии снаряда, кото-
рого достаточно, чтобы совершить работу по преодоле-
нию притяжения Земли. Иногда параболическая ско-
рость при старте с поверхности Земли называется вто-
рой космической скоростью.
Если начальная скорость снаряда превысит парабо-
лическую, то он удалится от Земли по гиперболической
траектории. Поэтому скорости, превышающие параболи-
ческую, называются гиперболическими.
Какой будет судьба снаряда, улетевшего от Земли?
Сможет ли он покинуть Солнечную систему?
Да, он улетит из Солнечной системы, если запас ки-
нетической энергии будет достаточным, чтобы преодо-
леть притяжение Земли, а затем и Солнца.
Круговая скорость для Солнца в непосредственной
близости от его поверхности равна примерно 440 км/сек.
Вторая космическая «солнечная» скорость превышает
600 км/сек. На расстоянии, равном среднему радиусу
орбиты Земли, «солнечная» параболическая скорость
равна 42 км/сек. Земля движется вокруг Солнца почти
по круговой орбите со средней скоростью около 30 км/сек.
Если, вырвавшись из сферьи земного притяжения, снаряд
имеет скорость больше 12 км/сек относительно Земли;
совпадающую по направлению со скоростью самой
Земли в ее движении вокруг Солнца, то скорость сна-
ряда относительно Солнца будет равна 42 км/сек и он
сможет покинуть Солнечную систему. Наименьшая на-
6
чальная скорость снаряда относительно Земли, при кото-
рой он может покинуть Солнечную систему, называется
третьей космической. Она равна 16,7 км/сек. Как мы
увидим в главе IV, она далеко не достаточна для меж-
звездных полетов.
Ракета. Итак, чтобы космический корабль смог пре-
одолеть притяжение Земли и отправиться в межпланет-
ное путешествие, он должен получить начальную ско-
рость, не меньшую, чем вторая космическая. Каким же
способом сообщить ему такую скорость?
Сейчас, в эпоху бурного развития космонавтики,
каждый школьник знает, что дорогу в Космос прокла-
дывает ракета.
Удивительное свойство ракеты «выстреливать самой
себя» всегда восхищало людей. Но и в наше время
иногда возникают споры о том, каким путем образуется
сила тяги ракеты. Некоторые полагают, что ракета «от-
талкивается от воздуха» извергаемыми газами и в пу-
стоте лететь не сможет. Другие считают воздушную
среду лишь помехой для полета ракеты и утверждают,
что причина возникновения силы тяги ракеты в реак-
ции струи отбрасываемых ракетой газов. Так, еще в
XIX веке изобретатель военных ракет К. И. Константи-
нов писал: «Ракеты, как снаряд, имеют ту особенность,
что они заключают сами в себе движущую силу, кото-
рая заставляет их двигаться в пространстве: они суть
самодвижители».
Каков же механизм образования реактивной силы,
движущей ракету?
Представьте себе закупоренную с двух сторон проч-
ную трубку (рис. 2,а), внутри которой помещен поро-
ховой заряд. Подожжем порох. Образуется большое ко-
личество газов. Они будут давить во все стороны рав-
номерно, и труба останется неподвижной.
Откроем теперь один конец трубы (рис. 2,6). Сила
давления газов на протйвоположную стенку уже не
будет уравновешена и приведет трубу в движение. В то
же время через открытый конец начнется истечение
газов.
Возникновение неуравновешенной силы всегда свя-
зано с истечением газов./Чем больше количество выте-
кающих газов, чем быстрее они вытекают, тем больше
сила, действующая на закрытый торец трубы. Эта сила
7
является как бы реакцией истекающего газа на его
«изгнание» из трубы, поэтому опа называется реактив-
ной силой.
Аналогичным путем, как результат неуравновешен-
ности сил давления газов, образуется реактивная сила
в любом ракетном двигателе.
а
Рис. 2. Схема возникновения реактивной силы
На рис. 3 приведена упрощенная схема реактивного
снаряда, применявшегося армиями многих стран во вто-
рой мировой войне. В передней части, называемой бое-
Рис. 3. Схема устройства реактивного снаряда:
1 — боевая головка; 2 — ракетный двигатель; <3 — реактивное сопло; 4
хвостовое оперение
8
вой головкой, располагается заряд взрывчатого или за-
жигательного вещества в зависимости от назначения
снаряда. В средней части размещается камера сгора-
ния. Она заполняется порохом — топливом ракетного
двигателя. Хвостовая часть — это реактивное сопло, че-
рез которое вытекают в атмосферу пороховые газы.
Снаружи на хвостовой части располагается оперение —
четыре небольших крылышка, нужных для выдержива-
ния заданного направления полета снаряда.
В момент запуска электрическим запалом поджи-
гается пороховой заряд. Образующиеся газы вытекают
через реактивное сопло. Через несколько мгновений,
когда сила тяги ракетного двигателя станет достаточно
большой, снаряд срывается с удерживающих его зам-
ков, соскальзывает с направляющих рельсов и летит к
цели.
Если бы давление пороховых газов было одинако-
вым во всей камере сгорания, то силу тяги ракетного
двигателя можно было бы определить, умножив давле-
ние газа на разность площадей передней и задней сте-
нок камеры сгорания, т. е. на наименьшую площадь
поперечного сечения реактивного сопла. Однако на са-
мом деле давление газов на заднюю стенку камеры
значительно меньше, чем на переднюю. Ведь на перед-
нюю стенку давит неподвижный газ, а на заднюю — вы-
текающий с большой скоростью через сопло. Потенци-
альная энергия газа, проявляющаяся в давлении, умень-
шается с ростом скорости движения, часть ее переходит
в кинетическую. Кроме того, добавочная тяга образует-
ся за счет давления газов на расширяющуюся часть ре- '
активного сопла.
Чем больше скорость истечения газов, тем больше
разность их давления на переднюю и заднюю стенки,
тем больше реактивная сила. Скорость истечения газов
зависит от многих факторов: давления в камере сгора-
ния, температуры нагрева газов, профиля реактивного
сопла, молекулярного веса газов.
Вычислить силу тяги ракетного двигателя можно и
не зная того, как распределяется давление газов на
стенки камеры сгорания. Для этого нужно воспользо-
ваться простой формулой, выведенной из законов меха-
ники. Обозначим силу тяги ракетного двигателя бук-
вой Р. скорость истечения газов из реактивного сопла w,
9
массу газов, отбрасываемых двигателем в течение се-
кунды, т.
Тогда для случая полного расширения газов, когда
их давление на выходе из реактивного сопла равно ат-
мосферному, справедлива формула
P=^mw,
Из нее видно, что для увеличения силы тяги нужно
стремиться к увеличению скорости истечения газов.
А если уже достигнут ее предел, то повысить силу тяги
можно за счет большего расхода пороха, увеличив раз-
меры ракетного двигателя.
Весь запас топлива в пороховом ракетном двигате-
ле заполняет собой лишь камеру сгорания. Он сгорает
очень быстро, поэтому время работы порохового дви-
гателя обычно измеряется секундами. Однако за эти
секунды реактивный снаряд успевает разогнаться, а за-
тем по инерций летит дальше.
Путь в Космос. В марте 1881 года на одной из на-
бережных Петербурга бомбой, брошенной членом пар-
тии «Народная воля», был убит русский император
Александр II. Начались аресты. Изготовившего бомбу
Николая Ивановича Кибальчича схватили и приговори-
ли к смерти. Находясь перед казнью в заключении в
Петропавловской крепости, он разработал проект лета-
тельного аппарата, пригодного для заатмосферных по-
летов. Основным его звеном являлась пороховая ракета.
Это было первое предложение использовать ракету в
качестве летательного аппарата. Однако проект, похо-
роненный в тайниках царской охранки, увидел свет
лишь после Октябрьской революции.
В 1896 году вышла в свет малоизвестная книжка
А. П. Федорова «Новый принцип воздухоплавания».
Она попала в руки Константина Эдуардовича Циолков-
ского и натолкнула его на мысль заняться серьезными
исследованиями ракетного принципа передвижения в
межпланетном пространстве. Однако и раньше К- Э. Ци-
олковский задумывался над этим вопросом. Еще в
1883 году в работе «Свободное пространство» он отме-
чал, что единственно возможным принципом полета в
межпланетном пространстве является принцип реактив-
ного движения.
10
Громадная заслуга К. Э. Циолковского состоит в
том, что он указал на перспективность жидкостно-реак-
тивного двигателя для космических полетов.
На рис. 4 изображено схематически устройство кос-
мической ракеты, как представлял его себе К- Э. Циол-
ковский. На ракете должны быть баки для горючего —
углеводорода — и для окислителя — жидкого кислорода.
Рис. 4. Космическая ракета по эскизу К. Э. Циолковского
Оба эти компонента насосами С и D подаются в каме-
ру сгорания В. Здесь они смешиваются и воспламеня-
ются. Образовавшиеся горячие газы выбрасываются
через реактивное сопло А. Сила давления газов на по-
верхность камеры сгорания и реактивного сопла обра-
зует силу тяги жидкостно-реактивного двигателя.
В передней части ракеты размещаются люди и необ-
ходимые приборы. За реактивным соплом располагают-
ся взаимно-перпендикулярные пластины — газовые ру-
ли. Они находятся в потоке газов, выходящих из раке-
ты, и поэтому с их помощью можно изменять направле-
ние полета ракеты и в безвоздушном пространстве.
К. Э. Циолковский не был фантазером. Он пони-
мал, что без предварительной подготовки, сопряженной
с большими трудностями, межпланетный полет невоз-
можен. Идея постепенного выхода в Космос пронизы-
вает все работы основателя космонавтики.
Между Землей и Космосом находится атмосфера.
Полет в атмосфере — это первый шаг в Космос. Вот
почему К- Э. Циолковский считал умение летать в атмо-
сфере первым этапом в овладении космическим полетом.
Во времена К- Э. Циолковского не было реактивных
самолетов. Но он предсказал, что на смену поршневой
авиации придут реактивные стратопланы. Высота поле-
та их будет все время увеличиваться. Ракетоплан выле-
11
тит за пределы атмосферы. Затем будут созданы искус-
ственные спутники Земли, отправятся в путь межпла-
нетные корабли. Вот тогда придет время организовать
«колонии в эфире» — так называл К. Э. Циолковский
космические станции-города.
На наших глазах сбываются мечты К- Э. Циолков-
ского. Осуществлены первые космические полеты. Со-
ветская ракета достигла Луны-, автоматическая межпла-
нетная станция сфотографировала ее невидимую сто-
рону.
На заседании Академии наук СССР в марте 1959 го-
да было указано на три главных направления развития
космических полетов в Советском Союзе.
Будут запускаться искусственные спутники Земли.
Они позволят нарисовать точную картину строения
верхних слоев атмосферы, изучить небесные окрестно-
сти нашей планеты. Спутники настолько широко будут
использоваться в будущей практической деятельности
человека, что сейчас это трудно даже вообразить.
Второе направление — изучение и освоение Луны.
Начало этому положено. Решена сложнейшая проблема
достижения Луны. Но остается решить еще несколько
трудных задач. К ним относятся посадка на Луну, об-
ратный старт ракеты, возвращение и посадка на Землю,
наконец, полет человека. А в будущем, может быть,
возникнут на Луне научные станции, снабженные авто-
матической аппаратурой или даже населенные людьми.
Еще более грандиозно третье направление — иссле-
дование околосолнечного .пространства и планет, в пер-
вую очередь Венеры и Марса.
Уже в наши дни можно создать ракету, способную
достичь начальной скорости, необходимой для полета
на ближайшие планеты — Венеру и Марс. Эта скорость
должна несколько превышать вторую космическую. Де-
ло в том, что кроме притяжения Земли ракете, направ-
ленной на Марс, нужно преодолевать также притяже-
ние Солнца. Переход с круговой орбиты Земли на
эллиптическую траекторию полета ракеты к Венере так-
же требует дополнительной затраты энергии.
12 февраля 1961 года советские ученые положили
начало практическим работам по осуществлению меж-
планетных полетов. В этот день начала свой путь к Ве-
нере автоматическая межпланетная станция.
12
Запуск космического аппарата к соседней планете
стал возможным благодаря созданию усовершенство-
ванной многоступенчатой ракеты. Ее мощные двигате-
ли позволили вывести на круговую орбиту тяжелый
спутник, на борту которого находилась управляемая
космическая ракета с автоматической межпланетной
станцией. В заранее рассчитанной точке орбиты ракета
стартовала со спутника и вывела межпланетную стан-
цию на траекторию полета к Венере.
Впервые управляемый космический аппарат был за-
пущен с борта искусственного спутника Земли на меж-
планетную трассу. Этот успех означает, что советские
ученые находятся на правильном пути решения пробле-
мы межпланетных перелетов.
12 апреля 1961 года в Космос поднялся корабль-спут-
ник «Восток-1». Ракета, которая вывела его на орбиту,
имела шесть двигателей общей мощностью 20 000 000 лс.
Корабль пронес вокруг Земли первого космонавта —
гражданина Советского Союза Ю. А. Гагарина. Человек
сделал свой первый шаг во Вселенную. И вслед за ним
Г. С. Титов совершил 17 витков вокруг земного шара,
А. Г. Николаев более 64 витков и П. Р. Попович более
48 витков вокруг земного шара. А. Г. Николаев и
П. Р. Попович совершили первый в мире групповой косми-
ческий полет.
Каковы перспективы космических полетов в далеком
будущем, когда человечество освоит все околосолнечное
пространство?
К. Э. Циолковский был уверен, что наши потомки
расселятся по всему Млечному пути, на планетах дале-
ких от нас звезд.
До сих пор мы упоминали о ракетных двигателях,
работающих на твердом топливе — порохе или на жид-
ком топливе — смеси горючего и окислителя. Такие
двигатели уже устанавливаются на ракетах. В послед-
нее время в печати обсуждается возможность создания
других типов ракетных двигателей: ядерных, ионных,
фотонных. Об особенностях каждого из этих двигателей,
о возможных и наивыгоднейших областях их примене-
ния в космонавтике говорится в последующих главах.
Но прежде всего расскажем о другом двигателе совре-
менных ракет — о жидкостно-реактивном двигателе.
Глава I
ЖИДКОСТНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЖРД)
Страницы истории. Первая работа К. Э. Циолковско-
го по реактивной технике увидела свет в 1903 году.
Однако почти -тридцать лет потребовалось, чтобы во-
плотить в металл высказанные гениальным ученым
идеи, и первая ракета с ЖРД взлетела >в воздух. Это
объясняется необходимостью чрезвычайно высокой
концентрации выделения энергии в камере сгорания
ЖРД, сложностью протекающих в ней физико-химиче-
ских процессов.
Когда развитие науки и производства достигло до-
статочно высокого уровня, началось все ускоряющееся
победное шествие ракетной техники. Блестящими дости-
жениями явились запуск искусственных спутников Зем-
ли, «лунников», космических кораблей и ракеты к пла-
нете Венера.
Труды К. Э. Циолковского послужили толчком к на-
чалу теоретических и практических исследований по
ракетостроению в разных странах мира. Так, во Фран-
ции начиная с 1913 года появляются работы Р. Эно-
Пельтри» посвященные вопросам космического ракетного
полета. Американский ученый Р. Годдард в 1914 году
начал практическое изучение ракет сначала с порохо-
вым, а затем и с жидкостно-реактивным двигателем.
В 1929 году он впервые запустил ракету, двигатель ко-
торой работал на жидком топливе.
Известны имена немецких исследователей Г. Оберта,
М. Валье, В. Гомана, Е.. З.енгера, В. Брауна. Резуль-
татом их работы явилась выпускавшаяся серийно ракета
«Фау-2». Она использовалась немцами для бомбарди-
14
ровки Лондона, а затем послужила прототипом для мно-
гих американских ракет.
Расскажем несколько подробнее о советских энтузи-
астах ракетостроения.
Активное участие в пропаганде идей К. Э. Циолков-
ского принимал инженер Ф. А. Цандер. Он внес ценный
вклад в развитие космонавтики. Например, предложил
использовать в качестве горючего металлические части
ракеты, становившиеся ненужными после выработки
определенного количества жидкого топлива. Ф. А. Цан-
дер разработал метод теплового расчета процессов сго-
рания топлива и истечения продуктов сгорания с уче-
том диссоциации молекул. Он также предложил способ
оценки экономичности ЖРД и методы ее улучшения,
создал способы расчета температуры стенки камеры
сгорания ЖРД и ее охлаждения.
Ф. А. Цандер построил два опытных ракетных дви-
гателя: в 1930—1931 годах — ОР-1 и в 1932 году —
ОР-2. Двигатель ОР-1 развивал тягу до 5 кг. Он рабо-
тал на бензине и сжатом воздухе, то есть был воздушно-
реактивным.
Двигатель ОР-2 был более мощным. Его тяга дости-
гала 50 кг. Топливом был по-прежнему бензин, а окис-
лителем служил жидкий кислород. Последний приме-
нялся попутно для охлаждения камеры сгорания дви-
гателя.
В 1929 году вышла книга Ю. В. Кондратюка «Завое-
вание межпланетных пространств», основные разделы
которой были написаны еще в 1916 году. Ю. В. Кондра-
тюк лишь в 1925 году познакомился с трудами
К. Э. Циолковского, поэтому частично он повторяет идеи
основателя космонавтики. Однако Ю. В. Кондратюку
принадлежит постановка и решение ряда новых вопро-
сов. Так, он предложил в качестве горючих применять
вместо жидких углеводородов высококалорийные метал-
лы: литий, бор и его соединения с водородом. Ю. В. Кон-
дратюк исследовал вопросы нагрева ракеты при дви-
жении ее в воздухе, применения крыльев для взлета.
Советские энтузиасты ракетостроения в период с
1930 по 1936 год создали целое семейство жидкостно-
реактивных двигателей ОРМ (опытный ракетный мо-
тор). Первый из этих двигателей работал на смеси го-
рючего — толуола и окислителя — четырехокиси азота.
15
В 1933 году был создан двигатель ОРМ-52, работав-
ший на смеси керосина и азотной кислоты. Он развивал
очень большую по тому времени тягу — 300 кг.
Двигатель ОРМ-65 с максимальной тягой в 175 кг
устанавливался на одном из первых советских ракето-
планеров. Этот планер, показанный на рис. 5, забукси-
ровывался в воздух самолетом. В полете включался ра-
кетный двигатель.
Рис. 5. Один из первых советских ракетапланеров с
двигателем ОРМ-65
В 1933 году была запущена в воздух одна из первых
советских ракет. Двигатель этой ракеты работал на
твердом бензине, помещенном прямо в камеру сгорания,
и на жидком кислороде, который испарялся при нагре-
вании его продуктами сгорания.
Жидкостно-реактивный двигатель был установлен
на советском самолете еще в 1942 году. Летчик
Г. Я. Бахчиванджи совершал на нем успешные полеты.
Даже этот краткий и неполный обзор показывает,
что грандиозные успехи советских ракетостроителей не
случайны. Они базируются на глубоких и серьезных ис-
следованиях советских пионеров космонавтики.
Устройство современного ЖРД. Основным агрегатом
ЖРД является камера сгорания, переходящая в реак-
тивное сопло. Здесь протекает рабочий процесс ЖРД —
превращение химической энергии топлива в тепловую и
затем в кинетическую энергию струи вытекающих га-
зов. Здесь возникает реактивная сила.
16
На рис. 6 изображен разрез камеры сгорания немец-
кого ЖРД Вальтер. Обратим внимание на некоторые
особенности ее конструкции.
Камера сгорания почти всех современных ЖРД
имеет две оболочки — внутреннюю и внешнюю; у каж-
дой из них свое назначение. Температура газов в каме-
ре сгорания достигает нескольких тысяч градусов, дав-
ление измеряется десятками атмосфер. Значит, стенка
камеры сгорания должна, во-первых, выдерживать
очень высокую температуру и, во-вторых, должна быть
Внешняя
оболочка
Отвод охлаж-
дающего
компонента
Обойма
сопла
Отвод охлаж-
дающего
компонента
Подвод охлаж-
дающего
компонента
Полость
йНЛажденсл
внутренняя
оболочка
Рис. 6. Камера сгорания и реактивное сопло жидкостно-реактивного
двигателя
прочной и не разрушаться под действием давления
газов.
Самые высококачественные металлические сплавы
при нагревании выше определенной температуры те-
ряют свою прочность. Поэтому горячая стенка камеры
сгорания оказывается недостаточно прочной. И тут ей
на помощь приходит вторая стенка — наружная, отде-
ленная от внутренней слоем охлаждающей жидкости.
Температура наружной оболочки невысока, и ее ма-
териал полностью сохраняет прочность. Внутренняя
оболочка изготовляется из жаростойкого сплава, спо-
собного выдерживать, не окисляясь, воздействие горя-
2 Ю, Н. Сушквв
17
чих газов. Между стенками имеются перегородки — рас-
порки. Они распределяют силу давления газов и ох-
лаждающей жидкости между внутренней и наружной
стенками.
Камеры сгорания ЖРД по форме разделяются на
три типа: шаровые, цилиндрические, конические
(см. рис. 7). Известно, что при одинаковом объеме шар
имеет наименьшую поверхность
по сравнению с другими геомет-
рическими фигурами. Поэтому
вес шаровой камеры сгорания по-
лучается наименьшим. Такие ка-
меры, по иностранным данным,
обычно применяются для ЖРД,
развивающих очень большие тяги
и имеющих большие камеры сго-
рания. При этом достигается зна-
чительная экономия в весе.
Цилиндрические камеры проще
в изготовлении. Зарубежные кон-
структоры применяют их в двига-
телях малой и средней тяги, когда
экономия в весе за счет перехода
на шаровую камеру была бы не-
велика, а усложнение производст-
ва двигателя оказалось бы значи-
тельным.
Иногда для двигателей больших тяг применяют ко-
ническую камеру сгорания с плоской передней стенкой.
Такая камера наиболее проста с технологической точки
зрения. В ней отсутствует криволинейный участок, ко-
торым начинается реактивное сопло в шаровой и цилин-
дрической камерах сгорания. Однако в такой камере
ухудшаются условия сгорания топлива.
Камера сгорания переходит в реактивное сопло. Про-
филь сопла выбирается такой, чтобы скорость истечения
газов -была наибольшей. Этим обеспечивается макси-
мально' возможная сила тяги ЖРД. Иногда камера сго-
рания и реактивное сопло объединяются одним назва-
нием «камера ЖРД». Это объясняется тем, что камера
сгорания и реактивное сопло обычно выполняются как
одно целое.
Спереди к камере сгорания крепится головка с раз-
Рис. 7. Формы камер
сгорания:
1 — шаровая; 2 — цилиндри-
ческая; 3 — коническая
18
метенными в ней форсунками, через которые подаются
горючее и окислитель. Чтобы происходило быстрое и
полное сгорание, горючее и окислитель должны быть
сильно распыленьи. А для этого их нужно подавать к
форсункам под высоким давлением, превышающим дав-
ление газов в камере сгорания.
Наиболее проста баллонная система подачи топлива
в камеру сгорания. Схема ее устройства изображена на
рис. В. Работает она следующим образом.
Рис. 8. Схема баллонной системы подачи топлива в камеру сгорания
ЖРД:
1 — баллон со сжатым газом; 2 — редуктор; 3 — баллон с горючим; 4 — бал-
лон с окислителем; 5 — краны, регулирующие подачу горючего и окислителя
в камеру сгорания; 6 — камера сгорания
Сжатый газ из баллона через редуктор, понижающий
его давление до рабочего, поступает в баллоны с горю-
чим и окислителем. Как только крань» (5) будут откры-
ты, горючее и окислитель начнут поступать в камеру
сгорания.
Баллонную систему подачи применяют в двигателях
с малой тягой или малой продолжительностью работы,
когда размеры топливных баков невелики. Баки же
больших размеров, рассчитанные на высокое давление
газа, будут чрезмерно тяжелыми. В ЖРД с большими
тягами обычно применяется турбонасосная система по-
дачи, схема устройства которой приведена на рис. 9.
Горючее и окислитель в этом случае подаются в ка-
меру сгорания центробежными насосами. Для привода
насосов используется обычно газовая турбина, рабо-
тающая на так называемом парогазе. Парогаз полу-
чается в генераторе при разложении концентрированной
перекиси водорода на воду и кислород под действием
катализатора. Выделяющееся в ходе этой реакции тепло
2*
19
превращает воду в перегретый пар с температурой
500—700° С, смесь которого с кислородом и называется
парогазом.
Рис. 9. Схема турбонасосной системы подачи топлива в ка-
меру сгорания ЖРД:
1 — бак с горючим; 2 бак с окислителем; 3 — бак с перекисью во-
дорода; 4, 5, 6—насосы; 7 — парогазогенератор; 8—газовая турбина;
9. 10, И — краны; 12 — камера сгорания; 13 — выход газов из турбины
Обычно все насосы объединяются с газовой турбиной
в один узел, который называется турбонасосным агре-
гатом. На рис. 10 изображен турбонасосный агрегат не-
Г уDОппа
Рис. 10. Разрез турбонасосного агрегата ЖРД
20
мецкого ЖРД. Вальтер с тягой 1700 кг. В нем отсут-
ствует отдельный насос для перекиси водорода, так как
она является окислителем в ЖРД и подается основным
насосом и в камеру сгорания, и в парогазогенератор.
Впрыскиваемые в камеру сгорания горючее и окис-
литель распыляются форсунками, капельки испаряются.
Образовавшаяся смесь воспламеняется, и продукты сго-
рания вытекают через реактивное сопло. Весь этот про-
цесс занимает лишь несколько тысячный долей секунды.
В течение секунды в каждом литре объема камеры
сгорания выделяется до 4700 ккал тепла — примерно в
300 раз больше, чем в топке паровоза, и в 150 раз боль-
ше, чем в цилиндрах поршневого авиационного двига-
теля. Тепла, выделяемого в камере сгорания крупного
ЖРД, достаточно, чтобы за секунду вскипятить несколь-
ко бочек воды. Эти примеры показывают, насколько слож-
на проблема надежного охлаждения камеры сгорания
ЖРД. Как же она решается?
Прежде всего нужно изолировать стенки камеры сго-
рания от контакта с раскаленными газами. Это делается
с помощью внутреннего охлаждения. Через целый ряд
отверстий, расположенный по окружности камеры сго-
рания, внутрь ее подается охлаждающая жидкость,
обычно либо горючее, либо окислитель. Эта жидкость
растекается пленкой по всей камере сгорания. Испа-
ряясь, она образует паровой слой, который защищает
стенки камерьи сгорания от соприкосновения с горячими
газами. Таким путем уменьшается отдача тепла продук-
тами сгорания стенкам камеры. Для увеличения эффек-
тивности внутреннего, или, как его иногда называют,
пленочного, охлаждения иногда охлаждающая жидкость
подводится через несколько рядов отверстий.
Но все-таки большая доля тепла проникает к внут-
ренней стенке камеры сгорания. Поэтому ее нужно ох-
лаждать еще и снаружи. Как мы уже знаем, поток
охлаждающей жидкости проходит между внутренней и
наружной стенками камеры сгорания. В большинстве
случаев в качестве охладителя используется, как и для
внутреннего охлаждения, либо горючее, либо окисли-
тель. В этом случае отведенное тепло возвращается
опять в камеру сгорания.
В ряде опубликованный иностранный проектов ох-
лаждение камеры сгорания ЖРД производится водой.
21
Отнимая тепло от внутренней стенки, вода нагревается и
затем впрыскивается внутрь камеры, сгорания.
Мы рассмотрели основные элементы! конструкции
ЖРД. Теперь остановимся на применяемых в них топ-
ливах.
Топлива ЖРД. Обычно термином «топливо» ракет-
ного двигателя обозначают вещество или смесь веществ,
в которых заключен запас химической энергии, превра-
щающийся в камере сгорания в тепловую энергию. Наи-
более широко применяются в настоящее время топлива
ЖРД, состоящие из двух компонентов: горючего и окис-
лителя. Эти компоненты хранятся в отдельных баках и
смешиваются только в камере сгорания. Но иногда ис-
пользуются унитарные топлива. Они состоят лишь из
одного компонента, в составе которого имеется и горю-
чее, и окислитель; поэтому их другое название — жидкие
пороха.
Унитарные топлива позволяют упростить конструк-
цию ЖРД. В случае их применения нужен лишь один
бак, лишь один насос, вместо раздельных баков и насо-
сов для горючего и окислителя. Однако> существенный
недостаток большинства унитарных топлив — взрыво-
опасность, возможность проникновения пламени из ка-
меры в топливный бак — ограничивает их применение.
К унитарным топливам следует отнести упоминав-
шуюся нами перекись водорода, которая может исполь-
зоваться не только для работы турбиньи турбонасосного
агрегата, но и для создания силы тяги в ракетном дви-
гателе. Ее крупным недостатком, по мнению иностран-
ных ученых, является низкая температура образующе-
гося парогаза по сравнению с температурой продуктов
сгорания двухкомпонентных топлив или жидких поро-
хов.
В табл. 1, составленной по сведениям иностранной пе-
чати, приведены некоторые данные двухкомпонентных
топлив ЖРД. В первых двух колонках указаны, компо-
ненты топлива. Третья колонка дает удельный вес топ-
лива. Это одна из важных характеристик. Чем больше
удельный вес топлива, тем меньший объем занимает
необходимый для взлета ракеты запас его, тем меньше
потребный объем баков, а значит, и их вес. Следова-
тельно, чтобы иметь возможно более легкую конструк-
22
цию ракеты, нужно применять- топливо с большим удель-
ным весом.
Теплотворная способность, данные о которой приве-
дены в четвертой колонке, характеризует энергетические
возможности топлива. Она показывает, какое количе-
ство тепла выделяется при сгорании килограмма топ-
лива. Чем больше теплотворная способность при при-
мерно одинаковой теплоемкости, тем сильнее, как видно
из следующей колонки, нагреваются продукты сгорания.
В предпоследней колонке приведены значения удель-
ной тяги ЖРД, у которого давление в камере сгорания
Таблица 1
Компоненты топлива Удельный вес топлива, кг/л Теплотвор- ная способ- ность топ- лива, ккал/кг Температура горения, 0 С Удельная тяга, кг/кг/сек Примечание
окислитель горючее
Жидкий Керосин 1,04 2280 3200 255 —
кислород
Жидкий кислород Этиловый спирт 95% Вода 5<>/о 0,99 1960 2900 240
Азотная Керосин 1,34 1440 2700 220 —1
кислота
Азотная кислота Ксилидин 50% Триэтиламин 50% 1,33 1360 2700 215 Самовос- пламеняю- щееся
Перекись водорода 87о/о Вода 13»/о Метиловый спирт 57% Гидразингид- рат 30% Вода 13% 1,21 1040 2100 210 То же
поддерживается на уровне 20 атм, а истечение продук-
тов сгорания происходит в атмосферу на уровне моря.
Удельная тяга — это тяга, приходящаяся на каждый
килограмм ежесекундно расходуемого двигателем топ-
лива. Чем совершеннее двигатель, тем выше удельная
-тяга, тем меньше расход топлива в двигателе с задан-
ной тягой. Это значит, что имеющегося запаса топлива
хватит на более долгое время и ракета получит боль-
шую скорость. Поэтому выгодно применять топлива,
обеспечивающие высокую удельную тягу ЖРД.
23
Удельная тяга ЖРД полностью определяется ско-
ростью истечения газов из реактивного сопла. Послед-
няя зависит, в частности, от температуры! горения и со-
става продуктов сгорания. Чем выше температура газов,
чем меньше их молекулярный вес, тем быстрее они выте-
кают из сопла двигателя.
В состав продуктов сгорания обьичных топлив, как
правило, входят соединения следующих элементов: во-
дорода, углерода, кислорода, азота. Поэтому молеку-
лярный вес продуктов сгорания колеблется в довольно
узких пределах. Этим объясняется тот факт, что чем
выше теплотворная способность топлива, тем выше тем-
пература горения, больше удельная тяга. Таким обра-
зом, если мы хотим иметь большую тягу двигателя при
малом расходе топлива, то нужно' выбирать топливо с
наибольшей теплотворной способностью, или, как иног-
да говорят, наиболее «калорийное» топливо.
Является ли керосино-кислородное топливо, стоящее
в табл. 1 на первом месте, самым калорийным? Нет,
водород, сгорая в кислороде, выделяет 3120 ккал на ки-
лограмм топлива, т. е. на 40% больше. Однако удель-
ный вес жидкого водорода, равный лишь 0,07 кг)л, на-
столько мал, что для размещения запаса его на ракете
требуются громадные баки.
По мнению иностранных специалистов, большие пер-
спективы может открыть применение металлических
горючих. Сжигание некоторых металлов, таких, как ли-
тий, бор, или их соединений может дать очень большой
тепловой эффект, доходящий до 3500—4000 ккал на ки-
лограмм топлива. Например, топливо, состоящее из
пентаборана (соединения бора с водородом) и жидкого
кислорода, имеет очень высокую теплотворную способ-
ность. Увеличение калорийности топлива может быть
достигнуто не только за счет горючего, но и за
счет окислителя. Так, озон, молекулы которого состоят
из трех атомов кислорода, является более выгодным
окислителем, чем кислород. В то время как топливо из
толуола и кислорода имеет теплотворную способность
2300 ккал/кг, калорийность топлива из толуола и озона
равна 2800 ккал!кг.
В последние годы в иностранной печати стали появ-
ляться высказывания о возможности использования
атомарного топлива. Реакции воссоединения атомов не-
24
которых газов в молекулы дают наибольший тепловой
эффект из всех известных химических реакций. При ре-
акции О-брдшавания молекул-азота из атомов, выделяется
9200 ккал!кг. Тепловой эффект реакции воссоединения
атомарного водорода еще больше: он равен
50 4Q0 ккал/кг.
Однако практически применить атомарное топливо
в ЖРД невозможно до тех пор, пока не будет найден
надежный способ хранения веществ в атомарном состоя-
нии.
О перспективах и возможностях использования в ра-
кетном двигателе ядерньих горючих будет рассказано во
II главе.
Преобразование энергии топлива. Не вся энергия,
заключенная в топливе, идет на движение р.акеты.
Часть ее бесполезно теряется. Рассмотрим последова-
тельно, как преобразуется и куда расходуется энергия в
ЖРД.
В процессе сгорания химическая энергия топлива
переходит в тепловую, в энергию хаотического движе-
ния молекул газа. Однако уже на этой стадии неболь-
шая часть энергии теряется из-за неполноты сгорания,
так как достигнуть полного перемешивания горюче-
го и окислителя, несмотря на непрерывное совершенст-
вование форсунок, еще не удается.
Примерно 1—2% выделяющегося тепла уходят че-
рез стенки камеры сгорания и реактивного сопла в
охлаждающую жидкость. На первый взгляд кажется,
что это немного. Но тепла в камере сгорания крупного
ЖРД выделяется столько, что и одним процентом мож-
но было бы за секунду вскипятить ведро воды. Поэтому
малейшая ошибка в расчете системы охлаждения при-
ведет к быстрому прогару камеры сгорания и разруше-
нию двигателя.
Как правило, охлаждение двигателя производится
одним из компонентов топлива. В этих случаях тепло,
уходящее из камеры сгорания через стенки, почти пол-
ностью возвращается в нее с нагретым топливом.
Тяга ракетного двигателя возникает вследствие дав-
ления газов на стенки камеры сгорания и реактивного
сопла. Чем больше давление газа, тем больше будет
сила тяги ракетного двигателя. Но одновременно уве-
25
дичится и скорость истечения продуктов сгорания из
двигателя.
Из приведенной в I главе формулы видно, что сила
тяги ракетного двигателя зависит не только от скорости
истечения газов, но и от расхода топлива. Двигатель
больших размеров, в котором расходуется много топ-
лива, может развивать большую тягу и при сравни-
тельно небольшой скорости истечения газов. Совершен-
ство двигателя и качество применяемого топлива, как
мы уже указывали, оценивается удельной тягой. Чис-
ленно величина удельной тяги равна скорости истече-
ния газов из реактивного сопла, деленной на ускорение
свободно падающего тела.
Силу тяги ракетного двигателя легко определить,
умножая его удельную тягу на расход топлива. Чем
больше удельная тяга, тем меньше может быть расход
топлива для обеспечения заданной тяги двигателя.
Мы пришли к выводу, что истекающие из двигателя
газы выгодно разогнать как можно быстрее. В процессе
разгона в реактивном сопле тепловая энергия продук-
тов сгорания превращается в кинетическую энергию
струи вытекающих газов. Чем большая доля тепла,
выделившегося при сгорании топлива, превратится в
кинетическую энергию, тем больше будет скорость исте-
чения газов, тем больше удельная тяга двигателя. Фи-
зически это объясняется в основном возрастанием раз-
ности давлений газов на переднюю и заднюю стенки
камеры сгорания при увеличении скорости их движения.
Обычно в реактивных двигателях лишь 40—70% вы-
делившегося в камере сгорания тепла превращается в
кинетическую энергию струи газов. Остальное тепло
уносится вместе с газами, покидающими реактивное
сопло с температурой порядка 1500—2500° С.
Для того чтобы как можно больше тепла превра-
тить в кинетическую энергию, и применяются реактив-
ные сопла. Если профиль реактивного сопла рассчитан
так, что выходящие из него газы имеют давление, рав-
ное давлению окружающего ракету воздуха, то удель-
ная тяга двигателя получается наибольшей.
Совершенство ракетного двигателя как тепловой ма-
шины оценивается внутренним коэффициентом полез-
ного действия. Он представляет собой отношение кине-
тической энергии струи вытекающих из реактивного
26
сопла газов к химической энергии израсходованного
топлива.
Этот коэффициент, однако, не указывает, насколько
производительно расходуется энергия топлива. Так,
ракета может быть укреплена на испытательном стенде
неподвижно. В этом случае сила тяги ракетного двига-
теля не будет производить работы по перемещению ра-
кеты. Чтобы учесть эту особенность ракетного двигателя,
вводится тяговый коэффициент полезного действия. Он
показывает, какая доля выработанной в ракетном дви-
гателе механической энергии, т. е. кинетической энергии
реактивной струи, превращается в полезную работу,
заключающуюся в передвижении ракеты.
Тяговый коэффициент полезного действия ракетного
двигателя равен единице в том случае, когда ракета ле-
тит со скоростью, равной скорости истечения газов. При
этом выброшенные из ракеты газы неподвижны отно-
сительно Земли, а вся их кинетическая энергия пере-
дана ракете.
Когда скорость ракеты не равна скорости истечения
газов, последние движутся по отношению к Земле и,
следовательно, обладают некоторым остатком кинети-
ческой энергии. На перемещение ракеты тратится уже
не вся выработанная в двигателе механическая энер-
гия. Тяговый коэффициент снижается, и тем сильнее,
чем больше скорость полета ракеты отличается от ско-
рости истечения газов из нее.
Кроме рассмотренных нами внутреннего и тягового
применяется также полный коэффициент полезного дей-
ствия ракетного двигателя. Он показывает, какая доля
энергии топлива расходуется на перемещение ракеты.
При этом учитывается не только химическая, но и ки-
нетическая энергия топлива.
Интересно заметить, что на реактивном самолете,
летящем со скоростью звука, кинетическая энергия топ-
лива составляет около 1% всей его энергии. В то же
время химическая и кинетическая энергия топлива ра-
кеты сравниваются при скорости ее полета порядка
3 км/сек.
Полный., коэффициент полезного действия ракетного
двигателя характеризует экономичность полета ракеты.
Оказывается, что он может быть больше внутреннего.
Этот парадоксальный на первый взгляд результат объ-
27
ясняется тем, чю на очень больших скоростях полета
кинетическая энергия топлива, величина которой не за-
висит от совершенства двигателя, превышает его хими-
ческую энергию и играет важную роль в перемещении
ракеты. Теоретическое исследование показывает, что
максимального значения полный коэффициент полезного
действия ракетного двигателя достигает на скорости по-
лета, .превышающей скорость истечения газов.
Два пути к космическим скоростям. Жидкостно-реак-
тивный двигатель современных ракет работает лишь не-
сколько минут и за это время разгоняет ракету. От чего
же зависит скорость, приобретенная ракетой в процессе
разгона?
К. Э. Циолковский рассматривал подобную задачу
сначала в наиболее простом варианте. Он предположил,
что ракета движется в безвоздушном пространстве и
на нее не действуют силы тяготения. Для этого случая
конечная скорость ракеты определяется формулой, ко-
торая получила имя К- Э. Циолковского,
V = 2,3wlgZ.
В ней V обозначает скорость ракеты, неподвижной
до начала работы двигателя, w — скорость истечения
газов из реактивного сопла двигателя, Z — число Циол-
ковского, показывающее, во сколько раз начальный вес
ракеты больше ее веса после выгорания топлива.
Формула Циолковского показывает, что для увели-
чения скорости полета ракеты есть лишь два пути. Пер-
вый состоит в том, чтобы увеличивать скорость истече-
ния газов, совершенствуя ракетный двигатель, применяя
более подходящие топлива. Второй путь — иметь на ра-
кете как можно больший запас топлива. В этом случае
будет большим число Циолковского. На рис. 11 приве-
дены! графики, показывающие, как зависит скорость,
приобретаемая ракетой, от числа Циолковского при
различных скоростях истечения газов из сопла дви-
гателя.
В настоящее время в иностранных жидкостно-реак-
тивных двигателях скорость истечения газов примерно
равна 2500 м1сек. Это значит, что даже для приобрете-
ния ракетой первой космической скорости число
Циолковского должно превышать 25. В современных же
ракетах на полю жидкого топлива удается отвести около
28
85% веса ракеты, что соответствует числу Циолковского
немногим больше 6 и явно недостаточно для разгона
ракеты до первой космической скорости.
Как же отправить ракету в космический рейс, исполь-
зуя современные топлива?
Один из возможных способов указал К- Э. Циолков-
Рис. И. Зависимость скорости ракеты от
числа Циолковского при различных ско-
ростях истечения газов из сопла ракет-
ного двигателя
ский в своей работе «Космические ракетные поезда».
Он предложил отправлять в полет не одну ракету, а
целый космический поезд. В нем все ракеты, кроме од-
ной, будут как бьи «летающими цистернами» с топливом
для той последней ракеты, которая сможет разогнаться
до космической скорости. Эта идея К. Э. Циолковского
нашла свое воплощение в многоступенчатых ракетах,
применяемых сейчас для запуска искусственных спут-
ников Земли и межпланетных ракет.
Схема одного из возможных вариантов устройства
трехступенчатой ракеты! изображена на рис. 12. Первая
29
ступень имеет жидкостно-реактивный двигатель с на-
сосной подачей горючего и окислителя. Он разгоняет
ракету до скорости порядка 2 км/сек.
После выработки топлива из баков пер-
вой ступени она отделяется, а в работу
включается жидкостно-реактивный дви-
гатель второй ступени, являющейся как
бы полезной нагрузкой для первой сту-
пени.
Во второй ступени ракеты применена
баллонная система подачи топлива.
В головной части второй ступени распо-
лагается ее полезная нагрузка — третья
ступень ракеты. После выработки топ-
лива из баков второй ступени ракета
имеет скорость порядка 5 км/сек. В этот
момент вторая ступень отделяется от
третьей и падает. Затем включается по-
роховой ракетный двигатель, который
разгоняет третью ступень до первой
космической скорости. После этого от
третьей ступени отделяется, например с
помощью порохового заряда, искус-
ственный спутник Земли. Такой ракетой
был запущен один из первых американ-
ских спутников.
Приведенная формула Циолковского
не учитывает влияния тяготения и со-
противления воздуха на скорость полета
ракеты, стартовавшей с поверхности
Земли. Однако это влияние может быть,
как показывает сам К. Э. Циолковский,
/2
довольно существенным.
В самом деле, ракета, находящаяся
в среде без тяжести, может разгоняться
Рис. 12. Примерная схема устройства трехсту-
пенчатой ракеты:
1, 2, 3 — первая, вторая и третья ступени ракеты;
4— полезный груз (спутник); 5 — пороховой ракетный
двигатель третьей ступени; 6 — система управления,
7—бак со сжатым газом; 8— бак с окислителем,
9 — бак с топливом; 10 — жидкостно-реактивный двига-
тель; 11 — реактивное сопло; 12 — турбонасосный агрегат
30
с любым ускорением. При старте с Земли двигатель
ракеты должен развивать такую тягу, чтобы ускорение
ракеты в среде без тяжести превышало бы ускорение
свободно падающего тела. В противном случае ракета
не оторвется от поверхности Земли, так как она будет
быстрее «падать» на нее, чем «взлетать». Другими сло-
вами, сила тяги двигателя должна обязательно превы-
шать вес ракеты. И чем больше это превышение, тем
меньше будет расход топлива на преодоление притяже-
ния Земли.
Интересны подсчеты французского инженера Р. Эно-
Пельтри, иллюстрирующие уменьшение затрат топлива
на вылет за пределы тяготения Земли при увеличении
ускорения ракеты.
При скорости истечения газов из реактивного сопла
двигателя, равной 2000 м/сек, и ускорении ракеты, пре-
вышающем ускорение свободно падающего тела на 10%,
вес топлива должен быть в 143 000 раз больше веса ее
конструкции и полезной нагрузки. Если же ускорение
ракетьп будет в 2 раза больше ускорения свободно па-
дающего тела, то топлива потребуется в 91 раз меньше,
чем в предыдущем случае. Когда ускорение ракеты пре-
восходит ускорение свободно падающего тела в 10 раз,
то на каждым килограмм веса ракеты, преодолевшей
силу притяжения Земли, нужно израсходовать 360 кг
топлива.
С увеличением скорости истечения газов из сопла
двигателя требуемое соотношение между весом топлива
и конечным весом ракетьп уменьшается. Так, при ско-
рости истечения газов, равной 4000 м/сек, и ускорении
ракеты, на 10% превосходящем ускорение свободно па-
дающего тела, вес топлива в 378 раз должен превышать
конечный вес ракеты. Если же ускорение ракеты будет
в 10 раз больше ускорения свободно падающего тела,
то на килограмм конечного веса ракетьп нужно иметь
для преодоления силы притяжения Земли меньше 19 кг
топлива.
Из полученной К. 9. Циолковским формулы для ско-
рости ракеты, которую она приобретет после выгорания
всего запаса топлива в поле тяготения Земли, следует
интересный вывод. Если сжечь все топливо мгновенно,
то ускорение при этом будет бесконечно большим. Ско-
рость мгновенно достигнет своего конечного значения и,
31
оказывается, будет такой же, как и в среде без тя-
жести.
Этот факт легко объяснить. Действительно, работа по
преодолению силы тяжести равна произведению веса
ракетьи на высоту подъема. При мгновенном разгоне пе-
ремещение ракеты за время набирания скорости будет
разно нулю. Следовательно, и работа по преодолению
силы тяготения равна нулю, а вся энергия топлива идет
на разгон ракеты. Дальнейший полет будет происходить
с уменьшением скорости, так как сила тяжести будет
преодолеваться за счет кинетической энергии Мгновенно
разогнанной ракеты.
Таким образом, при мгновенном разгоне ракеты энер-
гия топлива моментально превращается в кинетическую
энергию движения ракеты, которая затем расходуется
на преодоление притяжения Земли. При постепенном
разгоне ракетьи сила тяги ее двигателя непосредственно
совершает работу по преодолению тяготения. В чем же
выгода мгновенного разгона?
Чем больше ускорение ракетьи, т. е. чем быстрее сго-
рает топливо, тем меньшая работа затрачивается на
подъем над Землей еще не успевшего сгореть топлива.
При мгновенном сгорании топлива работа по преодоле-
нию его притяжения к Земле вообще равна нулю, так
как все оно сгорает еще в момент отрыва ракеты от
Земли. Именно в этом состоит основное преимущество
мгновенного разгона ракеты.
Очевидно, что не только мгновенный, но и очень бы-
стрый разгон ракетьи осуществить невозможно, так как
возникающие при этом чрезвычайно большие силы инер-
ции разрушат все приборы внутри ракеты, приведут к
гибели экипажа. Кроме того, полет в пределах атмос-
феры с космической скоростью невозможен. Во избежа-
ние перегрева ракеты она должна проходить плотные
слои атмосферы! со сравнительно небольшой скоростью.
Практически ускорение космических ракет в несколь-
ко раз превышает ускорение свободно' падающего тела.
При этом ракета развивает громадную скорость на -вы-
соте в несколько десятков километров, где плотность
воздуха весьма мала и нагрев ракеты невелик.
Двигатель управляет ракетой. Траектория современ-
ной космической ракеты состоит из двух участков: ак-
тивного и пассивного. На первом отрезке пути верти-
32
Зак. 422
кально стартовавшая с Земли ракета разгоняется дви-
гателями до необходимой скорости и получает заданное
направление полета. Дальше она летит без участия
двигателя, пассивно подчиняясь законам небесной ме-
ханики.
Рассмотрим, для примера, полет «лунной» ракеты.
Наша планета мчится по орбите вокруг Солнца со
скоростью около 30 км/сек да еще вращается вокруг
собственной оси. Луна движется вокруг Земли со ско-
ростью примерно 1 км/сек. В момент запуска космиче-
ской ракеты Луна может быть даже не видна с места
старта. В нее не целятся ракетой, подобно тому как
стрелок целится в мишень. Траектория ракеты заранее
очень точно рассчитывается с учетом всех факторов,
влияющих на ее полет: движения Земли и Луны, притя-
жения Землей и Луной, сопротивления атмосферы! на
стартовом отрезке пути. Путем сложных вычислений на
быстродействующих электронных машинах устанавли-
вается программа запуска многоступенчатой космиче-
ской ракеты.
Самый ответственный участок пути — активный. От
того, насколько точно выдержаны к моменту выключе-
ния двигателя скорость и направление ракеты, зависит
ее отклонение от рассчитанной траектории. Направляя
ракету к Луне, нужно выдерживать начальную скорость
с точностью до нескольких метров в секунду, а направ-
ление полета — с точностью, измеряемой долями гра-
дуса. Время старта должно совпадать с расчетным с
точностью до секунды.
Какими же способами можно изменить направление
полета последней ступени ракеты, когда она практи-
чески уже вышла за предельи атмосферы?
Обычные воздушные рули, применявшиеся в виде
хвостового оперения для стабилизации полета ракет в
пределах атмосферы, здесь непригодны!. Управлять по-
летом космического аппарата можно только с помощью
ракетного двигателя.
Для изменения направления полета ракеты нужно
изменить каким-либо путем ее ориентацию, повернуть
ее вокруг центра тяжести в желаемом направлении.
И тогда тяга двигателя отклонит ракету в нужную сто-
рону. Значит, задача управления ракетой сводится к
3 ЮН Сушков
33
повороту ее вокруг центра тяжести. Такой поворот мож-
но осуществить несколькими способами.
Самый простой из них предложил основатель космо-
навтики К- Э. Циолковский. Он рассуждал так. Воздуш-
ные рули в космосе не будут работать потому, что нет
воздуха. Но' ведь есть газы, с большой скоростью выте-
кающие из сопла ракетного двигателя. Значит, можно
рули поставить в сопло на пути извергающихся газов.
Й называть их нужно уже не воздушными, а газовыми
Материал для них нужен очень тугоплавкий — ведь тем-
пература в камере сгорания жидкостно-реактивного дви-
гателя достигает нескольких тысяч градусов. Спасает
дело лишь кратковременность разгона ракеты. За не-
сколько десятков секунд полета ракеты на активном
участке траектории, когда работают двигатели, изготов-
ленные из специальных материалов, газовые рули даже
без охлаждения их не успевают сгореть.
Чтобы повернуть ракету вокруг центра тяжести,
нужно сравнительно небольшое усилие. Иногда для этой
цели применяются миниатюрные ракетные двигатели,
расположенные вокруг сопла основного’ракетного дви-
гателя.
Остановимся еще на одном широко применяемом в
настоящее время способе управления ракетами. Для из-
менения направления полета сопло ракетного двигателя
отклоняется в сторону. Сила тяги уже нё проходит че-
рез центр тяжести ракеты. Возникает вращающий мо-
мент, который поворачивает ракету в нужную сторону.
Вследствие большой тяги, двигателя требуемый угол по-
ворота его относительно ракеты' невелик. Затем ракет-
ное сопло ставится в прежнее положение. Тяга двига-
теля проходит точно через центр тяжести ракеты и дви-
гает ее прямо вперед по новому направлению.
* .j. *
В этой главе мы рассказали о современных ракет-
ных двигателях, о применении их для космических по-
летов, о проблемах, которые уже решены, и о пробле-
мах, которые будут решены в ходе развития ракетопла-
вания в ближайшие годы. Следующие главы посвящены
более далекому будущему космонавтики.
Глава II
КОСМИЧЕСКИЕ РАКЕТЫ НА ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ
Давно уже создана ракета, способная развить вто-
рую космическую скорость и преодолеть притяжение
Земли. Советская ракета достигла Луны, автоматиче-
ская станция отправлена к Венере. И все эти полеты
осуществлены на ракетах, использующих для работы
двигателей химическое топливо. Спрашивается, если
химическое топливо обеспечивает дальние космические
перелеты, то зачем говорить о применении в ракетопла-
вании ядерной энергии?
Для того чтобы какому-либо телу сообщить вторую
космическую скорость, нужно каждому его килограмму
сообщить энергию около' 15 000 ккал. Столько тепла вы-
деляется при распаде 0,75 мг уранового ядерного горю-
чего. Для покрытия энергетических затрат атомной ра-
кеты в полете на Луну с 'посадкой и возвращением на
Землю потребовался бы запас ядерного горючего, со-
ставляющий 0,03% веса ракеты даже в том случае, ког-
да полный коэффициент полезного действия ракетного
двигателя равен лишь 1%. Вот перспектива, открывае-
мая, казалось бьп, применением ядерного горючего для
межпланетных полетов!
Но можно ли создать ракетный двигатель, способ-
ный реализовать колоссальные энергетические возмож-
ности ядерного горючего? Ответить на этот вопрос нель-
зя, не познакомившись с основами ядерной энергетики.
Энергия химическая и ядерная. Любое вещество,
будь то твердое тело, жидкость или газ, состоит из мель-
чайших частиц — молекул. Каждая молекула образова-
на несколькими атомами. Молекулы простых веществ
з*
35
построены из химических элементов, состоят из одина-
ковых атомов. Молекулы сложных веществ состоят из
разных атомов. В прошлом считалось, что атомы яв-
ляются мельчайшими частицами, своего рода «кирпи-
чиками», из которых сложены все тела окружающего
нас мира. Само слово «атом» является греческим и в
переводе на русский язык означает «неделимый». Одна-
ко впоследствии было установлено, что атом имеет по-
ложительно заряженное ядро, вокруг которого вра-
щаются отрицательно заряженные электроны. Ядро
атома, в свою очередь, состоит из положительно заря-
женных протонов и нейтральных нейтронов. Электроны,
окружающие ядро, образуют так называемую электрон-
ную оболочку ядра.
Основная доля массы атома заключена в ядре. Мас-
са протона в 1840 раз больше массы электрона, хотя
они оба несут одинаковые по величине электрические
заряды. Масса нейтрона примерно равна массе прото-
на. В нормальном состоянии атома количество электро-
нов в оболочке равно количеству протонов ядра, поэто-
му атом электрически нейтрален.
Наиболее просто устроен атом водорода. Ядром его
является протон. Вокруг ядра вращается единственный
электрон. Однако ядро атома водорода помимо протона
может иметь и нейтрон. Водород, состоящий из таких
атомов, называется тяжелым водородом или дейтерием.
Дейтерий содержится в природном водороде в количе-
стве 0,01566%. В ничтожных количествах на Земле
имеется еще один вид атомов водорода, у которых ядро
имеет один протон и два нейтрона. Такой водород на-
зывается сверхтяжелым водородом, или тритием..
Разновидности атомов, ядра которых имеют одина-
ковое количество протонов и разные количества нейтро-
нов, называются изотопами. Обычный водород, дейте-
рий и тритий являются изотопами водорода.
Атомы других элементов имеют более сложное строе-
ние. Так, атом гелия имеет ядро из двух протонов с
одним или двумя нейтронами и оболочку, образованную
двумя электронами. Атом одного из изотопов урана
имеет в ядре 92 протона и 143 нейтрона. Оболочка та-
кого атома состоит из 92 электронов, располагающихся
в несколько слоев.
36
Для того чтобы отличить какой-либо изотоп от дру-
гих изотопов этого же элемента, к названию элемента
добавляется число, указывающее, сколько протонов и
нейтронов содержится в ядрах атомов данного изотопа.
Например, уран 235 является выше рассмотренным изо-
топом урана, ядро урана 238 содержит 92 протона и
146 нейтронов.
В начале нашего века был установлен закон взаи-
мосвязи массы и энергии. Этот закон утверждает, что
каждый материальный объект, обладающий массой,
обладает и энергией и, наоборот, каждый материальный
объект, обладающий энергией, обладает и массой. Коли-
чественное соотношение между массой и энергией вы-
ражается известной формулой А. Эйнштейна
Е = тс2,
где Е—полная энергия тела; m — масса тела; с — ско-
рость света.
Если нам каким-либо путем удастся уменьшить мас-
су вещества, то уменьшится запас энергии, заключен-
ный в этом веществе. При этом энергия, соответствую-
щая убыли, или, как говорят, дефекту массы, должна
выделиться. Подсчитать количество выделившейся энер-
гии можно по формуле А. Эйнштейна, в которой в этом
случае следует принять следующие обозначения: Е —
количество выделяющейся энергии, т—дефект массы,
с — по-прежнему скорость света.
Поскольку масса атома сосредоточена в ядре и в
электронах оболочки, можно, в соответствии с законом
взаимосвязи массы и энергии, различать два вида энер-
гии.атома-: энергию атомного ядра и энергию электрон-
ной оболочки. Масса ядра намного превосходит массу
электронной оболочки, поэтому и энергия, связанная с
атомным ядром, намного превосходит энергию, связан-
ную с электронной оболочкой ядра.
Энергия электронной оболочки выделяется в виде
химической энергии при перегруппировке атомов, со-
провождающейся перераспределением электронов меж-
ду ними, в ходе химических реакций. Этот вид энергии
человек научился использовать еще в древности, когда
овладел искусством добывать огонь.
Энергия атомного ядра стала доступной человеку в
15—20 последних лет. Она освобождается в ходе ядер-
37
ных реакций, когда в результате изменения состава и
строения атомных ядер уменьшается масса вещества.
Ядра атомов представляют собой необычайно проч-
ные образования. Природа ящерных сил, заставляющих
держаться вместе одноименно заряженные протоны,
еще не выяснена окончательно. Однако установлено,
что ядерные силы представляют собой разновидность
так называемых «обменных» сил. Оказывается, что про-
тон и нейтрон непрерывно превращаются друг в друга,
как бы передавая один другому некоторую третью эле-
ментарную частицу.
Таким образом, протон и нейтрон — различные со-
стояния одной и той же элементарной частицы. На этом
основании их часто объединяют под общим названием
нуклонов.
Рассмотрим процесс образования ядра из нуклонов.
Если нуклоны каким-либо путем сблизить на расстояние
порядка 10~13 см, то между ними начнут действовать
ядерные силы. Это приведет к слиянию нуклонов в ядро.
Измерения показывают, что масса получившегося ядра
меньше массьи исходных нуклонов, т. е. образование ядра
из нуклонов сопровождается дефектом массы. Следова-
тельно, в этом процессе должна выделиться энергия.
Чтобы разрушить ядро, разбить его на отдельные нук-
лоны, нужно- затратить столько же энергии, сколько ее
выделилось при образовании ядра. Эта энергия назы-
вается энергией связи ядра.
Зная дефект массы при образовании ядра, можно по
формуле А. Эйнштейна рассчитать величину энергии
связи ядра. Если эту величину разделить на количество
нуклонов в ядре, то получим энергию связи, приходя-
щуюся на один нуклон в данном ядре. Оказььвается,
что у ядер атомов разных элементов энергия связи, при-
ходящаяся на один нуклон, ймеет различное значение.
На рис. 13 показано изменение энергии связи, при-
ходящейся на один нуклон, в зависимости от количества
нуклонов в ядре. Приведенная здесь кривая изображает
лишь общий ход зависимости. Некоторые изотопьи имеют
энергию связи, отличающуюся от обозначенной на кри-
вой. Особенно велико отличие для ядра гелия 4 — основ-
ного изотопа гелия. В этом ядре энергия связи, прихо-
дящаяся на один нуклон, очень велика, и поэтому оно
является необычайно прочным образованием.
38
Наибольшая энергия связи приходится на один нук-
лон в ядрах, содержащих 40—80 нуклонов, т. е. у эле-
ментов, расположенных в таблице Менделеева вблизи
железа и никеля. Образование таких ядер из нуклонов
сопровождается наибольшим дефектом массы и наиболь-
Рис. 13. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, в зависимо;
сти от числа нуклонов в ядре
шим выделением энергии на один нуклон. При образова-
нии ядер, состоящих из меньшего или большего коли-
чества нуклонов, дефект массы и выделяющаяся на
один нуклон энергия меньше.
Реакции деления ядер. Очевидно, что ядерные реак-
ции, в ходе которых дефект массы увеличивается, будут
сопровождаться выделением энергии. Из рассмотрения
кривей, изображенной на рис. 13, следует, что возмож-
ны два вида ядерных реакций, идущих с выделением
энергии. Это могут быть или реакции соединения очень
простых ядер, состоящих всего из нескольких нуклонов,
или реакции деления очень крупных ядер на два более
мелких ядра. Исходные ядра в обоих этих случаях бу-
39
дут расположены на кривой рис. 13 ниже ядер, обра-
зующихся в ходе реакции, т. е. в ходе реакции дефект
массы будет возрастать, а следовательно, будет выде-
ляться энергия.
Следует заметить, что гелий 4 нельзя использовать
в качестве исходного продукта для реакции синтеза,
так как энергия связи ядра гелия 4 необычайно высока
и энергетический эффект реакции будет ничтожным,
если вообще реакция окажется возможной.
В природе встречаются естественные радиоактивные
элементы: радий, полоний, торий, уран и др. Различают
несколько типов радиоактивности. Для обозначения
основных типов применяются первые три буквы грече-
ского алфавита.
У альфа-радиоактивных изотопов ядро самопроиз-
вольно распадается на два осколка, одним из которых
обязательно является альфа-частица — ядро гелия 4.
Бета-радиоактивные изотопы испускают положительно
или отрицательно заряженную бета-частицу, возникаю-
щую в ядре в момент радиоактивного превращения.
Гамма-радиоактивные вещества испускают электромаг-
нитные волны очень высоких энергий, называемые
гамма-лучами.
Причиной естественной радиоактивности является
внутренняя неустойчивость ядер, поэтому изменить ско-
рость распада какими-либо внешними ’воздействиями,
например изменением температуры, пропусканием элек-
трического тока, воздействием магнитного поля, нель-
зя. Скорость самопроизвольного распада естественных
радиоактивных элементов колеблется в громадных пре-
делах. Например, половина ядер радия А, являющегося
промежуточной ступенью в цепочке превращения при-
родного радия в свинец, распадается за 3,05 минуты, а
половина ядер урана — за 4,5 миллиарда лет.
Использовать естественный радиоактивный распад
для энергетических целей невозможно. Так, если собрать
в один реактор весь добытый на земном шаре радий,
то мощность этого реактора из-за чрезвычайно малой
скорости распада радия будет едва достаточной для
того, чтобы в течение часа нагреть до кипения 1,5 литра
холодной воды.
Для энергетических целей сейчас широко исполь-
зуются искусственно вызываемые реакции деления ядер
40
некоторых тяжелых элементов, а именно тех, в кото-
рых возможно протекание цепной, самоподдерживаю-
щейся ядерной реакции. Такими являются уран 235.
плутоний 239, уран 233. Рассмотрим, как протекает ре-
акция деления урана 235.
В куске урана всегда имеются свободные, так назы-
ваемые «блуждающие» нейтроны, которые образуются,
например, при самопроизвольном распаде ядер урана.
Такой нейтрон, попадая в ядро урана 235, вносит в него
некоторую энергию. Этой энергии достаточно, чтобы пе-
ревести ядро в неустойчивое состояние. В следующий
момент такое ядро в большинстве случаев распадается
на два разлетающихся с большими скоростями осколка.
Кроме того, в момент распада выделяется 2—3 новых
нейтрона, называемых вторичными. Каждый из них при
достаточно больших размерах куска урана может по-
пасть в соседнее ядро урана и вызвать новый акт де-
ления, в результате которого появится еще больше ней-
тронов. Таким образом, реакция начнет нарастать по-
добно катящейся с горы снежной лавине. Реакции та-
кого типа называются цепными и являются самопод-
держивающимпся.
Осколки деления представляют собой возбужденные
неустойчивые ядра некоторых элементов. Переход их в
стабильное состояние сопровождается испусканием бе-
та-лучей, гамма-лучей, а некоторые осколки, кроме
того, испускают так называемые запаздывающие нейт-
роны.
Основная доля энергии реакции деления, около 83%,
выделяется в виде кинетической энергии осколков ядер.
Скорость этих осколков непосредственно после деления
равна 10 000—15 000 км/сек. Взаимодействуя с окру-
жающими атомами, осколки передают им свою энер-
гию, т. е. нагревают окружающее вещество. Таким об-
разом, ядерная энергия в ходе этой реакции выделяется
в основном в виде тепловой энергии, и наиболее рацио-
нально ее можно использовать в тепловых двигателях.
Поэтому все современные атомные энергетические уста-
новки включают в себя тепловые двигатели — паровые
или газовые турбины.
Реакции синтеза ядер. Вторым путем освобождения
ядерной энергии являются реакции синтеза. Два ядра
какого-либо легкого элемента, двигаясь с большими
41
скоростями, могут столкнуться и слиться в одно ядро
нового элемента. Например, из ядер дейтерия и трития
образуется ядро гелия и выделяется еще один свобод-
ный нейтрон. В этой реакции на единицу веса выделяет-
ся примерно в 4 раза больше энергии, чем при реакции
деления урана 235. В процессе реакции синтеза гелия
из обычного водорода на единицу веса исходных про-
дуктов выделяется примерно в 8 раз больше энергии,
чем при распаде урана 235. Возможна также реакция,
в которой синтезируются два ядра гелия из ядер лития
и водорода, и ряд других.
Описанные реакции синтеза могут идти с заметной
скоростью только при температурах, измеряемых мил-
лионами градусов. При таких температурах скорость
теплового движения ядер так велика, что их ки-
нетической энергии хватает на преодоление электриче-
ских сил отталкивания положительно заряженных ядер
и на сближение ядер настолько, что начинают действо-
вать внутриядерные силы притяжения, заставляющие
два ядра слиться в одно, более крупное.
Чем выше температура, тем быстрее идут реакции
синтеза. Реакция синтеза гелия из дейтерия и трития
идет с заметной скоростью при температуре в несколько
миллионов градусов. Другие реакции синтеза начинают-
ся при более высоких температурах. При температуре,
измеряемой сотнями миллионов градусов, большинство
реакций синтеза приобретает взрывной характер. Чтобы
подчеркнуть зависимость реакций синтеза от темпера-
туры, их называют термоядерными реакциями.
Термоядерные реакции являются неисчерпаемым
источником энергии звезд, и в частности Солнца. По
современным взглядам, в центре Солнца температура
примерно равна 13 миллионам градусов. В этих усло-
виях преобладает реакция прямого синтеза гелия из
водорода. В более горячих звездах преобладает реак-
ция синтеза гелия из водорода, протекающая с участием
углерода. Ядро углерода, присоединяя последовательно
по одному ядру водорода, претерпевает несколько пре-
вращений. В конце реакции образуется неустойчивое
ядро кислорода, которое распадается на две части:
ядро гелия и ядро углерода. Таким образом, углерод
играет роль посредника, способствующего ускорению
реакции синтеза гелия из водорода.
42
На Земле искусственно осуществлена термоядерная
реакция взрывного типа в водородной бомбе. Водород-
ной бомба названа потому, что термоядерным горючим
в ней является тяжелый и сверхтяжелый водород. Высо-
кая температура, необходимая для начала термоядер-
ной реакции, достигается в водородной бомбе путем
взрыва одной или нескольких атомных бомб, размещен-
ных в термоядерном горючем.
Осуществление управляемой термоядерной реакции
в настоящее время является грандиозной задачей науки,
ждущей своего решения. С овладением управляемой
термоядерной реакцией энергетические ресурсы челове-
чества неизмеримо возрастут. Так, ведро воды окажется
эквивалентным по запасам энергии 25 000 т угля.
Если учесть только энергию, которая может выде-
ляться при реакции синтеза водорода в гелий, то ока-
жется, что в воде всех океанов, морей и рек земного
шара содержится столько энергии, сколько Солнце из-
лучает в мировое ,пространство за 10—12 лет. Этой энер-
гии достаточно, чтобьп заменять получаемую земным ша-
ром лучистую энергию Солнца в течение 20—25 мил-
лиардов лет.
Таким образом, термоядерное горючее можно бук-
вально черпать из водоемов, и запасы его велики. Воз-
можно, что в первых термоядерных энергетических
установках не удастся использовать в качестве горючего
обычный водород. Если придется работать на тяжелом
водороде, то и тогда эти установки окажутся экономи-
чески выгоднее урановых. Стоимость килограмма тяже-
лого водорода в настоящее время, по американским
данным, в 10-—20 раз меньше стоимости килограмма
урана 235, а энергии он может выделить в 4 раза боль-
ше, чем уран.
Как уже указывалось, для протекания термоядерной
реакции необходимы колоссальные температуры. Оче-
видно, что способ нагрева термоядерного горючего, при-
мененный в водородной бомбе, неприемлем для управ-
ляемой термоядерной реакции. В лабораторных усло-
виях высокие температуры получались пропусканием
мощных импульсов электрического тока через металли-
ческие нити и столкновением суживающихся ударных
волн в газах. Эти способы позволяют получить темпера-
туры до нескольких десятков и даже сотен тысяч гра-
43
дусов. Дальнейшее повышение температуры невозможно,
так как с ростом температуры резко увеличиваются по-
тери тепла и вся подводимая энергия рассеивается в
окружающем пространстве.
Удачное решение задачи нагрева газа до высоких
температур найдено советскими учеными, применившими
для теплоизоляции магнитное поле. Газ, нагретый до
температуры, близкой к миллиону градусов, находится
в сильно ионизированном состоянии. Он представляет
собой смесь оголенных атомных ядер и электронов. Та-
кой газ называется плазмой. Сильный разряд тока, про-
пускаемый через плазму, образует магнитное поле, ко-
торое препятствует столкновениям частиц плазмы с ато-
мами окружающей среды, т. е. препятствует рассеянию
тепла.
С помощью газовых разрядов в дейтерии советскими
физиками достигнуты температуры порядка миллиона
градусов. Английским физикам, использовавшим этот
же метод, удалосВ получить, по сообщениям печати, тем-
пературу около 5 миллионов градусов.
Однако достижение высоких температур, хотя и яв-
ляется труднейшим шагом по пути овладения управляе-
мыми термоядерными реакциями, не означает решения
этой задачи. Раз начатую термоядерную реакцию надо
поддерживать на заданном уровне.
Возможны два пути осуществления управляемых
термоядерных реакций. Первый путь — непрерывная
реакция «горения» термоядерного горючего в малом
объеме. Теплоизоляция с помощью мощного магнитного
поля, ограничивающего объем реакции, интенсивное
охлаждение стенок камеры, в которой протекает реак-
ция, применение специальных материалов и другие тех-
нические приемы помогут в будущем осуществить такую
реакцию. Для управления реакцией может быть исполь-
зована зависимость скорости реакции от температуры.
При увеличении температуры в зоне реакции увеличится
ее скорость, возрастет мощность установки.
Второй возможный путь осуществления управляемых
термоядерных реакций — это использование мелких пе-
риодически повторяющихся термоядерных реакций
взрывного типа. Это менее выгодный путь по сравнению
с непрерывной реакцией, так как потребуется каждый
раз расходовать энергию на разогрев очередной порции
41
термоядерного горючего. Термоядерная установка этого
типа, по-видимому, предъявит меньшие требования к
техническому прогрессу, поэтому можно ожидать ее
появления раньше, чем установки с непрерывной термо-
ядерной реакцией.
Использовать энергию термоядерной реакции ока-
жется возможным, по-видимому, в обычных тепловых
двигателях, таких, как паровая и газовая турбина, так
как термоядерный реактор может являться, очевидно,
достаточно мощным источником тепла. Но возможны и
другие технические приемы энергетического использова-
ния термоядерных реакций. К ним относятся прямое
превращение ядерной энергии в электрическую; превра-
щение энергии излучения, сопровождающего термо-
ядерную реакцию, в электрическую энергию и т. п.
Овладение управляемыми термоядерными реакциями
откроет широкие возможности для создания ракетных
двигателей.
Трудно переоценить роль, которую сыграло бы в раз-
витии энергетики осуществление реакции синтеза не при
колоссальных температурах, а при обычных. Академик
Я. Б. Зельдович еще в 1954 году теоретически обосновал
возможность такой ядерной реакции, в результате ко-
торой при обычной температуре можно из водорода
синтезировать гелий. Решающую роль в этой реакции
играют мю-мезоны — элементарные частицы, имеющие
примерно в 207 раз большую массу, чем электроны.
Мезоны образуются в ходе ядерных реакций при
взаимодействии разогнанных в ускорителях протонов с
нуклонами и могут быть заряжены положительно или
отрицательно. Образовавшийся мезон существует очень
короткое время, измеряемое миллионными долями се-
кунды, а затем распадается. При этом образуется ней-
тральная частица — нейтрино и заряженная бета-части-
ца, знак заряда которой совпадает со знаком заряда
мезона.
Однако и за такое короткое время отрицательный
мю-мезон может быть захвачен положительно заряжен-
ным ядром водорода и будет вращаться вокруг этого
ядра подобно электрону оболочки. Такой атом водорода,
у которого вместо электрона вокруг ядра вращается ме-
зон, называется мезоатомом. Так как масса мезона
намного больше массы электрона, то он в атоме распо-
45
лагается гораздо ближе к ядру и как бы нейтрализует
положительный заряд протона — ядра водорода. При
этом создаются условия для сближения протонов на
очень малые расстояния, на которых вступают в дейст-
вие ядерные силы, т. е. возникают условия для протека-
ния реакции синтеза при обычных температурах.
Предсказанная Я. Б. Зельдовичем реакция синтеза
наблюдалась в экспериментах. В настоящее время эту
реакцию еще нельзя использовать для энергетических
целей, так как генерация мезонов является слишком
сложным процессом, в ходе которого потребляется на-
много больше энергии, чем выделяется ее в ходе реак-
ции синтеза.
Радиоактивные изотопы как источник энергии. Мы
уже говорили, что использовать радий для создания
энергетического реактора невозможно из-за чрезвычайно
малой скорости его распада. В настоящее время извест-
но несколько сотен искусственных радиоактивных изото-
пов. Среди них можно найти подходящие для использо-
вания в ракетных двигателях.
Наиболее подходящими, по-видимому, были бы ра-
диоактивные изотопы, испускающие бета-частицы.
Источниками бета-частиц являются нуклоны ядер. Так,
например, протон радиоактивного ядра испускает поло-
жительную бета-частицу и нейтрино, а сам превращает-
ся в нейтрон, и наоборот, нейтрон может, испуская отри-
цательную бета-частицу и нейтрино, превращаться в
протон.
Испущенные бета-частицы обладают большой кине-
тической энергией. Взаимодействуя с атомами вещества
реактора, бета-частицы передают им свою энергию, ско-
рость хаотического движения атомов возрастает, т. е.
повышается температура. Так энергия бета-распада пе-
реходит в тепловую энергию, которая может быть
использована в тепловых двигателях.
Крупным недостатком реакторов, работающих на
бета-радиоактивных изотопах, является невозможность
регулирования мощности. Скорость распада искусствен-
ных радиоактивных элементов, так же как и скорость
распада естественных радиоактивных элементов, не под-
дается изменению. Поэтому независимо от того, дви-
жется ракета или стоит на старте, реактор с бета-актив-
ным изотопом будет работать. Невозможно также зара-
46
нее заготовить большой запас радиоактивного препа-
рата, так как он все равно распадается. Его нужно будет
изготовлять по мере надобности.
Преимуществом реакторов, работающих на искус-
ственных радиоактивных изотопах, является возмож-
ность выбрать такой изотоп, который не испускает гам-
ма-лучей. В этом случае отпадет необходимость окру-
жать реактор громоздким и тяжелым защитным экраном.
Возможен и другой путь
использования энергии бета-
активных изотопов.
На рис. 14 изображена
принципиальная схема атом-
ного генератора электриче-
ского тока. Он представляет
собой две металлические
пластинки, помещенные в со-
суд, в котором поддержи-
вается сильный вакуум. На
одну из пластинок со сторо-
ны, обращенной к другой
пластинке, наносится тонкий
слой радиоактивного изото-
па. Излучаемые этим изото-
пом отрицательные бета-
Рис. 14. Схема 'атомного гене
ратора электрического тока:
1 — радиоактивный изотоп, 2 — обо
лочка; 3 — безвоздушное простран
ство; 4 — изолятор
частицы улавливаются вто-
рой пластинкой, которая заряжается отрицательно по от-
ношению к первой. Если соединить пластинки проводни-
ком, то по нему потечет ток. Такой генератор позволяет
получать очень высокие напряжения, но создаваемый им
электрический ток измеряется миллиамперами даже в
случае применения очень активных изотопов.
Значительно увеличится ток, если между пластинами
поместить специально подобранный полупроводник.
В этом случае каждая бета-частица, попадая в полупро-
водник, будет выбивать из него и увлекать за собой
большое количество электронов, подобно тому как бро-
шенный с горы снежный ком приводит к образованию
лавины. Такие атомные батареи уже выпускаются про-
мышленностью некоторых стран, но они настолько мало-
мощны, что использовать их, например для питания
электромоторов, практически нельзя. Маловероятно, что
в недалеком будущем удастся сильно повысить их мощ-
47
ность, так как подобная попытка поведет к увеличению
тепловых потерь и к необходимости устраивать спе-
циальные приспособления для охлаждения, т. е. к уве-
личению размеров и веса и к усложнению конструкции.
В конечном счете удельная электрическая мощность,
приходящаяся на единицу веса подобного атомного гене-
ратора, вряд ли изменится.
Таким образом, в настоящее время наиболее рацио-
нальным является использование атомной энергии в теп-
ловых двигателях.
Устройство ядерного реактора. Ядерный реактор —
источник тепла во всех современных энергетических и
Рис. 15. Схема устройства гетероген-
ного ядерного реактора:
1 — ядерное горючее; 2 — замедлитель ней-
тронов; 3 — отражатель нейтронов; 4 — за-
щита: 5 — управляющий стержень; 6 —
вход теплоносителя; 7 — выход теплоно-
сителя
силовых атомных уста-
новках. Он пред-
ставляет собой уст-
ройство, в котором
протекает самоподдер-
живающаяся управляе-
мая реакция деления
ядерного горючего.
Схематически устрой-
ство реактора одно-
го из существующих ти-
пов, а именно гетеро-
генного, изображено на
рис. 15. Уран, являю-
щийся ядерным горю-
чим, применяется здесь
в виде стержней. Име-
ются реакторы, в кото-
рых ядерное горючее
распределено равномер-
но по всему объему.
Они называются гомо-
генными.
Для предотвращения коррозии урановые стержни за-
ключаются в защитные оболочки. Каждый такой стер-
жень имеет приспособление, с помощью которого он кре-
пится в реакторе. Крепление должно быть надежным и в
то же время должно обеспечивать свободу деформаций,
возникающих при изменении температуры стержня.
В реакторе имеется большое число таких стержней,
которые называются тепловыделяющими элементами.
48
Тепловыделяющие элементы располагаются в каналах,
пронизывающих замедлитель нейтронов.
Нейтроны, образующиеся в процессе цепной ядерной
реакции деления, имеют скорость порядка 15 000 км)сек.
Они называются быстрыми. Быстрые нейтроны обладают
сравнительно небольшой способностью вызывать деление
ядер горючего, так как вероятность захвата их ядрами
горючего мала. Чем меньше скорость нейтрона, тем ве-
роятнее, что он будет захвачен ядром горючего и вызо-
вет его деление. А чем больше эта вероятность, тем
меньше можно загрузить ядерного горючего в реактор.
Таким образом, замедлитель нейтронов снижает потреб-
ность в ядерном горючем.
Иногда без замедлителя протекание самоподдержи-
вающейся ядерной реакции вообще невозможно. Это
бывает, например, в том случае, когда ядерным горючим
является природный уран, представляющий собой в
основном смесь двух изотопов: урана 238 и урана 235.
Уран 238, составляющий основную долю в природ-
ной смеси изотопов урана, захватывает большое количе-
ство нейтронов без деления. Поэтому цепная реакция
деления в куске природного урана невозможна. Приме-
нять же природный уран в качестве ядерного горючего
можно в реакторе с замедлителем, например графи-
товым.
В этом случае быстрые нейтроны, образующиеся при
делении ядер урана, вылетают из тепловыделяющих
элементов в графитовый замедлитель. Большая часть
замедленных нейтронов возвращается снова в тепловы-
деляющие элементы и здесь захватывается ядрами
урана 235, вызывая их деление. Таким образом, замед-
литель одновременно увеличивает вероятность деления
урана 235 нейтронами и снижает вредное поглощение
нейтронов ураном 238. Это и обеспечивает протекание
самоподдерживающейся ядерной реакции в уран-графи-
товом реакторе.
Замедление нейтронов осуществляется двумя путями:
упругим рассеянием и неупругим рассеянием. В процес-
се упругого рассеяния нейтрон отдает при соударении
часть своей кинетической энергии ядру замедлителя. Чем
легче ядро замедлителя, тем больше энергии отдаст ему
нейтрон за одно столкновение.
Понять это поможет такой пример. Представьте себе,
4 Ю Н Сушков до
что стальной шарик ударяется о массивную стальную
плиту. Он отскочит почти с той же скоростью, с какой
ударится; энергия его почти не изменится. Это аналогич-
но упругому рассеянию нейтрона ядрами сравнительно
тяжелых элементов.
Пусть теперь тот же самый шарик ударится в точно
такой же шарик. Тогда, при удачном попадании «в лоб»,
ударяющий шарик останавливается, а ударяемый вос-
принимает всю энергию удара и приходит в движение.
Если удар придется «вскользь», то энергия ударяющего
шара распределится между двумя шарами, причем уда-
ряющий шар сохранит тем больше энергии, чем больше
удар отличается от «лобового». Это аналогично упру-
гому рассеянию нейтрона ядром атома водорода.
При достаточно высоких энергиях нейтронов наблю-
дается также неупругое рассеяние. Быстрый нейтрон,
внедряясь в ядро, приводит его в возбужденное состоя-
ние. В следующее мгновение ядро выбрасывает нейтрон
обратно и вдобавок испускает еще порцию гамма-излу-
чения. Таким образом, часть энергии нейтрона перехо-
дит в энергию гамма-излучения. Неупругое рассеяние
нейтронов чаще происходит на ядрах тяжелых эле-
ментов.
В замедлении нейтронов преобладает упругое рас-
сеяние, поэтому наилучшими замедляющими свойствами
обладают легкие элементы.
В качестве замедлителей нейтронов применяются
легкие элементы, незначительно поглощающие нейтроны.
К таким элементам относятся тяжелый и обычный водо-
род, углерод, бериллий. Эти элементы могут применять-
ся или в чистом виде, например углерод в виде графита,
или в соединении с другими элементами. Так, хорошими
замедлителями являются тяжелая вода, окись бериллия.
Быстрый нейтрон замедляется до тепловой энергии
в среднем после 18 столкновений с ядрами водорода, в
то время как для этой цели требуется в среднем
86 столкновений с ядрами бериллия и 114 столкновений
с ядрами углерода. Недостатком обычной воды как за-
медлителя является значительное поглощение нейтронов
кислородом 18> который при этом переходит в радиоак-
тивный кислород 19. На 72 замедленных обычной водой
нейтрона приходится 1 захваченный, в то время как 1 за-
50
Хваченный нейтрон в графите приходится на 170 замед-
ленных, а в тяжелой воде — на 12 000.
Та часть реактора, в которой протекает реакция де-
ления ядерного горючего, называется активной зоной.
Вокруг нее обычно располагается отражатель нейтро-
нов. Назначение отражателя состоит в том, чтобы вер-
нуть в активную зону реактора возможно большее коли-
чество вылетающих из нее нейтронов. Чем лучше он вы-
полняет свою роль, тем меньше необходимое для
работы реактора количество ядерного горючего. В каче-
стве отражателя нейтронов в рассматриваемом типе
ядерного реактора можно применять те же вещества,
что и для замедлителя нейтронов.
Выделяющееся в реакторе тепло отводится теплоно-
сителем. В дальнейшем это тепло используется или для
выработки пара для турбины, или для нагрева воды в
случае применения газовой турбины. Тепловая энергия
реактора может быть использована также для нагрева
рабочего тела ракетного двигателя.
Управляющие стержни служат, как показывает само
название, для управления работой реактора. С их по-
мощью можно запускать и останавливать реактор, под-
держивать постоянную мощность работающего реактора
или температуру теплоносителя, изменять режим работы
реактора и выполнять еще целый ряд операций.
В процессе ядерной реакции, как уже указывалось,
испускаются бета-частицы и гамма-лучи. Бета-частицы
обладают малой проникающей способностью и полно-
стью задерживаются корпусом реактора. Гамма-лучи и
часть нейтронов, представляющие собой вредное излу-
чение, выходят за пределы реактора. Чтобы поглотить
это излучение, губительно действующее на живые орга-
низмы, реактор окружается биологической защитой.
Одновременно защита поглощает тепловое излучение
реактора и потому называется еще тепловой защитой.
В качестве биологической и тепловой защиты стационар-
ных реакторов используется обычно толстый бетонный
экран.
Отвод тепла от реактора. Тепловая мощность реак-
тора определяется числом распадов ядер горючего в
единицу времени. Для измерения энергии, выделяющей-
ся в ядерных реакциях, вводится специальная единица—
электронвольт. Это та энергия, которую приобретает элек-
4*
51
трои под действием электрических сил, проходя разность
потенциалов в 1 вольт. Единица, в миллион раз более
крупная, называется мегаэлектронвольт и обозначается
Мэв.
Число распадов ядер горючего в реакторе опреде-
ляется загрузкой ядерного горючего и плотностью ней-
тронного потока. Под последней понимается количество
нейтронов, проходящих через площадку в 1 см2, поме-
щенную в реактор, в течение 1 сек. В современных реак-
торах плотность нейтронного потока составляет вели-
чину порядка 1012—1013 \1см2сек. Причем, чем меньше
размеры реактора и, следовательно, загрузка ядерного
горючего, тем больше должна быть плотность нейтрон-
ного потока, чтобы обеспечить требуемую мощность
реактора.
Переводя мегаэлектронвольт в обычные единицы
работы, получим следующее соотношение:
1 Мэв = 1,6 • 10_6 эрг= 1,6 • 10~13вт• сек.
Следовательно, одно деление ядра урана сопровож-
дается освобождением энергии в количестве около
3,2-10-11 вт - сек. Для того чтобы реактор развивал мощ-
ность в 1 вт, нужно, чтобы в 1 сек происходило 3,1 • 1010
делений, т. е. чтобы расходовалось 1,2*10-11 г урана в
секунду. Расход 1 г урана в сутки позволяет реактору
развивать мощность около миллиона ватт.
Ядерный реактор принципиально может развивать
любую тепловую мощность. Он будет вырабатывать
столько тепла, сколько удастся отвести от него. Именно
условия теплоотвода ограничивают в большинстве слу-
чаев удельную мощность реактора, т. е. мощность, раз-
виваемую каждой единицей объема активной зоны. Вы-
деленное в реакторе тепло передается от ядерного го-
рючего через оболочку тепловыделяющего элемента к
теплоносителю.
Тепловая энергия представляет собой энергию хаоти-
ческого движения молекул и атомов вещества. Чем выше
скорость хаотического движения молекул, тем большим
запасом тепловой энергии обладает тело. В процессе
теплообмена часть кинетической энергии молекул горя-
чего элемента передается молекулам нагреваемого эле-
мента так, что кинетическая энергия молекул обоих
элементов становится одинаковой. Теплообмен в реак-
52
торе характеризуется тем, что энергия молекул нагрева-
ющего тела — стержней реактора — все время попол-
няется за счет ядерной реакции, а на смену нагретому
теплоносителю поступают новые порции, способные сно-
ва воспринимать тепло. Этим обеспечивается непрерыв-
ность теплового потока от реактора к теплоносителю.
При нагревании теплоносителя в реакторе нагревае-
мое тело движется, преодолевая силу трения о нагре-
вающую поверхность. Молекулы нагреваемого тела,
непосредственно прилегающие к неподвижной нагрева-
ющей поверхности, тоже неподвижны: они «сцеплены»
силами молекулярного сцепления с
молекулами нагревающей поверх-
ности. Следующий слой молекул
уже движется с очень небольшой
скоростью.
Чем дальше от нагревающей
поверхности находится слой моле-
кул, тем быстрее он движется. На
расстоянии миллиметра или даже
*его долей от нагревающей поверх-
ности скорость движения молекул
Рис. 16. Распределение
скоростей теплоносителя
вдоль оси канала возрастает до
величины, измеряемой десятками
и сотнями метров в секунду, и при |П0 диаметру канал-а
дальнейшем удалении от поверх-
ности остается постоянной. На рис. 16 изображено распре-
деление скоростей потока по диаметру канала круглого
сечения.
Однако слой молекул, прилегающий к нагревающей
поверхности, не находится в каком-то застывшем со-
стоянии. Молекулы этого слоя непрерывно обновляются.
Бывшая какую-то долю секунды «неподвижной», моле-
кула нагреваемого вещества получает толчок молекулы
нагревающей поверхности и выскакивает из неподвиж-
ного слоя в движущийся. Здесь она испытывает ряд со-
ударений с молекулами движущегося слоя и приходит
в движение вдоль канала. А на ее место из движущегося
слоя в неподвижный переходит другая молекула, чтобы
через мгновение быть снова выброшенной в движущийся
слой. Благодаря такому непрерывному круговороту мо-
лекул и осуществляется нагревание движущегося в ка-
нале потока.
53
На разгон молекул, перешедших из неподвижного
слоя в движущийся, расходуется часть энергии движе-
ния нагреваемого тела. Этот расход энергии и состав-
ляет, в сущности, потери на трение. Чем интенсивнее
протекает нагрев движущегося потока, тем интенсивнее
рассмотренный круговорот молекул, тем больше потери
энергии на трение.
Количество переданного в единицу времени в поток
тепла от нагревающейся поверхности пропорционально
величине поверхности, перепаду температур между по-
верхностью и нагреваемым телом, называемому темпе-
ратурным напором, и зависит от коэффициента тепло-
отдачи. Коэффициент теплоотдачи показывает, какое ко-
личество тепла передает теплоносителю квадратный метр
нагревающей поверхности в течение часа при температур-
ном напоре в 1°С.
Коэффициент теплоотдачи определяется конфигура-
цией нагревающей поверхности, ее чистотой, свойствами
теплоносителя, его давлением, температурой и скоростью
движения. Например, гелию, сжатому до давления
30—50 атм, каждый квадратный метр нагревающей по-
верхности реактора в течение часа передает несколько
тысяч больших калорий на градус перепада температур.
Рассмотрим некоторые особенности отвода тепла от
реактора. Для того чтобы тепло передавалось от тепло-
выделяющих элементов теплоносителю, температура по-
верхности тепловыделяющих элементов должна быть
выше максимальной температуры теплоносителя, которой
он достигает на выходе из реактора. Так как тепло выде-
ляется во всем объеме тепловыделяющего элемента,
а отводится только с поверхности, то температура внутри
тепловыделяющего элемента выше, чем на его поверх-
ности. В зависимости от теплопроводности материала
тепловыделяющего элемента и от количества выделяюще-
гося в секунду в единице объема тепла разность темпера-
тур внутри и на поверхности тепловыделяющего элемента
может быть более или менее значительной и иногда
достигает величины нескольких сотен градусов.
Ограничивать максимальную температуру нагрева
теплоносителя будет или температура внутри тепловы-
деляющего элемента, или разность температур внутри
и на поверхности тепловыделяющего элемента. Если
температура внутри тепловыделяющего элемента прев-
54
зойдет определенный предел, например температуру
плавления материала, то тепловыделяющий элемент
разрушится. Если разность температур станет чрезмерно
большой, то внутренние слои тепловыделяющего эле-
мента вследствие большей температурной деформации
будут как бы «распирать» внешние слои и в результате
также произойдет разрушение тепловыделяющего эле-
мента.
Ограничения по максимальной температуре теплоно-
сителя обычно имеют место в реакторах с газовым
охлаждением при сравнительно небольших коэффициен-
тах теплоотдачи поверхностей тепловыделяющих элемен-
тов. При этом через каждый квадратный сантиметр по-
верхности тепловыделяющего элемента в единицу вре-
мени проходит сравнительно мало тепла и разность
температур внутри и на поверхности невелика.
При больших коэффициентах теплоотдачи в реакто-
рах с жидкометаллическим теплоносителем определяю-
щую роль играет разность температур внутри и на по-
верхности тепловыделяющих элементов. В таких реак-
торах через каждый квадратный сантиметр поверхности
тепловыделяющих элементов в единицу времени прохо-
дит очень большое количество тепла, поэтому они отно-
сятся к термически сильнонагруженным.
Чтобы увеличить удельную тепловую мощность реак-
тора, нужно создать как можно большую величину на-
гревающей поверхности в единице объема реактора. Эту
задачу решают совершенствованием конструкции тепло-
выделяющих элементов.
Большие возможности для увеличения нагревающей
поверхности представляют так называемые пористые
реакторы. В этих реакторах гомогенного типа однород-
ная смесь ядерного горючего и замедлителя, использо-
вание которой обычно предполагается в виде керамики,
пронизывается громадным количеством каналов малого
диаметра с колоссальной суммарной площадью нагре-
вающей поверхности. В настоящее время работающих
пористых реакторов еще не имеется, так как создание их
представляет собой сложную технологическую проблему.
При заданной температуре нагрева теплоносителя
температурный напор будет тем больше, чем больше
температура нагревающей поверхности. Поэтому созда-
ние так называемых высокотемпературных реакторов с
55
высокой температурой нагревающей поверхности позво-
лит снизить ее площадь, т. е. снизить размеры и вес
реактора, не снижая его тепловой мощности.
Существуют гомогенные реакторы, у которых ядерное
горючее растворено в теплоносителе. Часто теплоноси-
тель одновременно играет роль замедлителя нейтронов.
К таким реакторам относятся жидкометаллические
реакторы с растворенным в натрии или висмуте метал-
лическим ураном. В реакторах подобного типа проблема
передачи тепла от тепловыделяющих элементов к тепло-
носителю вообще отпадает — тепло выделяется в самом
теплоносителе. В качестве преимуществ реактора такого
типа, например уран-натриевого, можно указать на ми-
нимальные размеры, отсутствие дорогостоящих тепловы-
деляющих элементов, возтйожность получения наиболее
высоких температур нагрева теплоносителя, возможность
непрерывной очистки ядерного горючего от продуктов
распада с помощью специальных фильтров и других
устройств.
Типы реакторов. Пределом снижения скорости ней-
тронов в реакторе является скорость хаотического теп-
лового движения, соответствующая температуре реак-
тора. Реактор, в котором скорость нейтронов снижается
замедлителем до этого предела, называется реактором,
работающим на тепловых нейтронах.
Имеются реакторы, в которых отсутствует замедли-
тель. В таких реакторах деление ядерного горючего про-
исходит под воздействием быстрых нейтронов. Теплоно-
сителем в этом случае обычно является жидкий металл.
Реактор на быстрых нейтронах может быть как гомо-
генным, например когда уран 235 растворен в висмуте,
так и гетерогенным, например когда урановые тепло-
выделяющие элементы омываются натриевым теплоно-
сителем.
Вследствие того что вероятность захвата быстрого
нейтрона ядром горючего мала, в реакторах на быстрых
нейтронах приходится применять высокоэффективные
ядерные горючие, например уран с содержанием ура-
на 235 в несколько десятков процентов. Потребная за-
грузка урана в реакторе на быстрых нейтронах гораздо
больше, чем в реакторе на тепловых нейтронах. К до-
стоинствам реактора на быстрых нейтронах следует
отнести меньшие габариты и небольшой общий вес.
56
Особенностью управления реактором на быстрых ней-
тронах является воздействие на плотность нейтронного по-
тока с помощью изменения утечки нейтронов из реактора.
В качестве отражателя быстрых нейтронов часто ис-
пользуется железо или уран 238. Обычно в отражателе
имеются регулирующие стержни из того же материала,
что и весь отражатель. Перемещение стержней как бы
изменяет толщину отражателя. Когда стержни вдви-
нуты в отражатель, он имеет максимальную отражатель-
ную способность, когда выдвинуты — минимальную.
Для перевода реактора на увеличение мощности надо
уменьшить утечку нейтронов, т. е. вдвинуть стержни.
Для снижения мощности — выдвинуть стержни из отра-
жателя.
Существуют реакторы промежуточных типов. В таких
реакторах имеется замедлитель, однако скорость нейтро-
нов остается все же выше скорости теплового движения.
Целью создания таких реакторов является использова-
ние преимуществ и реактора на быстрых нейтронах, и
реактора на тепловых нейтронах.
Чтобы выяснить преимущества реактора, работаю-
щего на промежуточных нейтронах, вспомним, что в про-
цессе замедления нейтронов от быстрых до тепловых
10—15% их поглощается ядрами урана 238. Особенно
интенсивно происходит захват, когда нейтрон уже зна-
чительно замедлится.
Чем сильнее замедлять нейтроны, тем больший про-
цент их будет поглощаться при резонансном захвате,
тем меньше останется нейтронов, вызывающих последую-
щие деления ядер урана 235. Однако чем меньше энер-
гия нейтрона, чем ближе она к тепловой энергии, тем
больше вероятность того, что нейтрон будет поглощен
ядром урана 235 и вызовет его деление. Таким образом,
с увеличением замедления нейтронов, с одной стороны,
уменьшается их количество, с другой стороны, как бы
увеличивается способность каждого оставшегося нейт-
рона производить деление ядер урана 235.
Использование для работы реактора нейтронов про-
межуточной энергии имеет целью организовать такое
замедление нейтронов, чтобы их способность делить
ядра урана 235 достаточно возросла и в то же время
было поглощено ураном 238 лишь очень небольшое коли-
чество их. Это ведет к снижению потребной загрузки
57
урана в реактор. Кроме того, для реактора на проме-
жуточных нейтронах требуется меньше замедлителя, чем
для такого же реактора на тепловых нейтронах. Поэто-
му вес реактора снижается, что особенно важно для
реактора, предназначенного для космического аппарата.
Для поддержания рабочего состояния реактора даже
в самом конце работы, перед пополнением свежим горю-
чим, в нем должен оставаться достаточный запас ядер-
ного горючего. Он необходим для того, чтобы компенсиро-
вать температурный эффект—увеличение утечки нейтро-
нов при повышении температуры — и эффект «отравлениям
продуктами распада урана, сильно поглощающими ней-
троны.
Таким образом, в процессе работы реактора на теп-
ловых нейтронах может быть «выжжено» не более
5—15% первоначальной загрузки даже высокоэффек-
тивного ядерного горючего. Такой реактор можно срав-
нить с печкой, в которой из каждого десятка положен-
ных поленьев сгорает только одно. Реактор, работаю-
щий на быстрых нейтронах, представляет собой еще бо-
лее плохую «печку». В нем может «выгореть» только
1,5—2% первоначально загруженного ядерного горючего.
Именно невозможность использовать все загружен-
ное в реактор ядерное горючее приводит к дороговизне
атомных двигателей. О них можно сказать словами рус-
ской пословицы, несколько перефразировав ее: едешь на
неделю — бери с собой ядерного горючего на год. Хотя
впоследствии неиспользованное ядерное горючее можно
отделить от продуктов распада и снова загрузить в реак-
тор, первоначальные затраты на создание реактора в
настоящее время еще велики. Это является одной из
причин, задерживающих широкое применение атомной
энергии для транспортных целей.
Существующие в настоящее время ядерные реакторы
можно разбить по применяемому теплоносителю на три
основных класса: с водяным охлаждением, с газовым
охлаждением, с охлаждением жидкими металлами.
Для применения в ракетных двигателях могут иметь
значение, по-видимому, только реакторы с газовым
охлаждением. Высокие температуры нагрева газового
теплоносителя позволит получить гомогенный реактор, в
котором в качестве горючего могут быть применены
окись урана или карбид урана, а замедлитель будет
58
использоваться в виде керамики. Температура такого1
реактора теоретически может быть поднята примерно
до 3000° С. Однако практически вследствие ряда тех-
нологических и конструкционных трудностей создать
такой реактор, еще не удалось. В осуществленных реак-
торах с газовым охлаждением в настоящее время тем-
пература нагрева теплоносителя, по литературным дан-
ным, не превышает 400—450° С.
Защита от излучения реактора. Большое внимание
при создании современных атомных энергетических уста-
новок приходится уделять защитным экранам. Так, на-
пример, защита реактора первой советской атомной
электростанции состоит из метрового слоя воды и трех-
метровой бетонной стены. По-видимому, и в ракетных
двигателях защита от излучений реактора будет играть
важную роль. Рассмотрим, что представляет собой излу-
чение реактора и как от него защищаться.
Все ядерные излучения можно разбить на две груп-
пы. К первой группе относятся излучения, представляю-
щие собой потоки заряженных частиц, таких, как альфа-
и бета-частицы, протоны и т. п. Вторая группа включает
в себя все виды электромагнитного излучения, в том
числе гамма-лучи, и нейтроны.
Заряженные частицы сильно взаимодействуют с ато-
мами тел, поэтому проникающая способность их неве-
лика и они легко задерживаются защитными материа-
лами. Например, альфа-частицы в твердом веществе
могут пролететь лишь несколько тысячных долей милли-
метра. Поэтому при рассмотрении вопросов защиты от
излучений реактора наличием альфа-частиц, испускае-
мых продуктами распада и самим ядерным горючим,
обычно пренебрегают.
Несколько больше проникающая способность бета-
частиц. В металлах они могут проходить путь до не-
скольких миллиметров. При толщине корпуса реактора
в несколько сантиметров специальная защита от бета-
излучения не требуется. Но нужно учитывать наличие
так называемого тормозного излучения, возникающего
при взаимодействии бета-частиц с окружающим веще-
ством.
Нейтроны и гамма-лучи взаимодействуют с вещест-
вом в гораздо меньшей степени, поэтому их проникаю-
щая способность чрезвычайно велика и для защиты от
59
них приходится принимать специальные меры, например
окружать реактор защитным экраном.
Воздействие как гамма-лучей, так и нейтронов на
живые организмы объясняется тем, что взаимодействие
этих излучений с атомами тканей организма приводит к
образованию заряженных частиц, т. е. к ионизации ато-
мов. Нейтроны, кроме того, вызывают искусственную
радиоактивность некоторых тканей организма, в част-
ности костных. Это затрудняет процесс восстановления
разрушенных тканей.
Человек, подвергшийся воздействию интенсивного
излучения, заболевает лучевой болезнью. Небольшие
дозы облучения человек переносит безболезненно. Если
облучение повторяется часто, изо дня в день, в течение
многих лет, то ежедневная безопасная доза облучения,
допускаемая в соответствии с международным соглаше-
нием, примерно в 2000 раз меньше той максимальной,
которую человек переносит безболезненно при однократ-
ном облучении.
Действие ядерных излучений на материалы прояв-
ляется в радиационных повреждениях и в наведении
искусственной радиоактивности. Газы и жидкости под
воздействием излучения ядерного реактора претерпева-
ют изменения, напоминающие те, которые происходят
при сильном электрическом разряде. Это объясняется
ионизирующим действием ядерных излучений.
Твердые вещества, в том числе металлы, под воздей-
ствием ядерных излучений, изменяют свою кристалличе-
скую структуру, а вследствие этого изменяются объем
и плотность тела. Изменяется электропроводность, и,
что особенно важно в реакторостроении, снижается теп-
лопроводность веществ.
Рассмотренных примеров достаточно, чтобы понять
необходимость надежной защиты от излучения реактора.
Быстрые нейтроны, вылетающие из реактора, имеют
большую проникающую способность, так как слабо вза-
имодействуют с ядрами. Чем сильнее замедляется нейт-
рон, тем больше вероятность захвата его ядрами мате-
риала защиты. Пучок быстрых нейтронов свободно
проходит через стальную плиту толщиной в несколько
сантиметров, в то время как пучок тепловых нейтронов
целиком поглощается полумиллиметровым слоем
кадмия.
60
Следовательно, наиболее рациональный путь защиты
от нейтронного излучения реактора — сначала замедлить
нейтроны, а затем поглотить их. Реакторы обычно не
имеют специального слоя поглотителя нейтронов. Они
поглощаются самим замедлителем или специальными
примесями, распределенными по всей толщине защит-
ного экрана.
Поскольку лучшей замедляющей способностью обла-
дают легкие элементы, постольку они являются наибо-
лее подходящими материалами для защитных экранов от
нейтронного излучения. Для снижения интенсивности
потока быстрых нейтронов в миллион раз требуется слой
воды толщиной около 25 см или слой свинца толщиной
около 78 см.
Выбирая материал для защиты от нейтронов, нужно
помнить, что в процессе неупругого рассеяния при за-
медлении нейтронов испускаются гамма-лучи. Жела-
тельно выбирать такой материал, чтобы это гамма-излу-
чение было минимально возможным.
Гамма-излучение ослабляется гораздо сильнее тяже-
лыми элементами, чем легкими. Это объясняется тем,
что гамма-лучи взаимодействуют в основном с электро-
нами атомных оболочек. У тяжелых элементов электро-
нов больше, они располагаются вокруг ядер в несколько
слоев. Поэтому тяжелые элементы сильнее взаимодейст-
вуют с гамма-лучами, чем легкие.
Проблему защиты от излучения реактора нельзя раз-
решить применением двухслойного экранирования так,
чтобы первый слой, например из легких элементов, по-
глощал нейтроны, а второй слой, из тяжелых элементов,
поглощал гамма-лучи. Если организовать защиту реак-
тора таким образом, то нейтроны, образовавшиеся при
взаимодействии гамма-лучей с ядрами элементов второго
слоя защиты, не будут задержаны и выйдут за пределы
защитного экрана. Точно так же, если мы попытаемся
первый слой изготовить из тяжелых элементов, а второй
слой из легких, образовавшееся во втором слое (на-
пример, за счет неупругого рассеяния) гамма-излучение
не будет поглощено.
Таким образом, защитный экран должен быть изго-
товлен или из большого количества чередующихся слоев
нейтронной защиты и защиты от гамма-излучения, или
вообще из однородной смеси тяжелых и легких элемен-
61
тов. Примером последнего является бетон. Однако в со-
став бетона не входят тяжелые элементы, подобные
свинцу, поэтому защитная способность бетона по срав-
нению со свинцом в отношении гамма-излучения слабее.
Так, для того чтобы ослабить в миллион раз пучок гам-
ма-лучей, испускаемых реактором, нужен слой воды
толщиной 3,5 м. При применении бетона толщина слоя
снижается примерно в два раза. Если же экран будет
изготовлен из железа, то потребуется всего лишь полу-
метровая толщина. Для свинцового экрана толщина
должна быть в этом случае немногим более 30 см.
Защитные экраны существующих и проектируемых
атомных энергетических установок по сведениям, опуб-
ликованным в зарубежной печати, как правило, пред-
ставляют собой комбинацию чередующихся слоев свин-
ца и веществ, содержащих большое количество водо-
рода. Имеются попытки применить специальные пласт-
массы с большим содержанием свинца. Перспективным
считается введение в состав защитных экранов некото-
рых редко встречающихся в природе элементов, таких,
как гадолиний, который, будучи довольно тяжелым эле-
ментом, обладает хорошими защитными свойствами по
отношению к гамма-лучам и в то же время очень жадно
поглощает тепловые и промежуточные нейтроны.
В настоящее время вес защитных экранов еще до-
вольно высок. Он составляет величину от нескольких де-
сятков тонн в опубликованных американских и англий-
ских проектах самолетов, с атомными двигателями до
сотен и тысяч тонн в атомных электростанциях. Про-
должаются поиски путей снижения веса защитных экра-
нов, так как проблема защиты от излучения реактора
является одной из ключевых проблем в применении
атомной энергии для транспортных целей, и в том числе
для ракетных двигателей.
Схема устройства атомного ракетного двигателя. Мы
познакомились с основами ядерной энергетики, с устрой-
ством ядерного реактора и протекающими в нем процес-
сами. Теперь посмотрим, какими путями можно применить
ядерную энергию для работы ракетного двигателя.
На первый взгляд кажется, что самым простым атом-
ным ракетным двигателем был бы двигатель, использу-
ющий прямую реакцию осколков деления ядер урана.
Этот двигатель представлял бы собой просто кусок
62
Ядерного горючего, заключенный в оболочку, отражаю-
щую нейтроны (рис. 17). Продукты ядерного распада в
этом случае выходили бы только в одну открытую сто-
рону, поэтому возникла бы реактивная сила тяги. Ее
источником явились бы удары осколков ядер в оболоч-
ку-отражатель.
Эта простая схема атомного ракетного двигателя
имеет принципиальные противоречия, которые заставля-
ют считать ее неосуществи-
мой. Излучать продукты рас-
пада в пространство может
только очень тонкий поверх-
ностный слой. Осуществить
цепную ядерную реакцию
только в этом слое невоз-
можно. Она будет идти во
всем объеме ядерного горю-
чего, и во всем объеме будет
выделяться тепло. Это тепло
мгновенно нагреет, расплавит
ядерное горючее и превратит
его в пар. Другими сло-
Рис. 17. Схема гипотетического
атомного двигателя прямой ре-
акции:
1 — ядерное горючее; 2 — отража-
тель
вами, такой гипотетический двигатель должен немед-
ленно взорваться подобно атомной бомбе.
На рис. 18 изображена схема атомного ракетного
двигателя, в котором для создания силы тяги использо-
Рис. 18. Схема атомного ракетного двигателя-
1 — бак с рабочим телом; 2 —• насос; 3 — реактор; 4 — управля
ющие стержни; 5 — реактивное сопло; 6 — турбина; 7 —. гене
ратор
63
Вайо вспомогательное рабочее тело. Задача рабочего
тела — образовать большое количество газов, которые
затем будут нагреты в реакторе и выброшены из реак-
тивного сопла с большой скоростью. Давление газов на
стенки камеры, в которой размещен реактор, и на стенки
реактивного сопла образует силу тяги двигателя.
Работает такой двигатель следующим образом. Из
бака насосом под высоким давлением жидкое рабочее
тело подается к реактору. Проходя по его каналам, оно
испаряется, нагревается до высокой температуры. При
этом скорость движения газа в реактивном сопле значи-
тельно больше, чем на входе в реактор. Соответственно
этому давление газа за реактором, действующее на
заднюю стенку камеры и заднюю поверхность реактора,
значительно меньше, чем давление перед реактором,
действующее на переднюю стенку камеры и переднюю
поверхность реактора. Благодаря разности этих давле-
ний, а также тому, что площадь передней стенки больше
площади задней стенки камеры, переходящей в реак-
тивное сопло, сила давления газов на переднюю стенку
камеры оказывается больше, чем на заднюю. Разность
этих сил, уменьшенная на величину направленной назад
силы, действующей на реактор, и является реактивной
силой тяги атомного ракетного двигателя.
Сила тяги атомного ракетного двигателя будет тем
больше, чем больше скорость истечения газа из реак-
тивного сопла. Последняя же возрастает с увеличением
степени подогрева газа в реакторе. Таким образом, чем
сильнее нагреется рабочее тело в реакторе, тем больше
будет сила тяги атомного ракетного двигателя при том
же самом расходе газа. Увеличение расхода ядерного
горючего при этом будет настолько мало, что практиче-
ски не отразится ни на весе реактора, ни на времени его
работы до смены тепловыделяющих элементов.
Насос атомного ракетного двигателя, изображенного
на рис. 18, приводится в действие турбиной, для рабо-
ты которой используется часть нагретых в реакторе га-
зов. Эта же турбина приводит во вращение генератор
электрического тока, питающий энергией все агрегаты
ракеты.
В качестве рабочего тела атомного ракетного двига-
теля могут применяться самые различные вещества:
вода; легкоплавкие щелочные металлы, такие', как ли-
64
тий, натрий, калий; сжиженные газы, например водород,
гелий, аммиак. Основные требования к рабочим телам
заключаются в том, чтобы они имели как можно мень-
ший молекулярный вес и как можно больший удельный
вес. Чем меньше молекулярный вес рабочего тела, тем
больше будет скорость истечения его из реактивного
сопла при одинаковой величине подогрева газа в реак-
торе, тем больше будет сила тяги двигателя.
Увеличение удельного веса рабочего тела позволит
уменьшить объем, а значит, и вес баков. Это приведет
либо к увеличению полезного груза ракеты, либо к
уменьшению ее стартового веса.
Сравним жидкостно-реактивный двигатель с ракет-
ным атомным двигателем. Сравнение весовых данных
говорит не в пользу атомного двигателя. В то время как
жидкостно-реактивный двигатель имеет лишь камеру
сгорания, насосы и ряд мелких агрегатов, атомный ра-
кетный двигатель должен иметь еще громоздкий тяжелый
реактор и толстую защиту от его излучения. Вес атом-
ного ракетного двигателя значительно превысит вес жид-
костно-реактивного двигателя с той же тягой.
Может ли окупиться это увеличение веса двигателя
практически ничтожным расходом ядерного горючего?
Мы уже установили, что во время работы атомного
ракетного двигателя помимо ядерного горючего будет
расходоваться вспомогательное рабочее тело. Ежесе-
кундный расход рабочего тела будет зависеть от того,
до какой температуры газ нагреется в реакторе.
Если удастся разработать конструкцию высокотем-
пературного керамического реактора на основе окиси
бериллия, то можно будет поднять температуру нагрева
рабочего тела до 1500—2000° С. Еще большие перспек-
тивы сулит применение реакторов, тепловыделяющие
элементы которых будут изготовляться из тугоплавких
металлов. Пригодным для этой цели, по мнению амери-
канских ученых, окажется один из изотопов вольфрама.
Ядерный реактор с тепловыделяющими элементами из
вольфрама 184 позволит нагревать рабочее тело ракет-
ного двигателя—водород — до температуры примерно
2800° С. Тепловыделяющие элементы из карбидов гаф-
ния 180, незначительно поглощающего тепловые нейтро-
ны, обеспечат нагрев водорода в реакторе до темпера-
туры 3300° С.
5 Ю. Н. Сушков
65
Таким образом, температура нагрева водорода в
атомном ракетном двигателе будет, по-видимому, близ-
ка к температуре газов в камере сгорания современного
жидкостно-реактивного двигателя.
Остановимся на преимуществах водорода как рабо-
чего тела атомного ракетного двигателя.
Молекулярный вес продуктов сгорания жидкостно-
реактивного двигателя определяется химическим соста-
вом топлива и окислителя, которые должны реагировать
между собой с выделением тепла. Наименьший молеку-
лярный вес имеют продукты сгорания водорода в кисло-
роде— водяные пары. Если в качестве рабочего тела
атомного ракетного двигателя применять водород, моле-
кулярный вес которого в несколько раз меньше, чем мо-
лекулярный вес наилучшей комбинации топлива и окис-
лителя жидкостно-реактивного двигателя, то скорость
истечения его примерно в три раза превысит скорость
истечения продуктов сгорания из жидкостно-реактивного
двигателя. Это означает, что при использовании в ка-
честве рабочего тела водорода можно получить ту же
тягу при втрое меньшем весовом расходе его по сравне-
нию с суммарным расходом горючего и окислителя жид-
костно-реактивного двигателя.
Однако применение водорода в качестве рабочего
тела, вследствие очень малого удельного веса его даже
в сжиженном состоянии, требует чрезмерно большого
объема баков, что увеличивает вес конструкции, и по-
тому может оказаться невыгодным. Возможно, ока-
жется выгоднее использовать расплавленный металл с
наименьшим молекулярным весом. Таким металлом яв-
ляется литий.
Очевидно, что экономия в весе ежесекундно расходу-
емого рабочего тела будет тем больше, чем больше тяга
ракетного двигателя. Например, если жидкостно-реак-
тивный двигатель с тягой 3 т расходует ежесекундно
15 кг топлива и окислителя, то атомный ракетный дви-
гатель с той же тягой будет расходовать около 5 кг!сек
водорода, т. е. ежесекундная экономия составит при-
мерно 10 кг. При тяге сравниваемых двигателей в 30 т
ежесекундная экономия будет уже 100 кг.
Эти примеры показывают, что атомные ракетные дви-
гатели выгодно применять при больших тягах, когда
экономия в расходе рабочего тела даже за обычный
66
кратковременный срок работы космического ракетного
двигателя будет достаточной, чтобы окупить увеличение
веса атомного ракетного двигателя по сравнению с жид-
костно-реактивным двигателем и дать еще выигрыш.
К тому же и большой размер реактора не позволяет ис-
пользовать его в ракетных двигателях с малой тягой.
Атомный ракетный двигатель можно будет применить
для тяжелых ракет, двигатели которых должны разви-
вать тягу, исчисляемую десятками и даже сотнями тонн,
в течение сравнительно короткого времени разгона ра-
кеты для дальнейшего полета по инерции.
Ракетный двигатель на газообразном или пылевид-
ном ядерном горючем. Основным преимуществом ядер-
ного горючего перед химическим является колоссаль-
ная теплотворная способность. Ядерное горючее прин-
ципиально позволяет нагревать газ до любых темпера-
тур. Но практически степень нагрева рабочего тела в
атомном ракетном двигателе ограничивается темпера-
турой плавления или прочностью конструкционных ма-
териалов реактора. Ведь температура газа не может
превзойти температуру поверхности тепловыделяющих
элементов. Вот если бы тепло выделялось в самом газе,
тогда тепловыделяющие элементы не были бы нужны и,
применяя специальные меры по охлаждению корпуса
двигателя, удалось бы существенно повысить темпера-
туру нагрева газа.
Газообразные ядерные горючие известны. Таким,
например, является шестифтористый уран. Возникает
вопрос, нельзя ли создать ядерный реактор на газооб-
разном горючем? Такой реактор представлял бы собой
шаровую камеру, заполненную сжатым шестифтористым
ураном. При определенном давлении газа, зависящем от
размеров камеры и температуры в ней, в газообразном
горючем начнется цепная ядерная реакция. Если с од-
ной стороны камера переходит в реактивное сопло, то
при непрерывной подаче ядерного горючего будет раз-
виваться реактивная сила тяги.
Размер реактора сильно зависит от плотности ядер-
ного горючего в активной зоне. Вследствие малой плот-
ности газа по сравнению с твердым ураном даже при
давлениях в десятки и сотни атмосфер камера подоб-
ного ракетного двигателя оказалась бы недопустимо
большой. Его не удалось бы установить даже на очень
5*
67
большую ракету, не говоря уже о колоссальной стоимо-
сти безвозвратно выбрасываемого из реактивного сопла
ядерного горючего.
В связи с этим -привлекательным представляется ис-
пользование газообразного ядерного горючего для повы-
шения температуры нагрева газа в атомном ракетном
двигателе. Если перед входом в реактор к газу подме-
шать газообразное ядерное горючее или даже распылить
в нем твердое ядерное горючее, например окись урана,
то, подвергаясь воздействию нейтронного потока в реак-
торе, оно будет распадаться и выделять тепло. Это при-
ведет к дополнительному подогреву газа, первоначально
нагретого при соприкосновении с тепловыделяющими
элементами реактора.
Степень дополнительного подогрева определяется ко-
личеством тепла, выделяющегося при распаде газооб-
разного или пылевидного ядерного горючего. Чем боль-
ше концентрация подмешанного горючего, чем больше
плотность нейтронов в реакторе, тем выше будет допол-
нительный подогрев.
Плотность нейтронного потока реактора также имеет
предел. Она ограничивается в основном возможностью
нормального охлаждения тепловыделяющих элементов.
Дело в том, что тепловыделение пропорционально плот-
ности нейтронного потока и при чересчур большой ее
величине тепловыделяющие элементы не будут успевать
отдавать свое тепло в -газ, а следовательно, расплавятся.
Ограничивает плотность нейтронного потока также и
«отравление» реактора продуктами распада, сильно по-
глощающими тепловые нейтроны. Так как реактор на
быстрых нейтронах не «отравляется» в процессе рабо-
ты, в реакторах этого типа достижимы более высокие
плотности нейтронного потока.
Можно считать, что освоены плотности нейтронного
потока 1013—1014 \!см2сек для реакторов на тепловых
нейтронах и 1014— 1015 1/см2сек для реакторов на быст-
рых нейтронах. Как показывают элементарные расчеты,
для обеспечения приемлемых расходов газообразного
ядерного горючего плотность нейтронного потока реак-
тора нужно увеличить по крайней мере в тысячу раз.
Таким образом, проблема создания ракетного двига-
теля на газообразном или пылевидном ядерном горючем
еще находится в стадии теоретической разработки. Пред-
68
стоит повысить плотность нейтронного потока, снизить
расход подмешиваемого к рабочему телу ядерного го-
рючего. Кроме того, нужно решить целый ряд частных
вопросов, связанных с выбросом нераспавшегося ядер-
ного горючего и радиоактивных продуктов распада в ок-
ружающее пространство, с защитой от радиационного
излучения и т. д. Но исследования в этом направлении,
как сообщает американская печать, ведутся наряду с ра-
ботами по созданию ракетных двигателей с нагревом
рабочего тела в высокотемпературных реакторах. Эти
исследования получили условное название «проект Ро-
вер».
Если удастся увеличить плотность нейтронного по-
тока реактора, то можно будет, вероятно, создать двш
гатель, схема которого изображена на рис. 19.
Рис. 19. Схема атомного ракетного двигателя на суспензии ядерного
горючего
В шаровой камере, переходящей в реактивное сопло,
располагается высокотемпературный реактор с большим
каналом вдоль оси двигателя. Рабочим телом является
водород. В сжиженном виде он подается по трубопро-
воду в полость охлаждения реактивного сопла и камеры
двигателя. Из этой полости он поступает через радиаль-
ные поры отражателя и активной зоны в центральный
канал. При этом он испаряется и нагревается до тем-
пературы порядка 1,500° С.
По другому трубопроводу к форсункам подается рас-
твор или суспензия ядерного горючего в подходящей
жидкости. Распыленное форсунками ядерное горючее
69
перемешивается с нагретым рабочим телом и попадает
в зону облучения нейтронами. Здесь оно распадается и
дополнительно нагревает рабочее тело до температуры
4000—5000° С.
Но как предотвратить перегрев активной зоны реак-
тора? Для этого нужно изолировать горячие газы от
контакта с элементами конструкции реактора. Делается
это, например, применением пленочного охлаждения. Че-
рез радиальные каналы в активной зоне реактора, а
также через отверстия в реактивном сопле все время по-
ступает водород. Он образует газовую пленку, приле-
гающую к внутренней поверхности двигателя. Эта плен-
ка непрерывно размывается горячими газами, но в то
же время она непрерывно восстанавливается вновь по-
ступающими порциями водорода. Таким образом, непо-
средственный контакт газов, нагретых при распаде сус-
пензии ядерного горючего, с материалом реактора иск-
лючается. Перегрев активной зоны реактора происходит
только теплопередачей посредством лучеиспускания.
Однако при температуре 4000—5000° С лучистый тепло-
вой поток значительно меньше того, который имел бы
место при непосредственном омывании горячими газами
внутренней поверхности двигателя. Таким образом, мож-
но считать, что проблема охлаждения подобного ракет-
ного двигателя не является неразрешимой. Конечно, при
ее решении придется преодолеть значительные техниче-
ские трудности.
Если в атомном ракетном двигателе удастся нагре-
вать водород до температуры 4000° С, то при давлении
в камере порядка 100 кг/см2 скорость его истечения со-
ставит примерно 8500 м/сек. На каждый килограмм еже-
секундно выбрасываемого из реактивного сопла рабо-
чего тела такой двигатель будет развивать примерно в
3 раза большую тягу, чем современные жидкостно-реак-
тивные двигатели.
Плазменные ракетные двигатели. Температура газов
в камере сгорания современного жидкостно-реактивного
двигателя достигает нескольких тысяч градусов. При
этом часть молекул диссоциирована, раздроблена на за-
ряженные разноименным электричеством ионы.
С дальнейшим нагреванием степень диссоциации все
более увеличивается. Наконец, когда температура до-
стигает многих тысяч градусов, начинают разрушаться
70
атомы. Электроны, окружающие ядро, отрываются ОТ
него. Газ превращается в плазму — смесь хаотически
двигающихся заряженных частиц: электронов и оголен-
ных атомных ядер.
В последние годы в периодической печати все боль-
ше места уделяется описаниям проектов ракетных дви-
гателей, в которых рабочий газ находится в состоянии
плазмы. Такие двигатели называют плазменными. Ос-
новное их преимущество — большая удельная тяга, обус-
ловленная высокой температурой плазмы, истекающей
из реактивного сопла.
Характерной чертой плазменных двигателей является
применение нехимических источников энергии. Дело в
том, что тепла, выделяющегося в самых эффективных
реакциях горения, хватило бы на нагревание продуктов
сгорания до температуры 4000—5000° С. Чтобы получить
плазму, нужны более мощные источники тепла. Одним
из них может оказаться электрическая дуга.
Электрическая дуга позволяет получать такие высо-
кие температуры, при которых плавятся и испаряются
самые тугоплавкие вещества. Отложим пока вопрос об
источниках электроэнергии и посмотрим, нельзя ли при-
менить электрическую дугу в плазменном двигателе.
Известно, что стабилизация дуги, т. е. обеспечение
устойчивого ее горения, может осуществляться либо во-
дой, либо газами, например азотом, воздухом.
Стабилизатор подается тангенциально в цилиндри-
ческую оболочку, внутри которой горит дуга. Образует-
ся вихрь, окружающий дугу. Центробежные силы при-
водят к образованию в центре вихря области с малой
плотностью газа. В этой-то области вследствие бом-
бардировки частиц стабилизирующего вещества элек-
тронами, текущими между электродами дуги, и разви-
вается очень высокая температура. Здесь образуется
плазма. Если по оси одного из электродов выполнить
канал в форме реактивного сопла, то плазма с большой
скоростью будет вытекать из него, развивая реактивную
силу. Подобная электрическая дуга является моделью
плазменного ракетного двигателя.
, Проведенные в США эксперименты показали, что
плазменный двигатель такого типа с водяной стабилиза-
цией, потребляя 32 кет электроэнергии, выбрасывал
струю плазмы со скоростью 625 м/сек. При этом тем-
71
пература плазмы в золе горения дуги достигала 9700° С.
Низкая для плазменного двигателя скорость истечения
объясняется, по-видимому, резким охлаждением плазмы
во время ее движения по каналу электрода — соплу.
Плазменный двигатель такого же типа, но с газо-
вой стабилизацией электрической дуги позволял полу-
чать плазму с температурой всего лишь 7000° С. Ско-
рость истечения плазмы из сопла была 550 м/сек.
Рис. 20. Фотография электродугового генератора плазмы с водяной
стабилизацией дуги
Казалось бы, преимущество на стороне водяного
плазменного двигателя. Однако опыты показали, что во-
дяная плазма очень сильно разрушает электроды дуги.
В то время как в газовой плазме обнаруживалось около
3% материала электродов, в водяной плазме было
больше 60% таких примесей. На фотографии типич-
ного генератора плазмы (рис. 20) ясно видны светя-
щиеся линии, образованные горящими крупицами при-
месей. Поэтому дальнейшие исследования проводились
в основном с газовым плазменным двигателем.
В опытах удавалось передавать в плазму 50—80%
потребляемой дугой мощности. Остальная энергия ухо-
дила на нагрев корпуса, электродов и других деталей.
72
Приведем некоторые данные американской модели
плазменного электродугового ракетного двигателя с га-
зовой стабилизацией дуги, фотография которого приве-
дена на рис. 21. Двигатель потреблял от электрической
сети 250 кет. В плазму передавалось 60% этой мощно-
сти. При расходе плазмы 4,5 г!сек тяга двигателя дости-
гала 3,75 кг. При этом тепловой поток в электрод, через
Рис. 21. Фотография модели плазменного ракетного двигателя с
электродуговым генератором плазмы производительностью до
6 г/сек с газовой стабилизацией дуги
сопло которого вытекала плазма, был примерно в 20 раз
больше, чем в обычном жидкостно-реактивном двига-
теле.
В опытах по управляемым термоядерным реакциям
удавалось нагревать плазму до температуры в несколь-
ко миллионов градусов. Для этой цели чёрез разрежен-
ный газ пропускались мощные импульсы тока. Подоб-
ный метод нагрева можно применить и в плазменном
ракетном двигателе.
Принципиальная схема устройства такого двигателя
73
изображена на рис. 22. В разрядную камеру подается
газообразное рабочее тело. Периодически замыкается
электрическая цепь и через разреженный газ между
электродами проходит мощный импульс тока, создавае-
мый разряжающимся конденсатором. Один из электро-
дов имеет отверстие, через которое нагретая до сотен
тысяч градусов плазма выбрасывается в окружающее
пространство. Давление плазмы на стенки разрядной
Рис. 22. Принципиальная схема устрой-
ства ракетного двигателя с электрораз-
рядным нагревом плазмы:
/ — источник электроэнергии; 2 — конденсатор;
3—циклический выключатель; 4—подача ра-
бочего тела; 5 — поток плазмы
камеры приводит к
возникновению реак-
тивной силы.
Затем разрядная
камера заполняется
свежей порцией га-
за, а конденсатор за-
ряжается от источни-
ка электроэнергии.
Как только напряже-
ние на конденсаторе
достигнет нужной ве-
личины и рабочее те-
ло заполнит весь
'объем разрядной ка-
меры, замыкается
циклический выклю-
чатель и начинается
следующий цикл ра-
боты двигателя.
Подобный двига-
тель по сравнению с
тем, в котором на-
грев плазмы произ-
водится электриче-
ской дугой, будет
иметь гораздо боль-
шую удельную тягу,
так как температура
плазмы в нем ока-
жется в сотни раз выше. Однако недостатком его может
оказаться цикличность работы. Пульсация давления, по-
мимо снижения коэффициента полезного действия, воз-
можно, усложнит проблему борьбы с вибрациями двига-
теля.
74
Этого недостатка будет лишен ракетный двигатель
с индукционным нагревом плазмы.
Много хлопот и неприятностей электрикам достав-
ляют «вихревые» токи. Они возникают по индукции в
проводниках, находящихся
в переменном магнитном
поле. На образование этих
токов затрачивается энер-
гия. Они нагревают сердеч-
ники трансформаторов и
другие металлические дета-
ли электрических машин.
Усилия конструкторов-элек-
триков направлены на борь-
бу с этими вредными то-
ками.
Но «вихревые» токи
имеют и полезное примене-
ние. С их помощью, напри-
мер, быстро нагревается по-
верхностный слой закали-
ваемого стального изделия.
Они могут сыграть роль и в
создании плазменного ра-
кетного двигателя. Ведь
плазма — проводник тока.
Значит, ее можно нагревать
«вихревыми» токами, если
камеру с плазмой поместить
в переменное магнитное
поле. Исследования амери-
канских ученых подтверж-
дают этот вывод.
Принципиальная схема
устройства плазменного ра-
кетного двигателя с индук-
ционным нагревом плазмы
приведена на рис. 23. В камеру, помещенную внутрь
обмотки электромагнита, непрерывно подается газооб-
разное рабочее тело. Здесь оно ионизируется перемен-
ным магнитным полем и нагревается до температуры
в сотни тысяч градусов. Полученная плазма с громад-
ной скоростью выбрасывается через реактивное сопло.
Рис. 23. Принципиальная схе-
ма устройства плазменного ра-
кетного двигателя с индукци-
онным способом нагрева пла-
< змы:
1 — камера двигателя с обмоткой
электромагнита, 2 — подача рабо-
чего тела; 3 — генератор высокой
частоты; 4 — источник электроэнер-
гии; 5 — поток плазмы
75
Давление газа на переднюю стенку камеры и нН стейки
реактивного сопла образует силу тяги двигателя.
В опытах, проведенных в одной из американских ла-
бораторий с моделью подобного двигателя, до 70% под-
водимой электроэнергии удавалось использовать на соз-
дание реактивной силы.
Громадным преимуществом индукционного метода
нагрева плазмы перед электроразрядным является от-
сутствие в двигателе электродов. Снимается проблема
их охлаждения и защиты от разрушения. Повышается
надежность двигателя.
В последних двух схемах плазменных двигателей
предусматривается изоляция стенок камеры от плазмы
с помощью магнитного поля. Мы расскажем об этом
подробнее в разделе, посвященном термоядерным ракет-
ным двигателям.
Описывая возможные схемы плазменных двигателей,
мы оставили в стороне вопрос об источнике электроэнер-
гии. Вернемся к нему.
Очевидно, что использование химических топлив было
бы нецелесообразным, так как больший эффект, чем в
обычных жидкостных ракетных двигателях, от них, по-
видимому, нельзя получить. Энергию лучей Солнца
можно использовать лишь при полете в межпланетном
пространстве, когда можно применять громоздкие сол-
нечные батареи. Тяга плазменного ракетного двигателя,
электрическая дуга и электромагнитные ускорители ко-
торого питаются солнечными батареями, окажется недо-
статочной для взлета космического корабля с Земли.
В этом случае потребуется применение ракетных уско-
рителей на обычных топливах.
Возможно, что ядерный реактор окажется подходя-
щим источником энергии для ракет с плазменными дви-
гателями, обладающих автономностью старта. Подоб-
ный двигатель, работающий на гелиевой плазме, может
быть устроен, например, следующим образом (рис. 24).
Гелий из баллона с помощью насоса подается в ядер-
ный реактор. Здесь он нагревается и затем направляется
в турбину, которая приводит во вращение генератор тока
для электрической дуги. Выходящий из турбины гелий
снова подогревается в реакторе, а затем поступает в
камеру, где горящая дуга превращает его в плазму, ко-
торая через реактивное сопло выбрасывается в окружа-
76
ющее пространство. Давление плазмы на стенки камеры
образует реактивную силу.
При нагреве гелия в реакторе до 2000°С темпера-
тура плазмы может достигнуть почти 7000° С, что обес-
печит скорость истечения гелия порядка 8 км/сек. На
каждый килограмм ежесекундно расходуемого гелия та-
кой двигатель будет развивать тягу примерно 830 кг.
Рис. 24. Схема плазменного ракетного двигателя .на ядерной
энергии:
1 — баллон с гелием; 2 — гелиевый компрессор; 3 — электромотор,
4 — ядерный реактор; 5—гелиевая турбина; 6 — электрический генератор.
7 —• камера с электрической дугой
Недостатком рассмотренной схемы плазменного дви-
гателя является наличие электрического генератора. Тя-
желый сердечник из магнитной стали сильно увеличит
вес .всей установки. Кроме того, много будет весить
защита от излучений реактора. Поэтому стартовый вес
ракеты будет очень большим.
Ключом к созданию легких и мощных электродуго-
вых плазменных двигателей явилась бы разработка лег-
ких преобразователей ядерной энергии в электрическую.
Возможно, что легкие генераторы, использующие тепло
ядерного реактора, будут созданы на базе применения
полупроводников. А может быть, удастся отказаться и
от самого реактора, заменив его искусственными радио-
активными изотопами, испускающими в процессе рас-
пада заряженные частицы.
Говоря о плазменных электродуговых ракетных дви-
гателях, нельзя не вспомнить о том, что принципиаль-
77
пая возможность использования в ракетном двигателе
электрической энергии была доказана в Советском
Союзе еще в начале тридцатых годов, т. е. примерно за
25 лет до начала аналогичных опытов в США. Твердые
и жидкие проводники взрывались пропусканием элек-
трического тока. При этом образовывалась плазма, ко-
торая и являлась рабочим телом ракетного двигателя.
Советские исследователи добились крупных успехов
в создании высокотемпературных плазменных установок.
На Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной
механике, состоявшемся в начале 1960 года в Москве,
несколько докладов было посвящено этой теме. Так,
например, сообщалось, что на установке мощностью
115 кет при диаметре разряда 3 мм и силе тока в дуге
500 а получена температура плазмы порядка 35 000° С1.
На установке мощностью 3000 кет при таком же диа-
метре разряда и в 10 раз большей силе тока темпера-
тура плазмы достигала 55 000° С. Присутствовавшие на
съезде иностранные гости дали высокую оценку рабо-
там советских ученых.
Элементы магнитной гидродинамики. В рассмотрен-
ных нами схемах плазменных ракетных двигателей раз-
гон плазмы осуществляется за счет превращения тепло-
вой энергии хаотического движения ее частиц в кинети-
ческую энергию реактивной струи. При этом реактивной
силой является сила давления плазмы на стенки ка-
меры.
Если вспомнить, что плазма состоит из заряженных
частиц, то станет понятным стремление конструкторов
воспользоваться для ее разгона еще и электромагнит-
ными силами. При этом реактивная сила тяги будет
иметь электромагнитную природу.
Чтобы понять принцип действия электромагнитных
ускорителей плазмы, принцип образования электромаг-
нитной -реактивной силы, нам придется познакомиться с
основами магнитной гидродинамики. Но предваритель-
но вспомним некоторые положения элементарной фи-
зики.
1 Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике.
Москва, 27 января — 3 февраля 1960 года. Аннотации докладов.
Издательство Академии наук СССР, М., 1960, стр. 80.
78
Если пропускать электрический ток через прямоли-
нейный проводник, помещенный в магнитное поле, то
на него будет действовать выталкивающая сила. На-
правление ее действия определяется по правилу «ле-
вой руки».
Нужно расположить левую руку так (см. рис. 25),
чтобы магнитные силовые линии упирались в ладонь, а
вытянутые четыре пальца показывали направление тока.
При этом отставленный большой палец укажет направ-
ление электромагнитной
силы, действующей на про-
водник.
Если проводник с то-
ком свернуть в виток, то
на диаметрально противо-
положные участки его бу-
дут действовать противо-
положно направленные
силы. Они повернут виток
в однородном магнитном
поле с параллельными
магнитными силовыми ли-
ниями так, что плоскость
его будет перпендикуляр-
на к магнитным силовым
Поправление
тока
Рис. 25. Правило «левой руки»
линиям.
В этом положении электромагнитные силы стремятся
растянуть виток. Они уравновешиваются друг другом и
не могут переместить виток.
Иной результат получается при пропускании тока
через виток, помещенный в неоднородное поле с расхо-
дящимися или сходящимися магнитными силовыми
линиями. В этом случае не существует такого положе-
ния витка, при котором электромагнитные силы уравно-
вешиваются. Всегда имеется равнодействующая сила,
которая будет стремиться переместить виток в зависи-
мости от направления тока в витке и направления маг-
нитных силовых линий либо в сторону возрастания
напряженности поля — к магниту, либо в сторону ослаб-
ления напряженности поля — от магнита. На рис. 26
изображен случай, когда виток с током отталкивается
постоянным магнитом.
Направление тока в витке условно показано точкой
79
и крестиком. В том сечении витка, где стоит точка, ток
движется «на нас», а там, где крестик, — «от нас». Та-
ким образом, если смотреть со стороны магнита, то
направление тока в витке противоположно движению
часовой стрелки.
На диаметрально противоположных участках витка
возникают силы, направление которых определяется по
правилу «левой руки». Их можно разложить на два
Рис. 26. Схема возникновения электромагнит-
ной силы, отталкивающей в.иток с током от
магнита
взаимно-перпендикулярных направления: вдоль оси
витка и перпендикулярно к ней. Составляющие, направ-
ленные к оси, взаимно уравновешиваются. Они стре-
мятся сжать виток. Составляющие, параллельные оси
витка, стремятся оттолкнуть его от магнита.
Если изменить направление тока в витке на проти-
воположное, то силы Fi и F2 будут действовать в обрат-
ном направлении. Виток будет растягиваться и стре-
миться приблизиться к магниту.
Мы рассмотрели взаимодействие магнитного поля с
электрическим током, текущим по твердому провод-
нику. А если проводник жидкий или газообразный?
Вот в этом случае и выступает на сцену магнитная гид-
родинамика, объектом исследования которой является
жидкая или газообразная среда, проводящая электри-
ческий ток.
80
Магнитная гидродинамика — молодая и быстро раз-
вивающаяся отрасль физики. Она возникла из потреб-
ностей геофизики и астрономии, но в последние годы
приобрела большое значение в связи с работами по
управляемым термоядерным реакциям и другими тех-
ническими применениями.
В обычных условиях газы не пропускают электриче-
ского тока. Но ионизированный газ является хорошим
проводником. Сопротивление газа электрическому току
тем меньше, чем выше степень ионизации газа и чем
меньше его давление.
Газы, жидкости состоят из отдельных молекул, но
мы воспринимаем их как сплошную среду. В магнитной
гидродинамике считается, что рассматриваемые среды
являются также сплошными. В дальнейшем мы будем
пользоваться понятием «проводящая среда», объединяя
им жидкие проводники и ионизированные газы, доста-
точно плотные для того, чтобы считать их сплошной
средой.
Магнитная гидродинамика изучает движение прово-
дящей среды в магнитном поле. При этом возникают
электрические токи, которые создают свое магнитное
поле, накладывающееся на внешнее. Взаимодействие то-
ков с магнитным полем приводит к образованию элек-
тромагнитных сил, изменяющих движение среды. Таким
образом, движение проводящей среды и магнитное поле
оказываются взаимосвязанными.
Познакомимся с некоторыми выводами сложной
математической теории магнитной гидродинамики.
Внешнее магнитное поле не мгновенно проникает в
неподвижный проводник. Оно постепенно «просачи-
вается» через электропроводящую среду. Некоторое
время требуется для того, чтобы магнитное поле рас-
сеялось из проводника после устранения внешнего поля.
Так, например, время затухания поля в медном шаре
радиусом 1 м равно нескольким секундам. А если при-
нять, что ядро Земли состоит из расплавленного железа,
то время затухания земного магнитного поля будет рав-
но примерно 15 000 лет.
Если в магнитном поле двигать проводник так, чтобы
он пересекал магнитные силовые линии, то в нем будет
индуцироваться электродвижущая сила. В замкнутом
проводнике потечет электрический ток, всегда направ-
§ IO. Н. Сушков
ленный так, что сила взаимодействия его с магнитным
полем будет препятствовать его движению.
Магнитное поле,- создаваемое током в движущемся
проводнике, накладывается на внешнее поле и изме-
няет его таким образом, как будто движущийся провод-
ник увлекает за собой пересекаемые магнитные силовые
линии.
Аналогичное явление имеет место и при движении
в магнитном поле проводящей среды. Она стремится
увлечь за собой магнитные силовые линии. Если сопро-
тивление среды электрическому току ничтожно мало, то
магнитное поле перемещается вместе со средой. Оно
оказывается как бы «вмороженным» в вещество.
Таким образом, изменение магнитного поля в какой-
либо точке заполненного веществом пространства обус-
ловливается двумя факторами: движением магнитных
силовых линий с веществом и просачиванием их через
вещество. Чем больше электропроводность и магнитная
проницаемость вещества, чем больше размер области,
занятой магнитным полем, и скорость движения веще-
ства, тем значительнее роль первого фактора и слабее
роль второго фактора. Это значит, что изменение косми-
ческих магнитных полей определяется в основном дви-
жением космических масс, увлекающих за собой маг-
нитные силовые линии. В лабораторных условиях маг-
нитные поля быстро просачиваются через вещество, а
электрические токи определяются главным образом
электропроводностью среды.
Каждая единица объема магнитного поля обладает
энергией, пропорциональной магнитной проницаемости
вещества и квадрату напряженности магнитного поля.
При изменении магнитного поля его энергия может пре
вратиться в механическую работу.
Взаимодействие магнитного поля с движущейся про-
водящей средой сопровождается некоторыми механиче-
скими эффектами. Так, например, если электрическим
сопротивлением среды пренебречь нельзя, то магнитное
поле не будет «вморожено»'в вещество, движущееся под
действием сил неэлектромагнитного происхождения.
При пересечении веществом магнитных силовых ли-
ний возникнет механическая сила, которая будет стре-
миться затормозить движение вещества. Это явление
называется индукционным торможением. С ростом ско-
82
рости движения вещества, например под воздействием
какой-либо неэлектромагнитной силы, увеличивается и
индукционное торможение. Как только сила индукци-
онного торможения сравняется с действующей на веще-
ство неэлектромагнитной силой, скорость движения ве-
щества станет постоянной.
В случае когда электрическое сопротивление прово-
дящей среды очень мало, магнитное поле оказывается
«вмороженным» в вещество. Магнитные силовые линии
движутся вместе с веществом и не пересекаются по-
следним. Механические эффекты, сопровождающие по-
добное движение, зависят от соотношения величин маг-
нитной и кинетической энергии, содержащихся в еди-
нице объема вещества.
Если энергия магнитного поля велика по сравнению
с кинетической энергией вещества, то движение почти
полностью определяется магнитным полем. При малой
энергии магнитного поля оно почти не влияет на дви-
жение идеально проводящей электрический ток среды.
Пусть в проводящей‘'среде, пронизанной однородным
магнитным полем, возникают какие-либо возмущения,
сопровождающиеся местными отклонениями напряжен-
ности магнитного поля и скорости вещества. Подобные
возмущения возникнут, например, при внедрении в иони-
зированный газ пучка ионов. Как будут распростра-
няться в веществе эти возмущения?
Уравнения магнитной гидродинамики говорят, что в
этом случае возникнут магнитогидродинамические бегу-
щие волны. Они будут распространяться вдоль магнит-
ных силовых линий со скоростью, прямо пропорцио-
нальной напряженности магнитного поля и квадратному
корню из отношения магнитной проницаемости веще-
ства к его плотности.
Если скорость движения среды мала по сравнению со
скоростью распространения магнитогидродинамических
волн, то возмущения распространяются, не вызывая су-
щественного изменения поля. Если же скорость движе-
ния вещества превысит скорость магнитогидродинами-
ческих волн, то явление будет аналогично сверхзвуко-
вому течению газа в аэродинамике. Возникнут магнито-
гидродинамические ударные волны, сопровождающиеся
резким искажением магнитного поля.
6*
83
В реальных системах скорость распространения маг*
нитогидродинамических волн колеблется в широких пре-
делах. Так, в железном земном ядре она равна лишь
нескольким сантиметрам в секунду. В то же время в
солнечной атмосфере, имеющей очень малую плот-
Рис. 27. Принципиальная схе-
ма «плазменной пушки» пуго-
вичного типа:
1 — электродуговой разряд; 2 — изо-
лятор; 3 — механизм , подачи элек-
тродов; 4 — циклический выклю-
чатель тока; 5—конденсатор;
6 — источник электроэнергии
ность, магнитогидродинами-
ческие волны могут распро-
страняться со скоростью не-
скольких километров в се-
кунду.
В следующем разделе
мы познакомимся с некото-
рыми принципиальными
•схемами устройства магни-
тодинамических плазмен-
ных двигателей и увидим,
как в них используются за-
коны магнитной гидроди-
намики.
Магнитодинамические
плазменные двигатели. Мо-
делью простейшего магни-
тодинамического двигателя
является «плазменная пуш-
ка» пуговичного типа.
В этом устройстве органи-
чески объединены генера-
тор плазмы и ускоритель
ее.
Принципиальная схема
устройства «плазменной
пушки» пуговичного типа
приведена на рис. 27. В ке-
рамическом изоляторе рас-
полагаются параллельно
два металлических, напри-
мер титановых, насыщенных
дейтерием электрода. При замыкании электрической
цепи между ними возникает электродуговой разряд.
Часть металла электродов при этом испаряется и пре-
вращается в плазму. Образовавшееся в момент разряда
электромагнитное поле сильнее на внутренней стороне
электрической дуги и слабее на внешней. Взаимодейст-
84
вне неоднородного магнитного поля с породившим его
электрическим током приводит к «выстреливанию» сгу-
стка плазмы в направлении, указанном на рис. 27
стрелкой. В этот момент электрическая цепь разры-
вается с помощью циклического выключателя тока. Кон-
денсатор постепенно заряжается от источника электро-
энергии, чтобы в, следующем цикле почти мгновенно
отдать-свой заряд на образование электрической дуги.
Механизмы подачи непрерывно выдвигают электроды,
разрушающиеся в момент разряда тока.
С помощью «плазменных пушек» рассмотренного
типа американским исследователям удавалось, по сооб-
щениям печати, получать скорость сгустков плазмы до
200 км!сек. При этом на разгон плазмы затрачивалось
около 40% расходуемой в дуговом разряде электро-
энергии.
Установки, использующие для ускорения плазмы
внешние магнитные поля, можно разбить на две группы:
электродные и безэлектродные. Принцип действия элек-
тродного плазменного ускорителя состоит в следующем.
Через плазму с помощью расположенных в ней электро-
дов пропускается электрический ток. При этом движе-
ние заряженных частиц плазмы становится более или
менее упорядоченным. Созданное мощными электромаг-
нитами внешнее магнитное поле воздействует на движу-
щиеся частицы плазмы и разгоняет их в заранее рас-
считанном направлении.
Примером электродного ускорителя плазмы может
служить «рельсовый» ускоритель, принципиальная схема
устройства которого изображена на рис. 28. В плазму
помещаются два параллельных проводника («рельсы»)
в том направлении, куда нужно разгонять плазму.
Внешнее магнитное поле должно быть перпендикулярно
к плоскости, в которой располагаются проводники.
При замыкании выключателя на проводники по-
дается напряжение. Через плазму между разрядниками
потечет ток. На столб плазмы, являющийся, по сути
дела, проводником с током, помещенным в магнитное
поле, будет действовать электромагнитная сила. Она
начнет разгонять столб плазмы вдоль электродов —
«рельсов». При достаточно большой длине проводников
скорость плазмы достигнет такой величины, при кото-
рой сила индукционного торможения сравняется с
85
ускоряющей силой. Эта скорость и является предельной
для «рельсового» ускорителя плазмы.
После того как сгусток плазмы будет сброшен с элек-
тродов, на разрядниках автоматически возникнет оче-
редной импульс тока и цикл разгона следующей порции
плазмы повторится.
Рис. 28. Принципиальная схема «рельсового» ускорителя плазмы:
/—сгусток ускоояемой плазмы; 2 — проводники; 3 — источник тока; 4 — вы-
ключатель; 5 — разрядники; /— ток в проводниках и плазме; Н — магнит-
ное поле; F—выталкивающая сила
О том, какую скорость плазмы можно получить с по-
мощью «рельсовых» ускорителей, говорит следующий
пример. Пусть каждый из проводников имеет длину
73 см, а напряженность магнитного поля 10 000 ас. Тогда
при силе тока 10 000 а за каждую миллионную долю
секунды из ускорителя будет выбрасываться со скоро-
стью порядка 1500 км/сек сгусток плазмы массой в одну
десятимиллионную долю грамма. Сила тяги двигателя
при этом достигнет 15 кг.
Другим типом электродного ускорителя плазмы яв-
ляется ротоплазмотрон, схема устройства которого пока-
зана на рис. 29. Генератор плазмы, например пугович-
ного типа, подает ее в кольцевой зазор между электро-
дами. Здесь через плазму проходит пульсирующий ток в
радиальном направлении. Взаимодействие его с осевым
внешним магнитным полем приводит плазму во враще-
ние. При этом возникает собственное магнитное поле
плазмы, накладывающееся на внешнее, создаваемое
электромагнитом. В результате взаимодействия враща-
ющейся плазмы с общим магнитным полем возникает
сила, ускоряющая кольцо плазмы в осевом направле-
нии.
86
Теоретические работы советских ученых, подкреплен-
ные экспериментальными исследованиями1, показывают
принципиальную возможность ускорения газоразрядной
плазмы в подобных установках до скоростей 1000—
10 000 км)сек.
Рис. 29. Принципиальная схема ротоплазмотрона:
/ — генератор плазмы (пуговичного типа); 2— соосные цилинд-
рические электроды: 3 — обмотка электромагнита; 4 — керами-
ческий изолятор; И — магнитное поле
Довольно высокие температуры, обеспечивающие
большую скорость истечения плазмы, могут быть полу-
чены при столкновениях ударных волн. На рис. 30 при-
ведена принципиальная схема одного из возможных
способов использования ударных волн для ускорения
плазмы. Т-образная трубка с помещенными в нее элек-
тродами заполняется разреженным газом. Затем через
циклический выключатель пропускается мощный им-
пульс тока. Внезапное нагревание газа превращает его
в плазму и приводит к резкому повышению давления.
Результатом этого является возникновение ударной вол-
1 Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике.
Москв'а, 27 января—-3 февраля I960 года. Аннотации докладов,
стр. 53.
87
ны, двигающейся с большой скоростью вниз по трубке.
Проходя по плазме, ударная волна нагревает ее и раз-
гоняет вдоль трубки.
Если один из проводников расположить в виде на-
кладки на трубку, то возникающее при прохождении
через нее тока магнитное поле приведет к увеличению
скорости распространения
ударной волны, температуры
плазмы в трубке и скорости
движения плазмы по трубке.
В опытах американских уче-
ных на подобных установках
удавалось получать, по сооб-
щениям печати, температуру
плазмы порядка 500 000° С.
Еще более высокие темпе-
ратуры были достигнуты в
Н-образных трубках, пред-
ставляющих собой, по сути
дела, две сложенные «нож-
ками» Т-образные. Если от
середины «перекладины» в
букве «Н» сделать отводящую
трубку, то по ней будет
устремляться плазма, разогре-
тая в результате столкновения
ударных волн.
Недостатком, органически
присущим всем электродным
ускорителям плазмы, являет-
ся разрушение электродов под
действием высокой температу-
ры и электрических разрядов.
Поэтому несомненный интерес
представляют безэлектродные
ях требуется последовательно
решить две задачи. Прежде всего нужно ионизировать
разреженный рабочий газ и превратить его в плазму, а
после этого — разогнать плазму как можно быстрее.
Для ионизации газа в безэлектродных ускорителях
можно применить переменное электромагнитное поле
высокой частоты, вызывающее индукционный нагрев.
На рис. 31 и 32 приведены принципиальные схемы
Рис. 30. Принципиальная
схема электроразрядного
ускорителя плазмы с -удар-
ной волной:
1 — источник электроэнергии;
2 — конденсатор; 3 — цикличе-
ский выключатель; 4 — наклад-
ка для создания магнитного
поля; 5 — электроды; 6 — подача
рабочего тела; 7 — ударная
волна
ускорители плазмы. В
88
Рис. 31. Принципиальная схема без-
электродного ускорителя плазмы с бе-
гущей волной:
1 — источник электроэнергии; 2 — генера-
тор высокой частоты; 3 — генератор бегу-
щей электромагнитной волны; 4 — подача
рабочего тела; 5 — зона индукционной ио-
низации; 6 — зона разгона плазмы
безэлектродных ускорителей плазмы. В первом рис. непре-
рывно подаваемое рабочее тело — разреженный газ —
проходит через зону облучения его высокочастотными
электромагнитными волнами и непрерывно ионизи-
руется. Во втором рис. разреженный газ подается периоди-
чески и ионизация про-
изводится циклически
мощным пульсирую-
щим электромагнит-
ным полем, образую-
щимся при прохожде-
нии импульсов тока по
обмотке катушки.
Разгон образовав-
шейся плазмы органи-
зуется в этих ускорите-
лях по-разному. В дви-
гателе, представлен-
ном на рис. 31, плазма
разгоняется переме-
щающимися по длине
канала так называе-
мыми бегущими элек-
тромагнитными волна-
ми. Каждая такая вол-
на является своеобраз-
ным поршнем, вытал-
кивающим из канала
очередную порцию
плазмы. Чем больше
скорость, бегущей вол-
ны, тем сильнее разго-
няется плазма. Получе-
ние высокой скорости
движения бегущей волны требует применения сложных
устройств и является одной из основных трудностей
осуществления этой схемы.
В ускорителе, изображенном на принципиальной схеме
(рис. 32), плазма в момент ее образования неравномерным
магнитным полем индукционной катушки выбрасывается
с большой скоростью в обе стороны. Дополнительные
электромагниты поворачивают ее в нужном направле-
нии. В момент мгновенного нагрева плазмы образуются
89
ударные волйы, распространяющиеся затем по каналу
в обе стороны.
До сих пор мы говорили только об ускорении плаз-
мы и не говорили о возникновении реактивной силы.
Во всех случаях электромагнитного ускорения плазмы
реактивная сила имеет электромагнитную природу. Так,
когда плазма выбра-
Рис. 32. Принципиальная схема без-
электродного ускорителя плазмы с
ударной волной:
1 — источник электроэнергии: 2 — конденса-
тор; 3 — циклический выключатель; 4 —
ударные волны
сывается электромаг-
нитом, последний от-
талкивается от нее в
противоположном на-
правлении. Эта-то си-
ла реактивного воз-
действия плазмы на
электромагнит и яв-
ляется основной со-
ставляющей силы тя-
ги плазменных магни-
тодинамических двига-
телей. Добавлением к
ней может явиться
давление плазмы на
переднюю стенку ка-
меры ускорителя.
Термоядерные ракет-
ные двигатели. В 1956
году во время пребы-
вания в атомном цент-
ре Англии — Харуэл-
ле И. В. Курчатов про-
читал лекцию о веду-
щихся в Советском
Союзе работах по управляемым термоядерным реак-
циям. Вслед за этим начали появляться сообщения
о подобных работах, ведущихся в США и Англии. Ока-
залось, что интенсивные теоретические и эксперимен-
тальные работы в этой области начались в этих странах
примерно одновременно — с начала пятидесятых годов.
К настоящему времени опубликовано довольно много
материалов, которые позволяют подвести первые итоги
работ по управляемым термоядерным реакциям и оце-
нить перспективы их использования в ракетных двига-
телях.
90
Остановимся прежде всего на условиях протекания
термоядерных реакций. Само название их подчеркивает,
что необходима высокая температура, в сотни миллио-
нов градусов. Только в этом случае скорость движения
ядер будет достаточной для преодоления электрических
сил отталкивания одноименно заряженных ядер и, сле-
довательно, для слияния ядер, при котором освобож-
дается энергия.
Известно, что давление газа в замкнутом объеме за-
висит от его плотности и температуры. Чем выше темпе-
ратура, тем больше давление газа. Чтобы избежать
колоссальных давлений плазмы при сверхвысоких тем-
пературах, нужно чтобы ее плотность по сравнению с
плотностью окружающего нас воздуха все время была
примерно в 10 тысяч раз меньше. Однако с уменьше-
нием плотности плазмы уменьшается и мощность, выде-
ляемая в единице объема термоядерного реактора.
Поэтому приемлемый диапазон плотностей плазмы ле-
жит между 1014 и 1018 частиц в кубическом сантиметре.
Для сравнения укажем, что на уровне моря в кубиче-
ском сантиметре воздуха содержится 2,7*1019 молекул.
Несмотря на различные мероприятия, направленные
на предотвращение потерь энергии из термоядерного
реактора, они будут. Основные потери происходят от из-
лучения плазмы в результате хаотических столкновений
ее частиц, главным образом электронов с ионами. С ро-
стом температуры плазмы потери энергии возрастают,
но еще более быстро возрастает выделение энергии в
ходе термоядерной реакции. При некоторой температуре,
называемой температурой «зажигания», выделение энер-
гии сравняется с потерями. При этой температуре и
выше возможно протекание самоподдерживающейся
термоядерной реакции. Избыток выделения энергии над
ее потерями может быть использован для образования
силы тяги ракетным термоядерным двигателем.
Величина температуры «зажигания» зависит оттого,
какое термоядерное горючее применяется, и от того, на-
сколько оно чисто. Так, например, термоядерная реак-
ция, в ходе которой из дейтерия и трития образуется
гелий, будет самоподдерживающейся при температуре
около 45 миллионов градусов и выше, если плотность
плазмы составит 1015 частиц в кубическом сантиметре.
В то же время для «зажигания» реакции синтеза гелия
91
из чистого дейтерия потребуется при той же плотности
плазмы температура не ниже 400 миллионов градусов.
Если в первой реакции при температуре 100 миллионов
градусов каждый кубический сантиметр реактора будет
развивать мощность свыше 10 вт, то вторая реакция
позволит получать при температуре 1000 миллионов гра-
дусов лишь 3 вт с кубического сантиметра полезного
объема реактора. Отметим, что мощность термоядерного
реактора изменяется прямо пропорционально квадрату
плотности плазмы.
Наличие примесей увеличивает излучение энергии
плазмой и, следовательно, повышает температуру «за-
жигания» термоядерной реакции. Особенно вредны при-
меси «тяжелых» ядер, состоящих из большого количе-
ства нуклонов. Поэтому проблема очистки подаваемых в
зону реакции термоядерных горючих имеет громадное
значение. Необходимо также надежно изолировать плаз-
му от стенок реактора. В противном случае металл
оболочки реактора будет разрушаться и загрязнять
плазму.
Проблема изоляции плазмы от стенок термоядерного
реактора имеет два аспекта. Об одном из них мы только
что говорили — это разрушение оболочки реактора. Одна-
ко опасность не столь велика,- как кажется на первый
взгляд. Чрезвычайно низкая плотность плазмы приводит
к тому, что последняя при контакте с металлической
стенкой моментально охлаждается, не успев нагреть ме-
талл заметным образом. Вот в этом охлаждении плазмы
и заключается второй аспект.
Как же можно решить проблему изоляции плазмы от
стенок реактора, или, как говорят, проблему «удержа-
ния» плазмы?
Наиболее целесообразным и многообещающим мето-
дом удержания плазмы в настоящее время считается
использование магнитных полей. Представим себе ци-
линдр, заполненный плазмой. Пусть вдоль оси цилиндра
идут силовые линии внешнего электромагнитного поля,
образованного обмоткой вокруг цилиндра, по которой
пропускается ток.
Если какая-либо частица плазмы двигается к стенке
цилиндра, то она начнет пересекать магнитные силовые
линии. Законы магнитной гидродинамики говорят, что
в этом случае на частицу будет действовать сила, кото-
92
рая отклонит ее от первоначального направления движе-
ния и заставит вращаться по спирали вокруг магнитной
силовой линии. Если же частица двигается вдоль маг-
нитной силовой линии, то никакой удерживающей силы
не возникает и частица вылетит из цилиндра в осевом
направлении. Чтобы предотвратить утечку таких частиц
плазмы, надо сгустить магнитные силовые линии по
краям цилиндра. Это легко сделать, увеличив толщину
обмотки электромагнита по краям цилиндра. Подобная
камера с магнитной изоляцией плазмы изображена на
рис. 33.
0900000 о оо оооо о о О о
OOOOOQQOO 00 0090000
ООО 000
Рис. 33. Схема магнитной изоляции плазмы от сте-
нок сосуда
Из магнитной гидродинамики известно, что движу-
щиеся в магнитном поле заряженные частицы, а как раз
такими и являются частицы плазмы, образуют свое маг-
нитное поле, направленное противоположно внешнему.
Если плотность плазмы и скорость движения ее частиц
достаточно велики, то индуцированное частицами плаз-
мы поле полностью компенсирует внешнее магнитное
поле и внутри плазмы магнитное поле окажется равным
нулю. В этом случае частицы плазмы будут двигаться
прямолинейно до ее границы, а затем отразятся магнит-
ным полем. Таким образом, давление плазмы уравнове-
шивается давлением магнитного поля.
Наиболее выгодным термоядерным горючим в на-
стоящее время считается смесь дейтерия с тритием.
Температура «зажигания» для нее наименьшая по срав-
нению с другими термоядерными горючими. Но тритий в
природе встречается в ничтожных количествах, исклю-
чающих его добычу. Он должен производиться искус-
93
ственно и сейчас для военных целей получается в спе-
циальных ядерных реакторах.
Однако имеется возможность избежать расходование
дорогостоящего трития. Для этого зону дейтерий-тритие-
вой термоядерной реакции нужно окружить литием.
Нейтроны, возникающие в ходе термоядерной реакции,
будут захвачены ядрами лития. Поглотившее нейтрон
ядро лития оказывается неустойчивым и с выделением
энергии распадается на тритий и гелий. Таким образом,
тритий восстанавливается, а расходуется литий.
Естественно, что литий в этом процессе нагревается
и его необходимо охлаждать. Проще всего это сделать,
создавая вокруг термоядерного реактора полость, за-
полненную циркулирующим жидким литием. Выходящий
из полости нагретый литий направляется в радиатор, где
отдает свое тепло охлаждающей воде. После этого ли-
тий подается в специальное устройство, в котором из
него извлекается тритий.
Наибольшая доля — примерно 80%' — энергии тер-
моядерного синтеза гелия из смеси дейтерия с тритием
выделяется в виде кинетической энергии возникающих
в ходе этой реакции нейтронов. Около 15% выделяю-
щейся энергии уносят с собой частицы плазмы, проры-
вающиеся сквозь удерживающее их магнитное поле.
Оставшиеся 5% энергии затрачиваются на соударения
частиц плазмы между собой, при которых их кинетиче-
ская энергия превращается в энергию рентгеновых
лучей.
Для того чтобы использовать выделяющуюся в этой
реакции энергию, нужно уловить вылетающие из реак-
тора нейтроны. В процессе замедления их при столкно-
вениях с ядрами атомов замедлителя нейтроны отдадут
свою энергию замедлителю и нагреют его. Это тепло
можно использовать для работы обычных тепловых ма-
шин — паровой или газовой турбины, для нагревания ра-
бочего тела ракетного двигателя и т. д.
В ходе реакции синтеза гелия из чистого дейтерия
нейтроны уносят лишь около трети освобождающейся
энергии, а основная доля выделяется в виде кинетиче-
ской энергии заряженных частиц — продуктов реак-
ции. При этом принципиально возможно прямое превра-
щение их энергии в электрическую,
94
Например, если слегка увеличить напряженность маг*
питного поля, удерживающего плазму, то плазма со-
жмется, ее плотность увеличится. Выделение энергии
увеличится, возрастут температура и давление плазмы.
Плазма начнет расширяться, преодолевая магнитное
поле, изменяя его. В результате в катушках, окружаю-
щих термоядерный реактор, будет индуцироваться элек-
трический ток.
Вследствие расширения плазмы выделение энергии
снизится. Она опять сожмется, и описанный процесс по-
вторится. Таким образом, в электрических цепях будет
генерироваться переменный ток.
Возможно, что при осуществлении процесса прямого
превращения энергии термоядерного синтеза в электри-
ческую возникнут непредвиденные трудности и он ока-
жется менее выгодным, чем рассмотренный ранее путь
использования тепловых машин.
В настоящее время управляемая термоядерная реак-
ция еще не осуществлена. Газета «Уолл-стрит джорнэл»
в январе 1960 года сообщила, что американские ученые
получали температуры порядка 10—20 миллионов гра-
дусов, а через год — два смогут создать в лабораторных
установках на миллионные доли секунды температуру
около 50 миллионов градусов, достаточную для «зажи-
гания» реакции синтеза гелия из смеси дейтерия с три-
тием. Однако от момента получения нужной темпера-
туры до создания работоспособного термоядерного
реактора лежит большой и трудный путь. Поэтому, ка-
саясь создания термоядерных ракетных двигателей,
можно высказать лишь самые общие предположения.
Несмотря на это, в печати имеются сообщения о воз-
можных путях создания и о выполненных эскизных про-
ектах термоядерных двигателей.
Наиболее простым путем создания термоядерного
ракетного двигателя окажется, по-видимому, использо-
вание выделяющегося в ходе реакции тепла для нагрева
рабочего тела. Схема устройства такого двигателя пред-
ставлена на рис. 34. Принцип его работы заключается
в следующем. Из бака рабочее тело, которым может
служить, например, вода или сжиженный водород, по-
дается насосом в камеру ракетного двигателя. Проходя
по каналам теплообменника, рабочее тело нагревается
до высокой температуры и вытекает в окружающее про-
95
странство. Давление газов на стенки камеры и реак-
тивного сопла создает реактивную силу тяги двигателя.
Тепло в камеру ракетного двигателя транспорти-
руется теплоносителем, который нагревается в термо-
ядерном реакторе. Часть горячих газов из ракетного
двигателя подается к турбине, приводящей во враще-
Рис. 34. Принципиальная схема теплового тер-
моядерного ракетного двигателя:
1 — бак с рабочим телом; 2 — насос рабочего тела/
3 — ракетный двигатель с теплообменником; -4 — на-
сос теплоносителя; 5 — термоядерный реактор; 6 —
турбина; 7 — генератор электрического тока
ние электрический генератор. Вырабатываемый им ток
нужен для работы термоядерного реактора, электро-
моторов, связанных с насосами, и других устройств ра-
кеты.
В такой схеме термоядерного ракетного двигателя
будут действовать те же ограничения по температуре
нагрева рабочего тела, которые мы рассмотрели в раз-
деле, посвященном атомному ракетному двигателю.
Максимальная температура должна быть ниже темпе-
ратуры плавления материалов теплообменника.
Очень сильно возросла бы удельная тяга термоядер-
ного двигателя, если бы из реактивного сопла удалось
выбрасывать непосредственно высокотемпературную
плазму. Это возможно. Нужно лишь, чтобы реактивное
сопло было магнитным. На рис. 35 изображена прин-
96
ципиальная схема магнитной «камеры сгорания» и маг-
нитного «реактивного сопла» термоядерного ракетного
двигателя.
Этот двигатель работает следующим образом. С ле-
вой стороны «плазменная пушка» вводит свежую пор-
цию плазмы. Она дополнительно сжимается магнитным
полем. Возникает термоядерная реакция. Продукты ее
вбм
плазмы
Рис. 35. Принципиальная схема термоядерного ракетного
двигателя с магнитным реактивным соплом:
1 — магнитное зеркало; 2 — зона термоядерной реакции; 5 — маг-
нитное реактивное сопло
выбрасываются через магнитное реактивное сопло, где
поле слабее. При этом возникает реактивная сила, име-
ющая электромагнитную природу. Если такие циклы
будут следовать друг за другом с большой частотой, то
двигатель разовьет значительную тягу.
Рабочий процесс такого двигателя может быть непре-
рывным. Для этого слева должен подаваться неионизи-
рованный газ, способный свободно проходить через об-
ласть очень высокой напряженности магнитного поля.
При температуре плазмы 100 миллионов градусов ско-
рость истечения продуктов реакции достигнет
1000 км/сек.
В американской печати приводился набросок проек-
та термоядерного ракетного двигателя пульсирующего
типа, в котором плазма нагревается гидромагнитными
ударными волнами. Хотя работоспособность подобного
двигателя вызывает большие сомнения, расскажем о
предполагаемом принципе его действия.
В камеру сгорания через входные клапаны периоди-
чески подаются тяжелый водород и окислитель. Затем
смесь воспламеняется искровой свечой. Продукты сго-
7 ЮН Сушков
97
рания, попадая в канал, выполненный по оси солено-
ида, под воздействием магнитного поля ионизируются.
Таким образом, в канале соленоида возникает пульси-
рующий поток ионизированного газа. Это приводит к
возникновению гидромагнитных ударных волн, анало-
гичных гидродинамическим ударным волнам в сверхзву-
ковом потоке.
При увеличении напряженности магнитного поля со-
леноида и уменьшении плотности газа скорость распро-
странения гидромагнитных волн возрастает. Авторы про-
екта считают, что можно получить настолько большую
скорость движения этих волн, что при соударении пря-
мой волны с отраженной разогрев газа будет достаточ-
ным для начала термоядерной реакции. Продукты реак-
ции выбрасываются через сопло в атмосферу, создавая
тягу.
В качестве источника электроэнергии для питания
соленоида и других нужд предполагается использовать
термоэлектрические батареи, работающие на тепле вы-
хлопных газов. Чтобы обеспечить создание сильных маг-
нитных полей, предусмотрено водяное охлаждение об-
мотки соленоида.
Если проблема управления термоядерной реакцией
будет решена, а для этого есть основания, — то перед
конструкторами космических ракет откроются невидан-
ные возможности. Тяга термоядерного ракетного дви-
гателя, в котором ежесекундно килограмм смеси дейте-
рия и трития превращается в гелий, по подсчетам не-
мецкого специалиста Е. Зенгера (ФРГ), может быть
доведена до 3550 т. Чтобы ракета с термоядерным дви-
гателем вырвалась из сферы земного притяжения, нужно
израсходовать в 200 раз меньше тяжелого водорода, чем
весит вся ракета. Очевидно, что создание термоядерного
ракетного двигателя полностью разрешит проблему
межпланетных полетов в пределах Солнечной системы.
Ионные ракетные двигатели. Одним из наиболее
мощных средств экспериментального изучения атомного
ядра являются ускорители элементарных частиц. В этих
сложных приборах заряженные частицы разгоняются до
скоростей, близких к скорости света. Возникает вопрос,
нельзя ли применить подобные аппараты для разгона
рабочего тела в ракетных двигателях? Ведь чем выше
скорость истечения, тем больше удельная тяга двига-
98
теля, тем меньше нужно израсходовать рабочего тела
для достижения заданной скорости ракеты.
Исследования ученых в этом направлении привели к
разработке схемы ионного ракетного двигателя. Рабо-
чее тело такого двигателя сначала ионизируется, а за-
тем разгоняется в ускорителе. Принципиальным преиму-
ществом ионных двигателей является чрезвычайно вы-
сокая скорость истечения ионов рабочего тела. Она
может оказаться даже больше, чем в плазменных маг-
нитодинамических и термоядерных двигателях, а темпе-
ратуры при этом не выйдут из обычных для современ-
ной техники пределов.
Область применения ионных ракетных двигателей
определяется возможностями ионизаторов и ускорите-
лей. В настоящее время они не позволяют получать
очень мощные пучки ионов. Тяга спроектированных мо-
делей ионных ракетных двигателей не превышает сотен
граммов. Это исключает взлет ионной ракеты с Земли
без стартовых ракетных двигателей другого типа, напри-
мер обычных жидкостно-реактивных. Ионные двигатели
могут служить для разгона ракеты, преодолевшей при-
тяжение Земли. Ускорение ракеты будет очень неболь-
шим — порядка 1 см/сек2. Но вследствие высокой
удельной тяги двигателя расход рабочего тела будет
ничтожным и двигатель сможет работать непрерывно
длительное время, исчисляемое месяцами и даже го-
дами.
На рис. 36 изображена принципиальная схема, пока-
зывающая, как образуется реактивная сила тяги в ион-
ном ракетном двигателе. Основными агрегатами ион-
ного двигателя являются источник энергии, преобразо-
ватель ее в электрическую энергию, ионизатор рабочего
тела и ускоритель ионов. В процессе ускорения ионов
возникает реактивная сила, которая и является силой
тяги двигателя. В зависимости от принципа работы аг-
регатов можно насчитать довольно много возможных
вариантов устройства ионного ракетного двигателя.
Рассмотрим каждый из представленных на рис. 36
элементов двигателя.
Прежде всего следует заметить, что химические ре-
акции в качестве источника энергии, очевидно, непри-
годны. Ведь их можно успешно использовать для пря-
мого получения тяги в жидкостно-реактивном двигателе.
7*
09
Однако для ионного двигателя можно использовать
ядерные источники энергии. К их числу относятся реак-
ции деления урана и плутония, радиоактивный распад
искусственно получаемых изотопов, термоядерные реак-
ции. Относительно последних можно сказать, что вряд
ли ионный двигатель с термоядерным реактором ока-
Реактивная
тяга
жется выгоднее термо-
ядерного ракетного дви-
гателя прямой реакции.
Во всяком случае, он
окажется тяжелее и
сложнее последнего.
О ядерных реакто-
рах, в которых проте-
кает реакция деления
.урана или плутония, мы
уже говорили. Сейчас
приведем некоторые
сравнительные данные,
опубликованные в аме-
риканской печати. Ре-
актор на быстрых ней-
тронах с жидкометал-
Рис. 36. Схема получения реактивной лическим теплоносите-
тяги в ионном ракетном двигателе л ем может развивать
мощность порядка
200 кет на килограмм веса активной зоны. Вес активной
зоны реактора ионного двигателя был бы небольшим. Но
его существенно увеличивает необходимость защиты от из-
лучений. В зависимости от мощности реактора вес необ-
ходимой защиты колеблется в пределах от 0,27 кг]квт до
0,017 кг]кет при удалении реактора от экипажа косми-
ческого корабля на 60 м. Большее значение соответ-
ствует мощности реактора 50 000 кет, меньшее —
1 000 000 кет.
С этими данными можно сопоставить показатели ра-
диоактивных изотопов. Так, получаемый из продуктов
деления урана изотоп прометий 147 имеет период полу-
распада 2,66 года и в чистом виде развивает мощность
0,345 квт/кг. Другой продукт деления урана — рутений
106 выделяет 29,8 кет]кг при периоде полураспада
366,6 дня.
Еше большую мощность имеет полоний 210. образу-
10П
ющийся в ядерном реакторе из висмута. При периоде
полураспада 138,4 дня он выделяет 141 квт]кг. Эта ве-
личина близка к удельной мощности реактора без за-
щиты. Полоний 210 испускает только альфа-частицы,
специальная защита от которых не нужна — в воздухе
они пролетают в среднем 3,83 см.
Таким образом, полоний 210 имеет явное преиму-
щество перед ядерными реакторами. Однако практиче-
ское его применение, как и применение других изотопов,
затрудняется следующими факторами.
Радиоактивные изотопы получаются сейчас в мизер-
ных количествах из продуктов деления ядерных горю-
чих. Тщательная очистка их является очень трудоемким
и дорогим процессом, а использование изотопов с при-
месями резко снижает удельную мощность.
Сразу после зарядки изотопом установка должна ра-
ботать на полную мощность. Зарядка усложняется как
радиационной опасностью, так и токсичностью, ядови-
тостью большинства изотопов.
Набрасывая план завоевания межпланетного про-
странства, К. Э. Циолковский указывал, что на опреде-
ленном этапе люди будут использовать для космических
полетов энергию Солнца. Ионные ракетные двигатели
прокладывают путь к практическому осуществлению
этого предвидения.
Мощность солнечного излучения на орбите Земли
составляет 0,14 btJcm2. С удалением от Солнца она убы-
вает пропорционально квадрату расстояния. Для улав-
ливания солнечных лучей предлагалось использовать
надувные сферические баллоны из прозрачной синте-
тической пленки. С внутренней стороны одной полусфе-
ры наносится металлический слой, который отражает и
концентрирует лучи в фокусе зеркала. Одна сфера ве-
сом около 230 кг может собирать 1700 кет солнечной
энергии.
Ионный двигатель — электрическая машина. По-
этому следующей задачей после получения энергии яв-
ляется превращение ее в электрическую.
При использовании энергии Солнца перспективными,
казалось бы, являются фотоэлектрические полупровод-
никовые преобразователи. Сейчас на спутниках для пи-
тания аппаратуры применяются кремниевые батареи с
коэффициентом полезного действия около 10%. Это
101
Означает, что лишь десятая доля падающей на поверх-
ность элемента солнечной энергии превращается в элек-
трическую.
Кремниевый фотоэлемент, разработанный американ-
ской фирмой Белл, представляет собой пластинку тол-
щиной в полмиллиметра с поверхностью от 0,1 см2 до
5 см2. Каждый элемент, давая напряжение 0,3—0,4 в,
развивает удельную мощность около 66 вт!кг при тем-
пературе 20° С. С увеличением температуры до 100° С
мощность снижается вдвое.
Малая удельная мощность не позволяет в настоящее
время говорить об использовании фотоэлектрических
преобразователей для питания ионных двигателей кос-
мических кораблей. Ведутся работы по увеличению их
коэффициента полезного действия. Исследования по по-
вышению допустимой рабочей температуры фотоэлемен-
тов в случае успеха позволят направлять на них концен-
трированные зеркалами лучи. Это повысит удельную
мощность батарей.
На 9-й Международной конференции по астронавти-
ке, состоявшейся в 1958 году в Амстердаме, широко об-
суждался еще один путь получения электрического тока.
Ниже приводятся некоторые из сообщенных на этой
конференции данных.
Путем получения электрического тока, пригодным
для источников энергии всех типов, является примене-
ние обычных турбогенераторных установок. В состав та-
кой установки кроме источника тепловой энергии дол-
жны входить паровая или газовая турбина, насос или
компрессор, радиатор и генератор электрического тока.
Для работы любой тепловой машины, как утверждает
второй закон термодинамики, необходим холодильник —
радиатор. Если рассматривать конкретно газотурбинную
установку, то охлаждение газа, выходящего из турбины
и поступающего к компрессору, необходимо для того,
чтобы мощность, затрачиваемая на вращение компрес-
сора, была меньше мощности турбины. Избыток мощно-
сти турбины над мощностью компрессора и является
полезной мощностью газотурбинной установки.
В условиях космического пространства единственным
возможным путем отдачи тепла является лучеиспуска-
ние. Интенсивность теплоотвода лучеиспусканием про-
порциональна четвертой степени абсолютной температуры
102
тела. Поэтому температура радиатора должна быть до-
статочно высокой, в несколько сотен градусов. Радиатор
должен иметь большую поверхность и высокую излуча-
тельную способность.
Конструктивно радиатор может представлять собой,
например, плоскую решетку из тонкостенных трубок, по
которым пропускается охлаждаемое рабочее тело тур-
бины. В зависимости от теплопроводности материала и
толщины стенки трубок при заданной температуре
охлаждения рабочего тела изменяется удельный вес ра-
диатора. Так, радиатор из нержавеющей стали при тол-
щине стенки трубок 0,22 мм обеспечивает снижение тем-
пературы рабочего тела до 800° С при удельном весе
0,1 кг! кет.
Температура рабочего тела на выходе из радиатора
является минимальной в замкнутом контуре газовой
турбины. Вместе с коэффициентами полезного действия
турбины и компрессора она определяет необходимую
температуру газа на входе в турбину. И наоборот, тем-
пература газа, входящего в турбину, при заданной тем-
пературе его на выходе из радиатора определяет коэф-
фициент полезного действия всей газотурбинной уста-
новки. Так, например, бериллиевый радиатор позволяет
охлаждать рабочий газ до температуры 450° С. Чтобы
обеспечить общий КПД установки в 40%, нужно нагреть
газ (либо в ядерном реакторе, либо в солнечном нагре-
вателе) до температуры 3300° С.
Максимально допустимая температура газа в турби-
нах со специальной системой охлаждения ее лопаток
не превышает 1500° С. Если принять эту температуру за
предельную, то КПД газотурбинной установки с берил-
лиевым радиатором упадет до 8,5%.
Чтобы избежать такого резкого падения коэффи-
циента полезного действия, можно использовать прин-
цип регенерации тепла. В этом случае газ, выходящий
из турбины, охлаждается встречным потоком газа в теп-
лообменнике, а затем уже поступает в радиатор. Охлаж-
денный в радиаторе газ сжимается компрессором и на-
правляется на нагревание — сначала в теплообменник,
а из него уже в реактор.
Турбина нужна для того, чтобы приводить во враще-
ние генератор, вырабатывающий электрический ток. Со-
временные генераторы являются электромагнитными.
103
Они имеЮт тяжелый железный сердечник И Медную об-
мотку. Удельный вес современных генераторов колеб-
лется около 1 кг/квт. Эта величина чересчур велика для
того, чтобы считать современные генераторы вполне при-
годными для установки на ракеты.
Суммарный удельный вес турбогенераторного преоб-
разователя тепловой энергии в электрическую в настоя-
щее время составляет около 5—7 кг/квт. Учитывая, что
при создании ионного ракетного двигателя будут ис-
пользованы все последние достижения науки и техники,
можно снизить эту величину в 2—3 раза. Однако и в
этом случае она остается очень большой.
Не облегчит положения и обращение к термоэлек-
трическим генераторам. При коэффициенте полезного
действия термопарных батарей порядка 1% удельный
вес их в несколько раз превышает удельный вес турбо-
генераторной установки.
Для ионизации рабочего тела можно воспользоваться
несколькими методами. Наиболее простым из них яв-
ляется контактная ионизация. Струя ионизируемого газа
направляется на раскаленную поверхность металла. Со-
прикасаясь с ней, атомы отдают электроны и превра-
щаются в положительно заряженные ионы. Наиболее
подходящим материалом для ионизирующей поверхно-
сти являются вольфрам, платина, окись вольфрама.
Легко ионизируются таким способом щелочные металлы,
особенно с большим атомным весом: цезий и рубидий.
Для каждого рабочего тела имеется оптимальная
температура нагрева ионизирующей поверхности, при
которой ионизируется наибольшая часть подаваемого
рабочего тела. Так, на вольфрамовой поверхности, имею-
щей температуру 1000—1200° С, ионизируются почти все
атомы цезия и рубидия, около 87% атомов калия и ме-
нее 5% натрия и лития.
Другими способами ионизации являются продувание
рабочего газа через электрическую дугу, воздействие на
газ высокочастотного электромагнитного и электростати-
ческого полей. Об этих способах, применимых не только
для ионных ракетных двигателей, но и для плазменных,
мы уже рассказывали.
Для ускорения заряженных частиц можно использо-
вать либо электромагнитные, либо электростатические
поля. О возможных типах электромагнитных ускорите-
104
лей говорилось в разделе, посвященном магнитодинами-
ческим двигателям. Здесь мы остановимся на принципе
работы электростатических ускорителей ионов.
Одна из возможных схем устройства такого ускори-
теля, разработанная в США, приведена на рис. 37.
Пары цезия подаются под давлением к соплам-форсун-
которые направляют их на горячий вольфрамовый
Образовав-
кам
ионизатор,
шиеся положительные
ионы под действием
разности потенциалов
между ускорителем и
вольфрамовым иониза-
тором устремляются к
ускорителю. Положи-
тельно заряженные эле-
ктроды фокусировки со-
бирают ионы в узкий
пучок, попадающий в
щель между половина-
ми ускорителя. На вы-
ходе из нее устанавли-
вается раскаленная сет-
ка, испускающая элек-
троны. Под действием
отрицательного потен-
6
-Рис. 37. Принципиальная схема уст-
ройства электростатического ускори-
теля ионов:
циала ускорителя ионов
электроны устремляют-
ся вслед за ионами и
нейтрализуют их. Таким
образом, реактивная
струя ионного ракетно-
го двигателя состоит из
1 — выход паров цезия; 2 — вольфрамовый
ионизатор; 3 — ускоритель ионов; 4 — эле-
ктроды фокусировки; 5 — сетка — излуча-
тель электронов; 6 — реактивная струя
нейтральных атомов.
Чем больше разность потенциалов ускорителя ионов
и вольфрамового ионизатора, тем быстрее будут разго-
няться ионы. Чем больше масса ионов и скорость их вы-
лета из ускорителя, тем больше тяга двигателя. В то же
время выгодно иметь как можно меньшим ионный поток,
чтобы затрачивать меньше энергии на ионизацию. От-
сюда следует целесообразность применения в качестве
рабочего тела ионных двигателей элементов с большим
атомным весом. При одинаковой тяге в этом случае
105
число ионов в потоке уменьшится и энергия ионизации
снизится. Следовательно, большая доля потребляемой
двигателем электроэнергии будет расходоваться на раз-
гон ионов, а значит, повысится коэффициент полезного
действия двигателя.
В одном из докладов на 9-й Международной конфе-
ренции по астронавтике приводилась формула
л= 196 — .
Здесь А — атомный вес ионов, V — ускоряющая раз-
ность потенциалов в вольтах, и — скорость истечения
ионов в км! сек. Из этой формулы следует, что при
V = 10 000 в и А = 200 скорость ионов будет примерно
100 км!сек. Считается, что наивыгоднейшие скорости
истечения ионов лежат в диапазоне 100—1000 км!сек.
Какова природа силы тяги ионного ракетного двига-
теля? Чтобы понять это, посмотрим на рис. 37. Ионы,
образовавшиеся на поверхности вольфрамового иониза-
тора, притягиваются ускорителями. Но одновременно и
ускорители притягиваются ионами. Именно эта сила
притяжения разноименных зарядов и составляет основ-
ную долю силы тяги ионного двигателя. Если бы на сет-
ке не происходила нейтрализация разогнанных ионов, то
они действовали бы на электроды ускорителя с силой,
направленной назад, и уменьшали бы в значительной
мере силу тяги двигателя.
Небольшим добавком,к силе тяги, создаваемой поло-
жительными ионами, служит сила взаимного отталки-
вания испускаемых сеткой электронов и электродов
ускорителя.
В заключение этого раздела приведем две обсуждав-
шиеся в печати принципиальные схемы ионных ракетных
двигателей. На рис. 38 приведена схема ионного двига-
теля, в котором источником энергии является ядерный
реактор. Выделяющееся в нем тепло отводится жидко-
металлическим теплоносителем в теплообменник. Здесь
нагревается рабочее тело газовой турбины. Из турбины
газ выходит в радиатор, охлаждается в нем и затем ком-
прессором направляется опять в теплообменник. Приво-
димый во вращение турбиной генератор вырабатывает
электрический ток, необходимый для работы испарителя
106
Рис. 38. Принципиальная схема ионного ракетного двигателя на
ядерной энергии:
1 — ядерный реактор; 2 — теплообменник; 3 — газовая турбина; 4 — радиа-
тор; 5 — компрессор; 6 — генератор электрического тока; 7 — испаритель ра-
бочего тела; 8 — ионизатор и ускоритель ионов; 9 — реактивная струя
рабочего тела ионного двигателя, ионизатора и ускори-
теля ионов.
На рис. 39 изображена схема ионного ракетного дви-
гателя на солнечной энергии. Он работает следующим
Рис. 39. Принципиальная схема ионного ракетного дви-
гателя на солнечной энергии:
1 — солнечный нагреватель рабочего тела; 2 — испаритель; 3 —
паровая турбина; 4 — радиатор; 5 — насос; 6 — генератор элек-
трического тока; 7 — испаритель рабочего тела; 8 — ионизатор
и ускоритель ионов; 9 — реактивная струя
образом. Сферическое зеркало собирает лучи Солнца и
фокусирует их на нагревателе. Здесь сильно нагревается
находящаяся под большим давлением жидкость, напри-
мер ртуть, являющаяся рабочим телом паровой турбины.
107
В испарителе давление ее падает, температура кипения
резко понижается и жидкость испаряется. Пар приводит
в действие турбину, а затем в радиаторе снова конден-
сируется в жидкость, которая насосом возвращается в
солнечный нагреватель.
Электрическая часть этого двигателя не отличается
от изображенной на рис. 38.
Задача создания ионного ракетного двигателя вполне
разрешима при современном развитии техники. Модели
таких двигателей создаются и испытываются. Американ-
ская испытательная установка для моделей ионных дви-
гателей имеет вакуумную камеру диаметром 1,5 ж и
длиной свыше 5 м. Сильное разрежение во время испы-
тании ионных двигателей необходимо для того, чтобы
имитировать условия работы двигателя в межпланетном
пространстве и избежать столкновений ионов с молеку-
лами воздуха.
Скоро ли будут устанавливаться на ракетах ионные
двигатели? На этот вопрос нужно отвечать очень осто-
рожно. Дело в том, что вес ионных двигателей слишком
велик для современных ракет. Они сыграют свою роль,
по-видимому, на том этапе, когда на повестке дня будут
стоять полеты к дальним планетам Солнечной системы.
Некоторые зарубежные специалисты полагают, что та-
кие двигатели установят на больших обитаемых спут-
никах Земли, чтобы компенсировать сопротивление атмо-
сферы и иметь возможность изменить высоту орбиты
или ее форму.
Глава III
ФОТОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Энергетика межзвездных полетов. Рассмотренные
нами ракетные двигатели, по-видимому, позволят в бу-
дущем осуществлять полеты на любую планету Солнеч-
ной системы. А на звезды? Астрономы предполагают, что
некоторые из этих светил, подобно нашему Солнцу,
имеют свои планетные системы. Ступит ли когда-нибудь
нога человека на почву хотя бы одной из этих планет?
Принципиально для полета к другим звездным систе-
мам нужно лишь преодолеть притяжение Солнца. Для
этого достаточно развить при старте ракеты с Земли
третью космическую скорость—16,7 км!сек. Решение
этой задачи окажется по силам технике близкого буду-
щего.
Но осуществимы ли межзвездные полеты практиче-
ски? Ведь от ближайшей к нам звезды свет, распростра-
няющийся со скоростью почти 300 000 км!сек, идет более
четырех лет. Сколько же времени будет лететь звездо-
лет, незначительно превысивший при старте третью
космическую скорость? Ведь его полет будет протекать
с замедлением, так как кинетическая энергия затрачи-
вается на преодоление притяжения сначала Земли, а за-
тем Солнца. Уже на орбите Плутона звездолет будет
удаляться от Солнца со скоростью меньше 6 км)сек.
Межзвездные полеты с такими скоростями представ-
ляются абсурдом. Нужно, чтобы скорость звездолета
приближалась к скорости света. Только в этом случае
можно говорить о реальности полетов на другие пла-
нетные системы.
ЮЧ
Чтобы ответить на вопрос, возможно ли, хотя бы
принципиально, достигнуть близкую к световой скорость
полета ракеты, нужно в первую очередь рассмотреть
энергетические возможности различных процессов и
выяснить, имеются ли среди них пригодные для исполь-
зования в двигателях звездолетов.
Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что
выделение энергии в каком-либо процессе сопровождает-
ся убылью массы веществ, участвующих в процессе. Чем
больше убыль массы, тем больше выделяется энергии.
Продукты сгорания в жидкостного ракетном двига-
теле весят примерно на одну стомиллионную долю про-
цента меньше, чем исходные вещества. При распаде
урана убыль массы составляет 0,1%. В несколько раз
больше она при термоядерных реакциях.
В то же время в физике известны процессы, в ходе
которых масса убывает на десятки процентов, а иногда
вещество полностью «исчезает». Эти процессы получили
неудачное название реакций аннигиляции, которым фи-
зики-идеалисты хотели подчеркнуть, что происходит-де
уничтожение материи, превращение ее в энергию. На
самом деле в реакциях аннигиляции один вид мате-
рии — вещество — превращается в другой ее вид — элек-
тромагнитное излучение, которое и уносит с собой осво-
бождающуюся энергию.
В реакции аннигиляции вступают элементарные ча-
стицы — электроны, протоны, нейтроны — со своими
античастицами — позитронами, антипротонами, антиней-
тронами. Такие процессы наблюдаются в настоящее
время обычно в ускорителях элементарных частиц. Сра-
зу после образования античастица вступает в реакцию
аннигиляции. При этом затраты энергии на получение
античастиц в миллионы раз превышают энергию, выде-
ляющуюся при аннигиляции.
Однако можно предполагать, что в будущем, если
ученые найдут экономичные способы производства анти-
частиц и разработают методы накопления их запасов,
реакции аннигиляции будут иметь практическое значе-
ние как самый мощный источник энергии. Вот тогда во-
прос о межзвездных полетах получит реальную почву и
можно будет приступить практически к созданию анни-
гиляционного двигателя для звездолета. Но уже сейчас
Н.о
можно высказать некоторые соображения о принципи-
альных основах его устройства и работы.
В жидкостном ракетном двигателе, в атомном ракет-
ном двигателе сила тяги является результатом давления
горячих газов. В плазменном и ионном двигателях она
образуется за счет электромагнитного или электроста-
тического взаимодействия отбрасываемых заряженных
частиц с ускоряющими электромагнитами или электро-
дами. В аннигиляционном двигателе ни один из этих пу-
тей не подходит. Ведь в реакции аннигиляции вещество
превратится в электромагнитное излучение. Значит, для
получения силы тяги нужно использовать давление излу-
чения, и в частности света.
Что такое свет. Вопрос о природе света занимал лю-
дей еще в глубокой древности. Основатель геометрии
Евклид представлял себе световые лучи выходящими
из глаза к рассматриваемому предмету. Это была теория
«зрительных лучей». Основатели атомистического уче-
ния — Демокрит, Эпикур, Лукреций — выдвинули тео-
рию истечения. Они считали, что от всех видимых пред-
метов отделяются неуловимые «образы», проникают в
наш глаз и вызывают зрительное впечатление.
Подобные туманные представления господствовали
до средних веков. В 1611 году вышла в свет книга
«Диоптрика». Автором ее был астроном Кеплер, про-
славившийся установлением законов движения планет
вокруг Солнца. В этой книге наряду с описанием опти-
ческих приборов содержались высказывания о природе
света.
Кеплер считал, что свет — это непрерывное истечение
вещества из светящихся тел, причем скорость его рас-
пространения бесконечна. В то время уже были извест-
ны и противоречиво объяснялись опыты по плавлению
металлов с помощью солнечных лучей, сконцентрирован-
ных вогнутым зеркалом. Кеплер считал, что именно лучи
света обладают свойством нагревать тела.
Знаменитый французский философ Декарт считал,
что свет представляет собой мгновенно и прямолинейно
передающееся через прозрачную среду «действие» све-
тящегося тела- на наши глаза.
К началу 18 века в науке сложились две теории све-
та: волновая и корпускулярная. Автором волновой тео-
рии был голландский ученый Гюйгенс. Теория Гюйгенса
Ш
явилась развитием идей Декарта. Гюйгенс считал, что
свет распространяется подобно звуку — «сферическими
поверхностями и волнами». Однако он не вкладывал в
понятие световой волны той периодичности, которая
свойственна любому волновому процессу. Гюйгенс ни-
где не пользовался, например, понятием длины волны
и даже заявлял, что световые волны следуют не на
равном расстоянии друг за другом.
Теория Гюйгенса объяснила ряд закономерностей
распространения света. Так, до сих пор не потерял зна-
чения принцип Гюйгенса, согласно которому любая
точка, если в нее приходит световая волна, является
центром и источником новой сферической световой вол-
ны. Так как световая волна приходит сразу во много
точек и все они являются центрами новых волн, то дей-
ствительно распространяющаяся световая волна являет-
ся поверхностью, огибающей все эти сферические волны.
Опираясь на свой принцип, Гюйгенс вывел законы отра-
жения и преломления лучей на границе двух сред. Он
предсказал, что скорость света в более плотной среде
должна быть меньше, чем в менее плотной. Однако ряд
явлений теория Гюйгенса не могла объяснить. Поэтому
она не сразу завоевала признание.
«Трактат о свете» Гюйгенса, в котором он излагал
свою теорию, вышел в свет в 1690 году. А в 1704 году
вышла «Оптика» Ньютона, в которой развивалась кор-
пускулярная теория света.
Ньютон считал, что лучи света представляют собой
«очень малые тела» (корпускулы), испускаемые светя-
щимися веществами. Отражение света Ньютон считал
явлением, аналогичным отскакиванию упругого шарика
при ударе о плоскость. Преломление света он объяснял
притяжением световых корпускул преломляющей средой.
Основываясь на своей теории, Ньютон предполагал,
что скорость света в более плотной среде должна быть
больше, чем в менее плотной. Этот вывод был противо-
положен выводу Гюйгенса. Однако проверить его па
опыте в то время было невозможно. Была измерена
лишь скорость света в пустоте. Она оказалась настоль-
ко огромной, что многие ученые сомневались, могут ли
частицы двигаться так быстро.
Ньютон сам видел недостатки своей теории в объяс-
нении некоторых явлений. Он первым установил на
112
опыте, что свет обладает свойствами периодичности, и,
чтобы объяснить их, ввел понятие о «приступах легкого
отражения и легкого пропускания» световых лучей. Это
была, по сути дела, попытка объединить волновую и
корпускулярную теории света.
По-видимому, авторитет знаменитого Ньютона, его
выдающиеся работы по созданию оптических приборов,
опыты по разложению белого света на составляющие
его цветные лучи сыграли немалую роль в том, что кор-
пускулярная теория света была широко распространена
в 18 веке.
Нельзя не отметить тот факт, что М. В. Ломоносов
подвергал критике корпускулярную теорию света и яв-
лялся сторонником волновой.
В 19 веке был открыт целый ряд явлений, подтвер-
ждающих волновую природу света. В частности, непо-
средственные измерения показали, что скорость света
в воде меньше, чем в воздухе. Это совпадало с волновой
теорией и противоречило корпускулярной. Было установ-
лено, что световые волны являются поперечными, коле-
бания в них происходят перпендикулярно к направлению
светового луча.
Для победы волновой теории громадное значение
имело установление связи между оптическими и элек-
тромагнитными явлениями. Глубокие исследования
Максвелла позволили ему сделать вывод о том, что свет
есть электромагнитное явление. Опытами Герца было
доказано, что электромагнитные и световые волны отра-
жаются и преломляются по одинаковым законам.
Блестящие работы русского ученого П. Н. Лебедева
привели к полному торжеству электромагнитной теории
света. П. Н. Лебедев обнаружил существование элек-
тромагнитных волн, очень близких по длине волны к
световым, и показал, что эти волны обладают всеми
свойствами света. Он экспериментально доказал нали-
чие предсказанного электромагнитной теорией давления
света на твердые тела и газы.
Однако и электромагнитная теория света оказалась
несостоятельной объяснить некоторые процессы. Попыт-
ка подсчитать по этой теории количество световой энер-
гии, испускаемой раскаленным телом, привела к краху
теории, получившему в истории физики название
«ультрафиолетовой катастрофы». Расчеты показывали,
8 ю. Н Сушков ЦЗ
что в фиолетовом участке спектра излучается бесконечно
большая энергия — результат, явно противоречащий
опыту.
Выход из этого тупика указал немецкий физик
Планк. Он высказал идею о том, что энергия испускает-
ся светящимся телом не непрерывно, как считалось по
волновой теории, а отдельными порциями — квантами.
Распространение же света в пространстве происходит в
соответствии с электромагнитной волновой теорией
света. Энергию кванта Планк считал пропорциональной
его частоте. Полученный Планком закон излучения
раскаленного тела блестяще совпал с опытом.
В 1905 году А. Эйнштейн показал, что не только ис-
пускание и поглощение света, но и распространение его
носит квантовый характер. А самому кванту света по-
мимо энергии необходимо приписать еще и импульс,
равный по величине произведению массы кванта на
скорость света. Кванты света стали называть фотонами.
Так возникла квантовая теория света. Трудами дру-
гих ученых-физиков была объяснена причина квантового
характера излучения света. Оказалось, что атомы имеют
несколько возможных состояний электронной оболочки,
соответствующих разным запасам энергии. При переходе
атома из состояния с большим запасом энергии в со-
стояние с меньшим запасом энергии испускается квант
света, уносящий с собой избыток энергии. Наоборот,
при поглощении кванта света атомом последний перехо-
дит на более высокий энергетический уровень.
Квант света — фотон — имеет все признаки частицы.
Он обладает массой, энергией, импульсом. В то же вре-
мя это не обыкновенная частица. Фотон обладает хараю
теристиками волны: имеет частоту, длину волны, рас-
пространяется всегда с постоянной скоростью—со ско-
ростью света. Неподвижный фотон не может существо-
вать. По теории Эйнштейна следует, что его масса покоя
равна нулю.
Таким образом, в фотоне проявляется дуализм —
двойственность свойств. Он обладает и свойствами ча-
стицы, и свойствами волны, но не является ни тем, ни
другим. Квантовая теория света объединила в себе на
более высокой ступени развития и корпускулярную, и
волновую. В то же время она явилась основой для соз-
114
Даний квантовой механики, которая считает дуализм
свойств присущим всем микрообъектам.
Развитие теории света не закончено. Оно продол-
жается и в наши дни упорным трудом ученых. Одним из
недостатков квантовой теории света является отсутствие
наглядности. Поэтому часто при рассмотрении какого-
либо явления делают упор либо на волновые, либо на
корпускулярные свойства фотонов. Так, например, пред-
ставляет интерес сопоставление различных видов элек-
тромагнитных волн, в том числе световых.
Шкала электромагнитных волн. На рис. 40 приведена
шкала электромагнитных волн. Числа над шкалой ука-
& 1 ' «г* ю* ю* "TJP”
“1—т-~г г—। 1...-I -ч '"Т --Г'- Г'~~ГГД । ’1.=
Гамма -
лучи
Радиоволны
Рентгеновские
лучи
Рис. 40. Шкала электромагнитных волн
зывают длину волны. Слева направо она убывает. В за-
висимости от длины волны меняются способы генериро-
вания и наблюдения волн, меняются некоторые свойства,
но природа всех волн остается электромагнитной, остает-
ся одинаковой скорость их распространения в пустоте.
Наибольшей длиной волны обладают радиоволны.
Они генерируются и наблюдаются радиотехническими
средствами. Радиоволны делятся на несколько диапа-
зонов.
Первые радиовещательные станции работали па вол-
нах длиной от одного до трех километров. Для специаль-
ных целей, например для передачи метеосводок, приме-
нялись еще более длинные волны. Затем появились
радиостанции, работающие на средних волнах с длиной
более 200 ж.
Короткие волны в первые годы развития радио счи-
тались непригодными для дальней радиосвязи, так как
сильно поглощались землей. Однако затем было обнару-
жено их свойство отражаться от ионизированных верх-
8*
115
них слоев атмосферы, и сейчас они широко приме-
няются.
Ультракороткие радиоволны длиной от одного до не-
скольких метров применяются в основном в телевиде-
нии. В .обычных условиях они распространяются лишь
в пределах прямой видимости.
В радиолокации применяются еще более короткие
радиоволны — дециметровые и сантиметровые. В спе-
циальных приборах ученые получают радиоволны чрез-
вычайно малой длины, измеряемой десятыми и даже
сотыми долями миллиметра.
Лежащие правее радиоволн световые волны можно
разбить на три диапазона. Видимый свет образуется
волнами длиной от 0,0004 мм до 0,00076 мм. При этом
с увеличением длины волны цвет лучей изменяется от
фиолетового через синий, голубой, зеленый, желтый,
оранжевый к красному.
Слева от видимого света на шкале электромагнитных
волн располагаются инфракрасные лучи, длина волны
которых достигает 0,340 мм. Эти лучи называют также
тепловыми, так как мощными источниками их являются
нагретые тела. Обнаруживаются инфракрасные лучи
либо фотографическими методами, либо вызываемым
ими фотоэффектом (так называется явление выбивания
электронов из оболочек атомов световыми квантами),
либо еще более сложными методами.
Интересно заметить, чго диапазоны радиоволн и ин-
фракрасных лучей перекрываются. Конечно, свойства
электромагнитных волн длиной, скажем, 0,2 мм не зави-
сят от того, каким путем получены эти волны. И испу-
скаемые нагретыми телами, и полученные с помощью
радиосредств, они остаются одними и теми же, а назва-
ние свое получают по способу генерации.
Правее видимого света лежат более коротковолно-
вые ультрафиолетовые лучи. До длины волны
0,00018 мм они могут быть получены теми же способами,
что и видимые лучи. Особенностью их является чрез-
вычайно сильное взаимодействие с веществами. Благо-
даря этому их легко обнаружить с помощью фотогра-
фических методов.
Но это же свойство усложняет исследование ультра-
фиолетовых лучей с длиной волны менее 0,00018 мм.
Они поглощаются даже воздухом, поэтому их изучают
116
с помощью специальной вакуумной аппаратуры. В на-
стоящее время удается получать ультрафиолетовые лучи
с длиной волны до 0,00016 мм.
С диапазоном ультрафиолетовых волн частично пере-
крывается диапазон рентгеновских лучей. Они были
обнаружены в 1895 году немецким физиком Рентгеном.
Источником их является рентгеновская трубка. В ней
поток электронов падает на металлическую пластинку,
которая и испускает рентгеновские лучи.
Эти лучи активизируют химические процессы, напри-
мер быстро засвечивают фотографическую пластинку.
Способность рентгеновских лучей проникать через веще-
ство резко меняется в зависимости от длины волны.
Длинноволновые рентгеновские лучи, особенно пере-
крывающиеся с ультрафиолетовыми, очень сильно по-
глощаются веществом. Коротковолновые же легко про-
никают через тела, «просвечивают» их.
Иногда легко проходящие через тела рентгеновские
лучи называют «жесткими». В противовес этому более
длинноволновые лучи называют «мягкими».
Область изученных рентгеновских лучей занимает
диапазон волн с длиной от 10“9 мм до 10~5 мм. Слева,
как мы уже говорили, она перекрывается с ультрафиоле-
товыми лучами, а справа — с гамма-лучами.
Гамма-лучи — это наиболее короткие из известных в
настоящее время электромагнитных волн. Они образу-
ются, например, при облучении металлической пластины
потоком разогнанных до колоссальных скоростей элек-
тронов. Гамма-лучи обладают чрезвычайно большой
проникающей способностью, которая увеличивается с
уменьшением длины волны. Они оказывают губительное
действие на живые организмы.
И световые, и рентгеновские, и гамма-лучи испу-
скаются возбужденными атомами. В чем же причина
различия их свойств?
Дело в том, что световые лучи — видимые, инфра-
красные и ультрафиолетовые — испускаются внешними
слоями электронной оболочки атома, для перевода ко-
торых в возбужденное состояние требуется сравнительно
небольшая порция энергии. Соответственно и испускае-
мый затем квант света обладает сравнительно неболь-
шой энергией. Его частота невелика, а длина волны —
117
наибольшая из трех сравниваемых вицов электромаг-
нитного излучения.
Рентгеновские лучи испускаются внутренними слоями
электронной оболочки атома, на возбуждение которых
затрачивается гораздо больше энергии, чем на возбуж-
дение внешних слоев. Рентгеновский квант поэтому об-
ладает большей энергией по сравнению с квантом света.
В этом лежит причина «жесткости» рентгеновских лучей.
Гамма-лучи являются результатом процессов, про-
исходящих внутри атомного ядра. Гамма-квант обладает
наибольшей энергией. Можно привести такой пример.
Гамма-квант с длиной волны 10-10 мм несет с собой
энергию в 5 миллионов раз большую, чем квант зеле-
ного светового луча. Теперь понятно, почему проникаю-
щая способность гамма-лучей так велика.
Одним из общих свойств всех электромагнитных
волн является давление на преграду.
Давление света. Пусть световая электромагнитная
волна падает на зеркало перпендикулярно. Она будет
индуцировать поверхностные электрические микротоки.
Сила взаимодействия этих токов с электромагнитным
полем самой волны и является давлением света. Так
объясняет природу давления света электромагнитная
теория.
Еще проще объяснить это явление, вспоминая корпу-
скулярные свойства фотонов. Луч света образован фо-
тонами, а каждый из них обладает массой и скоростью,
и, отражаясь от зеркала, каждый фотон передает ему
импульс — толчок. Складываясь, эги толчки образуют
силу давления света, подобно тому как удары молекул
о стенку сосуда являются причиной давления газа.
В период господства корпускулярной теории объяс-
нить давление света было очень легко, и ученые широко
использовали эту гипотезу. Так, подтверждалось пред-
положение Кеплера о том, что именно давление лучей
Солнца является причиной образования кометных хво-
стов. С победой волновой теории света объяснить его
давление стало гораздо труднее. Лишь установив элек-
тромагнитную природу света, Максвелл выводит из нее
существование светового давления.
Приведенное в упрощенном виде в начале этого раз-
дела объяснение давления света принадлежит извест-
ному физику Томсону Оно было дано им через много
ПЯ
лет после выходе! максвелловского «Трактата об элек-
тричестве и магнетизме». Рассуждения самого Максвел-
ла были не совсем строгими, и многие ученые оспари-
вали их. Перед физиками стояла задача эксперимен-
тально доказать существование давления света.
Было предпринято несколько попыток, но успех со-
путствовал только русскому физику П. Н. Лебедеву.,
Лебедев был блестящим экспериментатором, и его рабо-
ты по обнаружению давления света завершились выда-
ющимся открытием.
Основная трудность заключалась в чрезвычайно ма-
лой величине светового давления. При падении светово-
го луча перпендикулярно на плоскую поверхность дав-
ление света определяется по формуле
р= — (1 + р),
с
в которой р — давление света, Е — энергия, приносимая
световыми лучами в одну секунду на каждый квадрат-
ный сантиметр поверхности, с — скорость света, р —
коэффициент отражения лучей от поверхности.
По вычислениям Максвелла, давление солнечного
света должно было лежать в пределах от 4 • 10—8 г/см2
(для черной поверхности) до 8- 10~8 г/см2 (для идеально
отражающей поверхности).
Уже в первой научной работе П. Н. Лебедев показы-
вает, что с уменьшением размеров тела роль светового
давления по сравнению с силами тяготения возрастает.
Просто это можно пояснить следующим образом.
Пусть тело, притягиваемое Солнцем, имеет вид ша-
рика. Уменьшим его диаметр в 10 раз. Тогда вес ша-
рика, пропорциональный объему, уменьшится в 103 раз.
Сила же давления света на него пропорциональна пло-
щади поверхности. Она уменьшится только в 102 раз.
При достаточно малом значении диаметра шарообраз-
ная частица будет сильнее отталкиваться от Солнца его
лучами, чем притягиваться его массой.
Напрашивается вывод о том, что сильнее всего дол-
жны были бы отталкиваться световыми лучами моле-
кулы — самые малые частицы тел. Но П. Н. Лебедев
предостерегает от этой ошибки. Ведь молекула — это
не твердый шарик. Ее внутренняя структура такова, что
атомы, входящие в молекулу, могут колебаться.
119
При этом молекулам разных веществ свойственна
различная «собственная» частота, когда колебания до-
стигают наибольшего размаха. Как будет вести себя
молекула, если ее «собственная» частота колебаний ока-
жется близкой к частоте световой .волны?
П. Н. Лебедев предполагал, что взаимодействие ви-
братора, излучающего колебания, и резонатора — так
называется устройство, воспринимающее колебания, —
не зависит от природы колебаний и поэтому закономер-
ности, полученные для одних каких-либо колебаний,
будут справедливы и для колебаний другой природы.
Три работы П. Н. Лебедева, посвященные изучению
сил, которые действуют между вибраторами и резонато-
рами, имеющими гидродинамическую, акустическую и
электромагнитную природу, явились докторской диссер-
тацией П. Н. Лебедева. Он получил ученую степень док-
тора наук без предварительной сдачи магистерского
экзамена и без представления магистерской диссерта-
ции — явление крайне редкое в те времена, когда рус-
скую докторскую степень имели считанные ученые.
Эти работы подвели П. Н. Лебедева вплотную к ис-
следованию давления света. Анализируя опыты своих
предшественников, он видел, что корень их неудач ле-
жал в несовершенстве экспериментальной техники.
Во всех опытах исследователи пытались измерить
угол закручивания нити, на которой подвешивалось чрез-
вычайно легкое металлическое крылышко, освещаемое
светом электрической дуги. Результаты первого опыта
дали в сотни раз большую величину давления света,
чем предсказывала теория. Ясно было, что где-то
ошибка. Оказалось, что степень разрежения воздуха в
сосуде, в котором находилось крылышко, далеко не до-
статочна. В воздухе, соприкасающемся с нагревающим-
ся за счет поглощения света крылышком, возникали
конвективные потоки, которые и отклоняли крылышко,
не давая возможности обнаружить давление света.
После того как были усовершенствованы вакуумные
насосы и давление в установке было понижено до
0,01 мм ртутного столба (это почти в 80 000 раз меньше
атмосферного), обнаружилось новое препятствие — так
называемые радиометрические силы, возникающие при
взаимодействии разреженных газов с неравномерно на-
гретой пластинкой.
120
Таким было положение дела в 1899 году, когда за
него взялся П. Н. Лебедев. А в августе 1900 года он
уже докладывал на первом интернациональном конгрес-
се физиков в Париже предварительные результаты
своих опытов.
Рис. 41. Схема установки П. Н. Лебедева для
измерения давления света на твердые тела
П. Н. Лебедев ставил свой опыт в то время, когда
существование давления света еще не было доказанным
фактом. Поэтому он обратил особое внимание на дока-
зательность своего опыта, тщательно продумал мето-
дику.
Схема установки Лебедева приведена на рис. 41.
Свет электрической дуги В системой линз и диафрагм
121
превращался в параллельный пучок. На его пути стоял
стеклянный сосуд W с водой, поглощавшей инфракрас-
ные тепловые лучи, или светофильтр, позволявший изу-
чить влияние цвета лучей на величину их давления.
Далее система зеркал и линз направляла луч света на
крылышко /?. На рис. 42 изображены зачерненное и от-
ражающее крылышки и система их подвески. По углу
поворота крылышек можно было
вычислить величину светового дав-
ления.
Перемещая зеркала SiS4 влево
А или вправо, можно было освещать
крылышко либо справа, либо сле-
ва. Меняя направление светового
пучка, можно было исключить
i влияние конвективных потоков
воздуха. Часть света, проходяще-
1го через тонкую стеклянную пла-
стинку Pi, отражалась и попадала
на термобатарею, соединенную с
чувствительным гальванометром.
Это позволяло непрерывно кон-
тролировать получаемое крылыш-
I ком количество световой энергии.
YY Во время опытов каждая единица
лв*. I площади поверхности крылышка
г~^“х_у получала в 2—3 раза большую
II энергию, чем при освещении пря-
|| мыми лучами Солнца.
Крылышко R было помещено
и в стеклянный баллон, воздух от-
Рис. 42. Крылышки для кУДа выкачивался. Давление в
измерения давления баллоне было менее 0,0001 мм
света ртутного столба. Такой хороший
вакуум удалось получить благо-
даря тому, что П. Н. Лебедев открыл и применил принцип
действия так называемого диффузионного насоса, «офици-
ально» изобретенного много лет спустя.
Для уменьшения радиометрических сил нужно было
сделать как можно меньшей разницу температур на
освещенной и неосвещенной сторонах крылышка. Для
этого крылышки изготовлялись из очень тонких пластин.
А чтобы внести в результаты поправку на радиометри-
122
ческие силы, опыты производились дважды с пластин-
ками различной толщины.
Экспериментаторское искусство П. Н. Лебедева про-
явилось и в том, что он не ждал, пока успокоятся коле-
бания отклонившегося крылышка. Наоборот, он исполь-
зовал явление резонанса, включая и выключая свет в
такт колебаниям крылышка и раскачивая его все силь-
нее давлением света. Смещение положения равновесия,
около которого совершались колебания крылышка, и
определяло собой величину светового давления.
П. Н. Лебедев очень строго оценивал точность своих
опытов. Он считал ее равной 20%.
Из своих работ П. Н. Лебедев сделал следующие
выводы:
1) Падающий пучок света производит давление как
на поглощающие, так и на отражающие поверхности.
2) Силы давления света прямо пропорциональны
энергии падающего луча и не зависят от цвета.
3) Наблюдавшиеся силы давления света в пределах
погрешностей наблюдений количественно равны пред-
сказанным электромагнитной теорией.
Опыты П. Н. Лебедева по измерению давления света
на твердые тела остаются до сих пор ярким образцом
экспериментального искусства. Они принесли замеча-
тельному ученому мировую славу. Но венцом его дея-
тельности явился еще более сложный и никем не повто-
ренный до сих пор опыт по обнаружению и измерению
давления света на газы. Мы не будем рассказывать о
сложных проблемах, которые решил при этом выдаю-
щийся экспериментатор. Остановимся лишь на принци-
пиальной стороне дела.
Численно величина давления света на слой газа вы-
ражается формулой
в которой р — световое давление, а — коэффициент по-
глощения света данным слоем газа, Е — лучистая энер-
гия, падающая в 1 сек на 1 см2 поверхности слоя.
Расчеты показывали, что при толщине газового слоя
в 1 см предстояло измерить в 50—200 раз меньшие
силы, чем в случае давления света на твердые тела.
П. Н. Лебедев создал и испытал более 20 различных
123
устройств для обнаружения давления света на газы и
наконец остановился на приборе со следующим прин-
ципом действия.
Вдоль канала, закрытого спереди и сзади стеклами
и заполненного исследуемым газом, направлялся луч
света. Его давление приводило газ в движение. По дли-
не канала возникала разность давлений. Для измерения
ее в параллельном канале размещался поршень, связан-
ный рычагом с зеркальцем. С одной стороны поршня
подводилось давление из конца освещенного канала, с
другой — из начала. Под действием разности давлений
поршень перемещался, и «зайчик», отбрасываемый зер-
кальцем, передвигался по шкале.
Для получения нужной чувствительности прибора
шкала была отнесена от зеркальца на 5,3 м. При этом
одно деление шкалы соответствовало разности давлений
газа 10-9 г!см. В опытах наибольшее отклонение «зай-
чика» не превышало двух делений, а зачастую измеря-
лось десятыми долями деления.
Результаты опытов П. Н. Лебедева с удовлетвори-
тельной точностью подтвердили теоретические расчеты.
Таким образом, давление света на газы стало экспери-
ментально доказанным фактом.
Известно несколько удачных опытов по измерению
давления света на твердые тела, выполненных после
П. Н. Лебедева. Остановимся на одном из них.
Электромагнитная теория света предсказывала, что
давление света на тело, помещенное в прозрачную сре-
ду, зависит от показателя преломления этой среды и
пропорционально ему. Американский ученый Джонс
попытался проверить этот вывод.
Крылышко, на которое падал свет, находилось в
бронзовой трубке с двумя стеклянными окошками. Сна-
чала измерялось давление света на крылышко, поме-
щенное в воздух. Затем трубка заполнялась исследуе-
мой жидкостью, и опыт повторялся. Потом вычислялось
отношение давления света на крылышко, помещенное в
жидкость, к давлению света на крылышко, находящееся
в воздухе. Оно оказалось с точностью до 1% равным
показателю преломления жидкости.
Таким образом, свет давит на твердое тело, поме-
щенное в жидкость, сильнее, чем на тело, помещенное в
194
воздух, так как показатель преломления любой жидко-
сти больше единицы.
Тепловое излучение. Известно несколько типов про-
цессов, сопровождающихся излучением энергии. Так,
светит раскаленное твердое тело. В этом случае в энер-
гию излучения превращается тепловая энергия тела. По-
этому излучение такого рода, например излучение нити
в электрической лампочке накаливания, называется
тепловым, а иногда температурным.
Хемилюминесценцией называется возникновение све-
та в ходе медленно протекающих химических реакций.
Примером такого явления служит свечение фосфора при
медленном окислении ею на воздухе.
При прохождении электрического тока через газы
или пары возникает электролюминесценция. Примерами
ее могут служить электрическая дуга и так называе-
мый тлеющий разряд. Энергия в этом случае передает-
ся излучающим атомам при бомбардировке газа элек-
тронами.
Фотолюминесценция представляет собой процесс, в
котором светится тело, предварительно поглотившее
свет. Этот процесс используется в лампах дневного све-
та. Электрический разряд вызывает в них электролю-
минесценцию. А образующийся неприятный для глаза свет
поглощается нанесенными на поверхность трубки спе-
циальными веществами, которые при этом сами испу-
скают приемлемый для глаза дневной свет.
Из различных типов излучений для нас наибольший
интерес представляет тепловое излучение, так как, по-
видимому, именно оно будет играть основную роль в
аннигиляционных двигателях звездолетов. Но предвари-
тельно познакомимся с основными понятиями, употреб-
ляющимися для характеристики излучения.
Потоком лучистой энергии называется количество
энергии, ежесекундно проносимое излучением через дан-
ную поверхность. Он измеряется обычными единицами
мощности, например ваттами, калориями в секунду
и т. д. Иногда поток лучистой энергии оценивается по
зрительному ощущению. Чтобы подчеркнуть это, для
него применяется название световой поток.
Поток лучистой энергии, распространяющийся от
источника по всем направлениям, называется его полным
потоком лучистой энергии
195
Если на поверхности сферы вырезать какой-либо
участок и соединить его границы с центром, то обра-
зуется составленная из лучей, поверхность. Она назы-
вается телесным углом. Единицей измерения телесных
углов служит стерадиан (стр). Телесный угол величиной
в 1 стр вырезает на поверхности сферы такой участок,
площадь которого равна квадрату радиуса сферы.
Разделим световой поток на телесный угол, в кото-
ром он распространяется. Тогда мы получим величину
светового потока, приходящегося на 1 стр. Эта величи-
на называется силой света. Если же мы будем делить
световой поток на величину площади, на которую он па-
дает, то получим величину, называемую освещенностью.
Конечно, величины, аналогичные силе света и освещен-
ности, можно применять не только для светового потока,
по и для любого потока лучистой энергии.
Источник света может иметь различную форму. Если
сто размеры очень малы по сравнению с расстоянием,
на котором изучается действие света, а сила света по
всем направлениям одинакова, то такой источник назы-
вается точечным. Для источников, которые мы не можем
считать точечными, характерна величина, называемая
светимостью. Светимость численно равна полному све-
товому потоку, испускаемому с единицы площади светя-
щегося тела.
Не следует путать светимость источника с его ярко-
стью. Яркость источника равна световому потоку, испу-
скаемому с единицы видимой величины поверхности
источника внутри телесного угла в 1 стр. Если вспом-
нить, что отношение светового потока к телесному углу
является силой света, а видимая величина поверхности
равна действительной ее площади, умноженной на ко-
синус угла между направлением зрения и перпендикуля-
ром к площадке, то можно сказать, что яркость светя-
щейся поверхности равна силе света, создаваемой каж-
дым квадратным сантиметром поверхности в перпенди-
кулярном направлении.
Познакомимся теперь с единицами измерения вели-
чин, характеризующих излучение. За основную прини-
мается единица силы света — свеча (св). Название
сохранилось с тех времен, когда эталоном этой единицы
служила обычная свеча, причем стандартизировались
12В
материал свечи, ее диаметр, длина фитиля. Сейчас, ко-
нечно, применяется более совершенный эталон.
За единицу светового потока принимается лю-
мен (лж). Такую величину имеет световой поток, излу-
чаемый источником с силой света 1 св в телесный угол
1 стр.
Освещенность и светимость измеряются одинаковы-
ми единицами — фотами (ф). За 1 ф принимается осве-
щенность, создаваемая потоком в 1 лм на площади
1 см2. В 10 тысяч раз меныпая единица освещенности
называется люксом (л/с).
Для измерения яркости применяется стильб (сб).
Стильб равен яркости поверхности, дающей в перпен-
дикулярном направлении силу света в 1 св с каждого
Г см2.
Отдел физики, занимающийся количественными ха-
рактеристиками световых явлений, называется фотомет-
рией. Поэтому приведенные единицы получили название
фотометрических. Для количественных характеристик
излучения любого рода (в том числе и светового) мож-
но рассматривать энергетические величины, аналогич-
ные световому потоку, силе света, освещенности, свети-
мости, яркости. Соответствующие им единицы измере-
ния также называются энергетическими. Они приведены
в нижеследующей таблице.
Таблица 2
Величина Единица измерения
фотометрическая энергетическая
Световой поток Сила света Освещенность Светимость Яркость люмен (лл/) свеча (св) фот (ф), люкс (лк) фот (ф) стильб (с б) эрг/сек, вт эрг/сек стр, вт/стр эрг/сек см2, вт/см2 эрг/сек см2, вт/см2 эрг/сек стр см2, вт/стр СМ2
Энергетическая светимость чаще называется излуча-
тельной или испускательной способностью нагретого
тела. Противоположное этому по названию понятие —
поглощательная способность представляет собой отно-
127
шение поглощенного телом потока лучистой энергии
к падающему на него потоку.
Излучательная и поглощательная способности тела
зависят и от природы тела, и от его температуры. Од-
нако еще в середине 19 века Кирхгофом был установлен
интересный факт. Оказалось, что отношение излуча-
тельной способности к поглощательной не зависит от
природы тела и всецело определяется его температурой.
После этого в науку было введено понятие об абсо-
лютно черном теле.
Абсолютно черным называется тело, поглощающее
все падающие на него лучи. В природе нет таких тел.
Рис. 43. Модель абсолютно черного тела
Близко подходит к нему сажа. Ее поглощательная спо-
собность близка к единице в области видимых лучей
света, но она заметно меньше в области инфракрасных
лучей. И все-таки физики придумали модель абсолютно
черного тела. Она представляет собой сосуд, имеющий
небольшое отверстие. Как видно на рис. 43, луч света,
попавший в такой сосуд, много раз отразится, прежде
чем выйдет обратно. И при каждом отражении он бу-
дет поглощаться. Практически такой сосуд поглощает
все попавшие в него лучи. Между прочим, комната с
окном напоминает собой модель абсолютно черного
тела. Именно поэтому окно днем кажется темным, хотя
в комнате светло.
Понятие абсолютно черного тела значительно упро-
стило изучение законов теплового излучения. Оно позво-
лило отвлечься от свойств материала излучающих тел,
принимая во внимание только температуру. Перейти от
абсолютно черного тела к конкретно интересующему
нас не представляет труда. Нужно лишь излучатель-
ную способность абсолютно черного тела умножить на
поглощательную способность нашего тела, чтобы полу-
чить излучательную способность последнего.
128
Таким образом, мы будем рассматривать законы теп-
лового излучения для абсолютно черного тела.
Раскаленное тело излучает световые волны различ-
ной длины. При этом излучательная способность для
постоянной температуры зависит от длины волны.
Если изменить тем-
пературу, то изменится
и распределение излу-
чательной способности
по длинам волн. На
рис. 44 приведены, гра-
фики, показывающие
зависимость излуча-
тельной способности от
длины волны для раз-
личных температур из-
лучающего тела.
Суммарная излуча-
тельная способность во
всем диапазоне волн
выражается на рис. 44
площадью, охватывае-
мой кривой для соот-
ветствующей темпера-
туры. Вычисление ее
Рис. 44. Зависимость излучательной
способности абсолютно черного тела
от длины волны излучения для раз-
личных температур
производится посредством изучаемого в высшей матема-
тике действия — интегрирования. А излучательная способ-
ность тела во всем диапазоне волн называется интеграль-
ной излучающей способностью.
Глядя на рис. 44, легко заметить, что с увеличением
температуры максимум кривой смещается влево, т. е.
.длина волны, на которую приходится максимальная
излучательная способность, уменьшается. В этом состо-
ит существо закона смещения Вина. В точной формули-
ровке этот закон гласит: длина волны, на которую при-
ходится максимум излучательной способности, меняется
обратно пропорционально абсолютной температуре излу,-
чающего тела.
Закон Вина выражается формулой
т
2,886
где —длина волны в мм, на которую приходится
1Д-9 Ю. Н. Сушков
129
максимум излучения, Т — абсолютная температура тела
в градусах.
Одним из проявлений закона Вина является измене-
ние цвета раскаленного металла. С повышением темпе-
ратуры светящийся металл превращается из красного в
ярко-желтый и затем в ослепительно белый. Это как раз
и соответствует перемещению максимума лучеиспуска-
тельной способности из области более длинных, «крас-
ных», волн в область более коротких волн.
На рис. 44 видно, что с ростом температуры тела
увеличивается площадь, охватываемая кривой, т. е. уве-
личивается интегральная излучательная способность
тела. Закон Стефана-Больцмана гласит, что интеграль-
ная излучательная способность абсолютно черного тела
возрастает пропорционально четвертой степени абсо-
лютной температуры тела. Эта зависимость выражается
формулой
R = 5,71 • 10-12Т4,
где R — интегральная излучательная способность в
вт)см2, Т — абсолютная температура.
Первоначально зависимости, приведенные на
рис. 44, были установлены экспериментально. Затем
были предприняты попытки получить эти зависимости
теоретическим путем. Однако вычисления, основанные
на классических представлениях электромагнитной тео-
рии света, давали кривые, совсем не похожие на экспе-
риментальные. В области ультрафиолетовых лучей вы-
численные кривые уходили к бесконечно большим зна-
чениям. Это и была «ультрафиолетовая катастрофа»
классических представлений. Выход из нее нашел, как
мы уже упоминали, Планк. Он вывел формулу для из-
лучательной способности тела, основываясь на кванто-
вых представлениях испускания света. Из формулы
Планка, в частности, следуют установленные первона-
чально опытным путем законы Вина и Стефана-Больц-
мана.
В заключение этого раздела приведем таблицу, по-
казывающую зависимость величин, характеризующих
излучение, от температуры абсолютно черного тела.
Из этой таблицы видно, что излучаемая телом энер-
гия очень быстро возрастает при увеличении темпера-
туры. Так, с каждого квадратного сантиметра тела, на-
130
Таблица 3
Абсолютная
температура,
° С
Длина волны, соот-
ветствующая макси-
муму излучательной
способности, ми
Интегральная
излучательная
способность, вт!см:
Яркость, со
1 200
1 600
2 000
3 000
4 000
5 000
6 000
8 000
10 000
0,002405
0,001804
0,001443
0,000962
0,000721
0,000577
0,000481
0,000361
0,000289
12
37
91
462
1 461
3 568
7 399
23 384
57 090
0,0144
2,08
44,2
2 824
23 380
84 020
198 100
581 900
1 114 000
гретого до 10 000° С, излучается мощность 57 090 вт. Это
примерно 80 л. с., мощность хорошего автомобильного
мотора.
Фотонный двигатель. Двигатель звездолета, как мы
уже говорили, должен работать на аннигиляционном
горючем. В реакциях аннигиляции существенная доля
вещества превращается в излучение. Поэтому в анниги-
Рис. 45. Схема основных процессов в фотонном двигателе
ляционном двигателе давление излучения будет играть
весьма существенную роль, а подчас окажется единст-
венной причиной возникновения силы тяги.
Поскольку излучение испускается квантами-фотона-
ми, постольку двигатель, создающий тягу за счет излу-
чения, называют квантовым или, гораздо чаще, фотон-
ным. На рис. 45 представлена схема основных процес-
сов, протекающих в таком двигателе.
Вещество и антивещество подаются в камеру, где
немедленно начинается реакция аннигиляции. При этом
9 Ю. Н. Сушков
131
выделяется колоссальная энергия. Ее носителями ока-
зываются и возникшее электромагнитное излучение, и
остатки непрореагировавшего вещества. Давление этих
продуктов аннигиляции на стенку — зеркало камеры —
и должно образовать реактивную силу.
Несколько строчек заняло описание принципа рабо-
ты фотонного двигателя. Но какие огромные трудности
стоят на пути его создания! Взять хотя бы хранение
антивещества. Как уберечь его от контакта с обычным
веществом? Может, изолировать с помощью магнитного
поля, подобно плазме в термоядерных установках?
В настоящее время наука не в состоянии ответить на
этот вопрос. Не решен и целый ряд других проблем. По-
этому о фотонном двигателе можно говорить лишь в
плане далекой перспективы.
Удобнее всего познакомиться с проблемами, решение
которых должно предшествовать созданию фотонного
двигателя, рассматривая последовательно принципи-
ально необходимые для его работы процессы.
Прежде всего о реакциях аннигиляции.
При изучении распада искусственных радиоактивных
изотопов была обнаружена неизвестная ранее элемен-
тарная частица — позитрон. Всеми своими свойствами
позитрон напоминает электрон и отличается от послед-
него лишь знаком заряда — он является носителем по-
ложительного электричества.
Позитрон оказался способным аннигилировать с
электроном. При этом образуются два фотона, энергия
которых равна сумме кинетической энергии позитрона
и электрона и энергии, связанной с массой последних.
Наблюдается и обратный процесс, когда фотон, об-
ладающий достаточным запасом энергии, превращается
в пару позитрон-электрон.
При аннигиляции электрона с позитроном вещество
полностью превращается в излучение. Это наиболее под-
ходящая реакция для фотонного двигателя. Если бы
килограмм смеси электронов и позитронов превратился
в излучение, то выделилось бы 21 480 миллиардов ккал
энергии. Чтобы получить такое количество тепла обыч-
ным путем, потребовалось бы сжечь больше трех мил-
лионов тонн угля или почти два миллиона тонн нефти!
В 1955 году был обнаружен антипротон. Эта частица
аналогична протону, но отличается от него знаком за-
132
ряда. Еще через год был открыт антинейтрон. Он, так
же как и нейтрон, электрически нейтрален и отличается
от последнего противоположными свойствами при вза-
имодействии с магнитным полем. Антипротон и анти-
нейтрон иногда называются одним именем — антинук-
лоны.
Антинуклоны могут вступать в реакцию аннигиляции
с нуклонами. При этом антипротон может аннигилиро-
вать и с протоном, и с нейтроном. Таким же свойством
обладает антинейтрон.
Реакция аннигиляции нуклонов с антинуклонами мо-
жет протекать по двум вариантам. Чаще всего они пре-
вращаются в нейтральные пи--мезоны — неустойчивые
частицы, каждая из которых в среднем через 10~15 сек
распадается на два фотона. Второй, значительно менее
вероятный вариант — это прямое превращение анниги-
лирующих частиц в фотоны.
Аннигиляционный двигатель, в котором предусмат-
ривается протекание реакции между нуклонами и анти-
нуклонами, иногда называют мезонным. Определенную
роль в создании силы тяги этим двигателем, наряду с
давлением излучения, должно сыграть давление «мезон-
ного газа».
Антинуклоны могут образовывать аналогичные ядрам
обычных атомов «антиядра». Оболочкой вокруг них мо-
гут служить позитроны. Из таких «антиатомов» будут
состоять молекулы «антивещества» — одной из состав-
ных частей аннигиляционного горючего. Другим компо-
нентом его явится любое обычное вещество—твердое,
жидкое или газообразное, безразлично.
В настоящее время реакции аннигиляции имеют
только научное значение. Они изучаются попутно с изу-
чением свойств античастиц на специальных установ-
ках — ускорителях элементарных частиц. Здесь при
столкновениях ядер, обладающих громадной энергией,
протекают процессы, в результате которых образуются
даже тяжелые античастицы — антинуклоны. Реакция
аннигиляции позитронов с электронами сопровождает
радиоактивный распад некоторых искусственных, изото-
пов. Так, например, на каждые 100 распадов образую-
щегося в ядерных реакторах бета-активного цинка излу-
чается три позитрона. Они немедленно аннигилируют
с электронами.
9*
133
Мы уже говорили о том, что коротковолновые
гамма-фотоны, образующиеся в ядре, обладают большим
запасом энергии по сравнению с фотонами, испускае-
мыми электронами ядерной оболочки. Общий закон,
установленный Планкотл на основе квантовой теории
света, состоит в уменьшении длины волны излучения с
увеличением энергии фотона.
Этой закономерности подчиняется и аннигиляцион-
ное излучение. Оно представляет собой гамма-фотоны.
Зеркало, отражающее видимый свет, известно всем.
Радиолокация и радиоастрономия основаны на отраже-
нии радиоволн. Но наука не знает зеркал, способных
отразить гамма-лучи, а без них невозможно создать фо-
тонный двигатель. Где же выход?
Может, в будущем ученые получат какое-либо сверх-
плотное или иное неизвестное сейчас вещество, отража-
ющее гамма-лучи. Но гораздо вероятнее, что создатели
фотонного двигателя пойдут по другому пути. Возмож-
но, что ключом к решению проблемы отражения анни-
гиляционного излучения явится предварительное преоб-
разование гамма-фотонов в фотоны видимого света,
отбрасываемые зеркалами обычного типа.
На каком принципе должны работать подобные пре-
образователи фотонов? Очевидно, это будут различного
рода взаимодействия гамма-лучей либо с атомами спе-
циально вводимых веществ, либо с еще не вступившими
в реакцию аннигиляции частицами и античастицами. Ха-
рактер взаимодействия гамма-фотонов с веществом за-
висит от их энергии.
Энергия гамма-фотонов, образующихся при анниги-
ляции позитронов с электронами, равна 0,51 Мэв. При
аннигиляции нуклонов с антинуклонами возникают го-
раздо более «жесткие» фотоны.
Гамма-фотоны, обладающие энергией в несколько
мегаэлектронвольт, могут взаимодействовать с ядрами
атомов. Такие реакции называются фотоядерными.
Примером фотоядерной реакции может служить раз-
рушение ядер дейтерия. При этом из 2,62 Мэв энергии
гамма-фотона 2,19 Мэв расходуется на разрыв связи
между протоном и нейтроном в ядре, а 0,43 Мэв выде-
ляется в виде их кинетической энергии. Таким образом,
если в состав аннигиляционного горючего войдет тяже-
лый водород, то некоторую, правда очень незначитель-
134
ную, долю тяги будут создавать толчки в стенку «каме-
ры сгорания» продуктов его фотоядерного распада.
Иногда ядро, поглотившее гамма-фотон, может ис-
пустить один или несколько фотонов с меньшей энер-
гией. Одним из условий подобного процесса, называе-
мого резонансным рассеянием, является чрезвычайно
высокая температура. Оно, конечно, будет выполняться
в аннигиляционном двигателе.
Гамма-фотоны, энергия которых больше 0,51 Мэв,
могут, попадая в сферу действия электрического заряда
ядра, превращаться в электронно-позитронную пару.
Позитрон, конечно, в следующее мгновение встретится
с электроном и аннигилирует с испусканием гамма-кван-
та. Этот процесс вряд ли окажется полезным в фотон-
ном двигателе, но избежать его протекания в ходе нук-
лонно-антинуклонной аннигиляции, по-видимому, не
удастся.
Следующим процессом взаимодействия гамма-фото-
нов с веществом является комптоновское рассеяние. Фо-
тон в этом случае сталкивается с электроном ядерной
оболочки и отдает ему часть своей энергии. При этом
электрон может быть выбит из атома. Он называется
тогда электроном отдачи. Чем меньше длина волны фо-
тона, тем большую долю своей энергии он передает
электрону.
Комптоновское рассеяние — основной вид взаимо-
действия гамма-квантов, энергия которых больше 1 Мэв,
с веществом. Оно особенно интенсивно протекает при
малом атомном весе, когда электроны сравнительно сла-
бо связаны с ядром. Таким образом, комптоновское
рассеяние, по-видимому, будет использовано будущими
конструкторами фотонного двигателя.
При малых энергиях гамма-квантов они могут погло-
щаться атомами с испусканием электрона. Это явление
называется фотоэлектрическим эффектом. Интенсив-
ность фотоэффекта сильно возрастает с увеличением
атомного веса элементов.
Иногда гамма-фотон, столкнувшись с электроном, ве-
дет себя как упругая частица, он лишь изменяет направ-
ление полета. Это явление называется упругим или ре-
леевским рассеянием.
Мьи рассказали о целом ряде процессов взаимодейст-
вия гамма-фотонов с веществом. По-видимому, рацио-
135
нальное использование некоторых из них позволит зна-
чительно увеличить длину волньи гамма-квантов и, воз-
можно, довести ее до диапазона волн видимого света.
Тогда появится возможность использовать привычные
нам методы отражения лучей.
Чтобы представить себе, насколько сложной является
проблема создания зеркала фотонного двигателя, при-
ведем следующий пример.
Если на каждый квадратный сантиметр поверхности
зеркала излучение будет приносить ежесекундно мил-
лион килокалорий энергии, то давление света составит
1,3 кг/см2. В камерах сгорания современных жидкостно-
реактивных двигателей давление газов в десятки раз
превышает эту величину. По-видимому, в фотонном дви-
гателе давление на зеркало будет равно' нескольким
атмосферам. Это значит, что каждый квадратный санти-
метр зеркала должен в каждую секунду отражать такое
количество тепла, которого было бы достаточно, чтобы
расплавить несколько сотен тонн стали.
Если даже очень небольшая доля падающей на зер-
кало энергии будет поглощаться в нем, то проведение
охлаждения зеркала превратится в серьезную проблему.
По данным иностранной печати, в современной ракет-
ной технике удается при охлаждении камер сгорания
отводить примерно 1 ккал в секунду с каждого квадрат-
ного сантиметра поверхности. Это значит, что зеркало
фотонного двигателя не должно поглощать более мил-
лионной доли падающей на него энергии излучения.
Самые лучшие современные зеркала с серебряной
или алюминиевой отражающей поверхностью поглощают,
не менее процента энергии инфракрасных лучей и зна-
чительно большую долю энергии видимого света и
ультрафиолетовых лучей. Можно ли создать более со-
вершенные зеркала?
Известны следующие способы отражения электро-
магнитных волн. Радиоволны отражаются ионизирован-
ными слоями атмосферы!, металлическими предметами.
Свет отражается полированными металлическими по-
верхностями. Рентгеновские лучи отражаются кристал-
лами. Но в основе всех этих процессов лежит взаимо-
действие между фотонами и свободными, или «блуждаю-
щими», электронами, не входящими в состав атомов.
136
Именно эти электроны образуют микротоки, о которых
мы упоминали в разделе, посвященном давлению света.
Механизм взаимодействия фотонов с отражающими
их электронами представляется довольно сложным.
Упрощенно его можно объяснить и с точки зрения кор-
пускулярных свойств фотона, и основываясь на волно-
вой природе света.
В первом случае столкновение фотона с электроном
можно рассматривать как соударение упругих шариков.
Фотон, ударяющийся «в лоб» электрона, отскочит от него
в противоположном направлении. При этом количество
энергии, которое фотон передаст электрону, зависит от
соотношения их масс. При этом под массой фотона
подразумевается количество массы, эквивалентное энер-
гии фотона по закону взаимосвязи массьи и энергии.
Масса фотонов инфракрасного света очень мала, и они
отскакивают от электронов, почти не отдавая и.м своей
энергии. В этом случае нагревание зеркала минималь-
ное.
С уменьшением длины волны масса фотона возра-
стает и количество энергии, отдаваемой электрону при
«лобовом» столкновении, увеличивается. Когда длина
волны уменьшится до 2,4-10~9 мм («жесткие» рентге-
новские лучи), массы фотонов и электронов сравни-
ваются. В этом случае отражение оказывается возмож-
ным только за счет серии «скользящих» ударов. Нагре-
вание зеркала сильно возрастает.
Теоретические расчеты, произведенные, конечно, не
по приведенным нами упрощенным рассуждениям, а по
точной теории, показывают, что фотоны, длина волны
которых лежит в диапазоне 10~6—10-3 мм («мягкие»
рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи и видимый
свет), отражались бы от чистого электронного газа с
потерей лишь миллионной доли энергии. А это как раз
то, что нам нужно.
Таким образом, принципиально возможно создать
зеркало, пригодное для применения в фотонном двига-
теле. Нужно лишь организовать достаточно плотный
слой электронов между твердой поверхностью зеркала
и падающим на него излучением. Какова же должна
быть плотность электронного слоя, чтобы обеспечить
полное отражение преобразованного аннигиляционного
излучения?
137
Расчеты, проделанные немецким ученым Е. Зенге-
ром, показывают, что необходимая концентрация в отра-
жающем слое составляет не менее 1027 электронов на
кубический сантиметр. Чтобьи преодолеть взаимное от-
талкивание одноименно заряженных электронов, нахо-
дящихся при такой концентрации на расстоянии не бо-
лее 10~9 см друг от друга, нужно, чтобы они находились
под давлением порядка 100 миллиардов атмосфер. При-
мерно такую величину имеет давление газов в момент
взрыва водородной бомбы. Итак, мы избавились в на-
ших рассуждениях (а за ними кроется необходимость
громадных научно-исследовательских и инженерно-тех-
нических работ) ог перегрева зеркала, но пришли к вы-
воду, что нам придется бороться с невообразимыми дав-
лениями. Облегчилась ли при этом задача создания фо-
тонного двигателя? Как обеспечить прочность его агре-
гатов 'При таких высоких давлениях?
Трудно предполагать, что удастся создать сверхпроч-
ный материал, выдерживающий такое давление. Но
можно ожидать, что будут найдены другие пути созда-
ния электронного газа нужной плотности. Так, напри-
мер, чтобы электроны сблизились на расстояние 10-9 см,
они должны двигаться навстречу друг другу со ско-
ростью, которую получат при разгоне в электрическом
поле с разностью потенциалов всего около 150 в. Таким
образом, использование сталкивающихся потоков элек-
тронов позволило бьп избежать колоссальных давлений.
Однако и этот метод имеет свои «узкие» места, напри-
мер вопрос о мощном источнике электронов.
Второй путь создания зеркал, практически полностью
отражающих свет, откроет, может быть, волновая тео-
рия света. Она гласит, что причиной нагревания зерка-
ла является электрическое сопротивление его материала
микротокам, возникающим на отражающей поверхности.
Устранив это сопротивление, мы предотвратим нагрева-
ние зеркала.
Но еще в 1911 году бышо открыто явление сверхпро-
водимости. Оно состоит в том, что некоторые металлы,
охлажденные до температур, близких к абсолютному
нулю, не оказывают никакого сопротивления электриче-
скому току. Вот если бы изготовить зеркало из сверх-
проводника, то микротоки не встречали бы сопротивле-
138
ния и зеркало бы не нагревалось: лучистая энергия от-
ражалась бы целиком.
О реальности или невозможности создания зеркал
из сверхпроводников в настоящее время говорить преж-
девременно. Свойства их изучены еще недостаточно, и
полной теории сверхпроводимости пока не существует.
Однако можно уже сейчас указать на подводные кам-
ни, которые встретятся при попытках создать сверхпро-
водниковое зеркало. Прежде всего придется считаться
с тем, что в сверхпроводнике может течь и «нормаль-
ный» электрический ток, встречающий сопротивление и
затрачивающий часть своей энергии на его преодоление.
Эта часть энергии будет превращаться в тепло, которое
придется отводить.
Правда, «нормальный» ток возникает в сверхпровод-
нике только при определенных условиях. Но в зеркале
фотонного двигателя такие условия, по-видимому, бу-
дут иметь место.
Вторым возможным препятствием к применению
сверхпроводниковых зеркал является разрушение сверх-
проводимости при определенной величине магнитного
поля. Может оказаться, что интенсивность аннигиля-
ционного излучения будет настолько велика, что элек-
тромагнитное поле световой волны разрушит сверхпро-
водимость.
Мы рассмотрели лишь некоторые из вероятных путей
создания аннигиляционного фотонного двигателя. Конеч-
но, развитие науки и техники откроет и другие возмож-
ности, о которых мы сейчас и не подозреваем. Поэтому
трудно сейчас сказать, хотя бы в общих чертах, каким
будет аннигиляционный двигатель. Однако, основываясь
на приведенных в этом разделе рассуждениях, можно
набросать принципиальную схему устройства одного из,
по-видимому, возможных в будущем вариантов фотон-
ного двигателя. Она приведена на рис. 46.
В качестве аннигиляционного горючего здесь исполь-
зуется смесь водорода и «антиводорода». Для изоляции
последнего от стенок сосуда применяется магнитное
поле, создаваемое электромагнитами. «Антиводород»
непрерывно вытекает по каналу вдоль оси соленоида. Из
кольцеобразной полости, окружающей зеркало, к центру
под большим давлением подается водород. Вблизи фо-
куса зеркала протекает реакция аннигиляции. Обра-
139
зующиеся при этом гамма-фотоны разлетаются во все
стороны равномерно. Те из них, которые направляются
к зеркалу, проходят через слой водорода, преобразуются
в фотоны видимого света и затем, отражаясь от метал-
лической сверхпроводящей поверхности, создают силу
Рис. 46. Принципиальная схема фотонного двигателя:
/—запас «антиводорода»; 2—обмотка электромагнита; 3 — запас водо-
рода; 4 — насос водорода; 5 — зона аннигиляции; 6 — сверхпроводниковое
зеркало; 7 — холодильная установка; 8 — насос жидкого гелия; 9 — узлы
крепления зеркала на ракете; 10 — реактивный световой луч
тяги двигателя, тем большую, чем больше расход анни-
гиляционного горючего. Чтобы поддерживать зеркало в
состоянии сверхпроводимости, между двойными его стен-
ками непрерывно прокачивается жидкий гелий, охлаж-
даемый в специальной установке. С помощью узлов под-
вески фотонный двигатель крепится к ракете.
Конфигурация светового луча, отбрасываемого фо-
140
тонным двигателем, зависит от формы зеркала, положе-
ния и величины! зоны аннигиляции. Если зеркало будет
иметь форму параболоида вращения, а аннигиляция по-
течет в его фокусе, то световые лучи образуют парал-
лельный пучок. В этом случае тяга двигателя окажется
наибольшей при данном расходе аннигиляционного го-
рючего.
Но на самом деле зона аннигиляции будет иметь не-
которую протяженность. Поэтому луч фотонного двига-
теля окажется расходящимся. Это приведет к некото-
рому снижению тяги.
Мощный поток излучения фотонного двигателя пред-
ставит собой большую опасность, особенно если лучи
будут отбрасываться параллельным пучком. Они сожгут
все на своем пути на расстоянии десятков километров.
Поэтому стартовый район звездолетов придется, по-ви-
димому, располагать в пустынной местности, далекой от
населенных пунктов.
Механика фотонных ракет. Для того чтобы вычис-
лить силу тяги жидкостного ракетного двигателя, кото-
рая является результатом давления газов, вовсе не обя-
зательно знать, какое давление поддерживается в ка-
мере сгорания двигателя. Как мы говорили в первой
главе, достаточно знать лишь скорость истечения газов
из реактивного сопла и расход топлива. По этим дан-
ным, пользуясь общими законами физики, легко вычис-
лить реактивную силу.
Точно так же, не зная подробностей устройства фо-
тонного двигателя, можно установить общие закономер-
ности, которым он будет подчиняться.
Довольно подробное исследование основных свойств
фотонного двигателя и особенностей полета межзвезд-
ных ракет проделал немецкий ученый и инженер
Е. Зенгер. Познакомимся с некоторыми его выводами.
Источником энергии в фотонном двигателе послужат
реакции аннигиляции или другие процессы, в ходе ко-
торых происходит превращение вещества в излучение.
Выходом энергии Е. Зенгер называет отношение выде-
лившейся энергии ко всей энергии, связанной с массой
участвующих в процессе веществ.
Выход энергии в реакции аннигиляции позитронов и
электронов равен единице. Несколько меньше он в реак-
циях аннигиляции нуклонов с антинуклонами. Для тср-
ю IO IT Сушков
111
моядерных реакций величина выхода энергии не превы-
шает 0,01. Это значит, что в ходе термоядерной реакции
убыль массы вещества не достигает 1%.
Куда же расходуется вещество, не превратившееся в
излучение?
Основная часть его составляет вместе с излучением
реактивную струю фотонного двигателя. Часть вещества
может быть выброшена в окружающее пространство
диффузно, т. е. без скорости относительно звездолета.
Примером может служить выхлоп горячих газов, отби-
раемых для работы турбины, приводящей во вращение
генератор электрического тока. Можно предполагать,
что часть участвовавшего в реакции вещества останется
на борту звездолета.
Выделившаяся во время реакции энергия в основном
представляет собой энергию реактивной струи — излу-
чения и остатков вещества. Но часть ее расходуется не-
производительно, с точки зрения разгона звездолета,
вместе с диффузно выбрасываемым в окружающее про-
странство веществом, вместе с остающимся на борту
веществом. Даже в самой реактивной струе полезно
используется лишь та часть энергии, которая связана
с возникновением реактивной силы, т. е. кинетическая
энергия струи, и, по сути дела, потерянной оказывается
энергия, проявляющаяся в виде тепла, диссоциации,
ионизации.
Внутренним коэффициентом полезного действия фо-
тонного двигателя Е. Зенгер называет отношение энер-
гии, используемой для создания силы тяги, ко всей осво-
бождающейся в процессе работы двигателя энергии.
Очевидно, что реальный фотонный двигатель может
иметь этот коэффициент равным единице лишь в слу-
чае реакции аннигиляции позитронов и электронов.
Реактивная струя при этом представляет собой парал-
лельные световые лучи. Если же в реактивной струе
будут присутствовать газы, то часть энергии неизбежно
израсходуется на их нагревание.
Предположим, что в реакцию аннигиляции вступает
некоторое количество' вещества. Часть его превращается
в излучение. При этом освобождается энергия. Ее носи-
телем может оказаться либо только излучение, либо и
излучение, и оставшееся вещество. Причем можно пред-
ставить себе, что часть оставшегося вещества не полу-
142
чает энергии. Е. Зенгер называет парциальностью отно-
шение массы той части оставшегося вещества, которая
не получает энергии, ко всей массе оставшегося непре-
вращенным в излучение, но участвовавшего в реакции
аннигиляции вещества. Парциальность характеризует
роль излучения в образовании силы тяги двигателем.
Парциальность равна нулю в том случае, когда вся
энергия реакции аннигиляции содержится в оставшемся
веществе и все это вещество выбрасывается из двига-
теля в виде реактивной струи. В этом случае имеет
место адиабатическое истечение продуктов реакции из
двигателя. Таким называется всякое движение газа, в
ходе которого отсутствует теплообмен.
Диабатическим истечением Е. Зенгер называет такой
случай, в котором выделившаяся энергия сосредоточи-
вается лишь в некоторой части оставшегося вещества.
Эта доля вещества и образует реактивную струю. А та
часть непревращенного в излучение вещества, которая
не получает энергии, остается в покое относительно дви-
гателя. При диабатическом истечении парциальность
больше нуля, но меньше единицы.
Если же вся энергия уносится только излучением,
то непревращенная часть вещества целиком остается в
покое относительно двигателя. В этом случае парциаль-
ность равна единице и сила тяги создается только дав-
лением излучения. Е. Зенгер называет этот случай пол-
ной фотонной ракетой. Тот двигатель, в котором реак-
тивная струя состоит не только из фотонов, но и из
остатков непревращенного в излучение вещества,
Е. Зенгер называет частичной фотонной ракетой.
Очевидно, что для реакции аннигиляции позитронов с
электронами, в которой все вещество превращается в
излучение, понятие парциальности теряет смысл. Двига-
тель с такой реакцией, по классификации Е. Зенгера
является полной фотонной ракетой.
Фотонный двигатель — единственно пригодный тип
двигателя для использования реакции аннигиляции. Но,
может быть, он применим и в других случаях?
Так, например, плазма при температуре 150 000°С
дает излучение, давление которого на перпендикуляр-
ную поверхность достигает 1 кг/см2. Можно ли создать
термоядерный фотонный двигатель?
Принципиально сделать это гораздо легче, чем со-
10*
143
здать аннигиляционный фотонный двигатель. Но возни-
кают другие вопросы. Нужно ли его создавать? Какие он
будет иметь преимущества перед термоядерным двига-
телем, образующим тягу за счет отбрасывания частиц
плазмы?
Расчеты! Е. Зенгера показывают, что чисто фотонный
ракетный двигатель, в котором протекает реакция пре-
вращения водорода в гелий, при парциальности, равной
единице, будет развивать за счет давления излучения
тягу 210 т на каждый ежесекундно расходуемый кило-
грамм термоядерного горючего. При парциальности,
равной нулю, т. е. когда все продукты! термоядерной
реакции будут выбрасываться из реактивного сопла, тяга
двигателя, создаваемая не только давлением излучения,
но и давлением вещества, достигнет 3550 т на килограмм
расходуемого в секунду горючего.
Таким образом, адиабатический термоядерный двига-
тель будет развивать в 17 раз большую тягу, чем фо-
тонный термоядерный двигатель. Вопрос о создании по-
следнего' может возникнуть лишь в случае, если он ока-
жется технически легче выполнимым.
Бессмысленно говорить о создании фотонного двига-
теля на химических горючих. Обычный жидкостный ра-
кетный двигатель, в котором истечение газов происходит
адиабатически, развивает тягу порядка 250 кг на кило-
грамм расходуемого в секунду топлива. Фотонный же
двигатель развивал бы примерно в 100 000 раз меньшую
тягу.
Вообще во всех случаях, в которых вещество не пол-
ностью превращается в излучение, адиабатический дви-
гатель оказывается выгоднее фотонного. Чем большая
доля реагирующих веществ превращается в излучение,
тем меньше преимущество адиабатического двигателя.
В предельном случае, когда все вещество превращается
в отбрасываемое параллельным пучком излучение, тяга
фотонного двигателя достигает громадной величины) —
30 570 т при расходе аннигиляционного горючего
1 кг/сек. Современный жидкостно-реактивный двигатель
с такой тягой расходовал бы ежесекундно больше сотни
тонн химического топлива.
К звездам и потомкам! Какие же перспективы от-
кроет аннигиляционный фотонный двигатель, если он
будет создан?
144
Ракета с таким двигателем сможет за несколько
дней пролететь через всю Солнечную систему. При
этом будет израсходовано лишь несколько процентов
аннигиляционного горючего. Более того, на фотонной
ракете можно будет отправиться в другие звездные
миры, совершить посадку на какой-либо «звездной» пла-
нете и вернуться назад.
Хватит ли горючего на такой полет?
Если в расчетах пренебречь сопротивлением меж-
звездной среды, то окажется, что только для полета к
ближайшей звезде, по расчетам Е. Зенгера, нужно
иметь на каждую тонну веса конструкции и полезной
нагрузки не менее 30 т аннигиляционного горючего.
А для обеспечения обратного полета—еще в 30 раз
больше. Ясно, что межзвездная ракета должна пред-
ставлять собой сложнейшую многоступенчатую систему.
Ученые предполагают, что космическое пространство
заполнено чрезвычайно сильно разреженным газом.
Один грамм его занимает объем около ста миллионов
кубических километров. На первый взгляд кажется, что
этот газ не может оказать существенного сопротивления
межзвездной ракете. Однако, если бы скорость ракетьи
почти достигла световой, межзвездный газ давил бы
на каждый квадратный сантиметр передней по-
верхности ракеты с силой в десятки миллионов тонн!
Но на самом деле фотонная ракета с описанным двига-
телем не испытает такого давления. Ее скорость пере-
станет увеличиваться уже при давлении встречного газа
в 0,1 атм. При этом скорость ракеты будет лишь на де-
сятитысячную долю процента меньше скорости света.
Как же преодолеть сопротивление межзвездного
газа? Ответ напрашивается сам собой — надо использо-
вать этот газ в качестве горючего для фотонной ракетьи.
Космическое вещество будет специальным приемником
забираться в ракету и направляться в камеру сгорания.
Там оно должно быть превращено в излучение. Но как?
Для осуществления реакции аннигиляции необходимо,
чтобы наряду с обычным веществом поступало' и «анти-
вещество». А если последнее встречается в космическом
пространстве в гораздо меньших количествах, чем
обычное вещество? Тогда остается один выход — разра-
ботать какой-то принципиально новый, неизвестный нау-
ке в настоящее время способ превращения вещества в
145
излучение. Тяга, создаваемая этим вспомогательным
двигателем, на любой скорости полета уравновесит
сопротивление межзвездной среды, и ракета сможет ра-
зогнаться почти до скорости света.
Один из выводов теории относительности говорит о
том, что чем ближе скорость межзвездного корабля к
скорости света, тем медленнее течет на нем время по<
сравнению с ходом времени на Земле.
На первый взгляд это кажется парадоксальным и не-
понятным явлением. Многие даже сомневаются, не
идеалистическая ли это точка зрения? Ведь получается,
что при достаточно большой скорости полета можно со-
вершить «полет в будущее», к нашим далеким потом-
кам. Не противоречит ли это материалистическому ми-
ровоззрению? Возможно ли это?
Подобные вопросы! чаще всего возникают, от недо-
статочного1 знакомства с теорией относительности. По-
этому мы коротко расскажем об основньих ее положе-
ниях, имеющих отношение к замедлению времени на те-
лах, движущихся с околосветовыми скоростями.
В 1905 году появилась статья малоизвестного в то
время сотрудника швейцарского патентного бюро
А. Эйнштейна под скромным названием «К электроди-
намике движущихся тел». 26-летний автор изложил в
ней частную, или специальную, теорию относительности,
многие положения которой не вязались со «здравым
смыслом».
Истоков веков считалось, что мир имеет только три
измерения: длину, ширину и высоту. А. Эйнштейн пока-
зал, что мир является «четырехмерным»: к трем прост-
ранственным он добавил «четвертое измерение» — вре-
мя. Специальная теория относительности, посвященная
рассмотрению прямолинейного движения с постоянной
скоростью, развенчала представление об «абсолютном»
характере пространства и времени, установила между
ними неразрывную связь. Вывод специальной теории
относительности о взаимосвязи массы и энергии лежит
в основе всей современной и будущей ядерной энерге-
тики.
В 1916 году А. Эйнштейн закончил работы по теории
тяготения, результатом которых явилась общая теория
относительности. Она предсказала некоторые факты,
проверенные затем на опыте. К таким относится, напри-
146
мер, отклонение светового луча под действием силы тя-
жести.
Специальная теория относительности базируется на
двух опытных фактах, сформулированных А. Эйнштей-
ном как специальный принцип относительности и. прин-
цип постоянства скорости света.
Принцип относительности гласит: «Все явления про-
текают одинаковым образом, независимо от того, по-
коится ли тело или движется равномерно и прямолиней-
но». Простейшее подтверждение этого принципа можно
получить проведением опытов на быстро движущемся с
постоянной скоростью корабле. Находясь в каюте без
окон, невозможно установить, движется ли корабль или
стоит неподвижно.
Еще в 1881 году было установлено1 на опыте, что
скорость света не зависит от движения источника. Она
одинакова и в направлении движения и в противополож-
ном направлении. А. Эйнштейн сформулировал этот
принцип следующим образом: «Величина скорости света
в пустоте не зависит от движения источника света». За-
метим, что по современным измерениям она равна
299 790 км/сек.
Представим себе поезд, который мчится мимо плат-
формы с большой скоростью. Пусть в какой-то момент
времени в хвосте поезда подается световой сигнал, за
распространением которого следят два наблюдателя:
один в поезде, другой на платформе.
За время, в течение которого сигнал достигнет ма-
шиниста, поезд успеет переместиться на некоторое рас-
стояние. С точки зрения пассажира, свет прошел путь,
равный длине поезда. С точки зрения наблюдателя,
стоящего на платформе, путь света больше. Он складьи-
вается из длины поезда и расстояния, пройденного поез-
дом за время распространения света.
Путь света можно определить, умножая его скорость
на время распространения. Если скорость света одина-
кова и в движущемся поезде, и на неподвижной плат-
форме, то разный путь света в рассмотренном примере
можно объяснить только тем, что в движущемся поезде
время течет медленнее, чем на неподвижной платформе.
Конечно, пример с поездом не является доказатель-
ством замедления времени на движущихся телах. Он
лишь поясняет существо этого явления. Строгая мате-
147
магическая теория А. Эйнштейна дает формулу, из Ко*
торой следует, что замедление времени на движущемся
с постоянной скоростью материальном объекте по срав-
нению с неподвижным зависит от квадрата отношения
скорости движения к скорости света. Оно становится за-
метным лишь при очень больших скоростях движения.
Можно ли проверить справедливость вывода теории
относительности о замедлении времени? В рассмотрен-
ном нами примере поезд должен двигаться со скоростью
свыше 7 тыс. км!сек, чтобы чась» в нем отставали на
одну секунду в течение часа. Ясно, что подобный экспе-
римент еще долго будет не ио силам науке. Однако в
природе существуют некоторые явления, подтверждаю-
щие замедление времени на быстролетящих материаль-
ных объектах.
В космических лучах встречаются ядерные частицьи,
называемые пи-мезонами. Опытами установлено, что
среднее время жизни неподвижного пи-мезона состав-
ляет примерно две стомиллионных доли секундьи. Затем
он распадается. Если бы пи-мезоп летел даже со ско-
ростью света, то при таком времени жизни средняя дли-
на его пробега была бьи порядка шести метров. Факти-
чески средний путь пи-мезонов, имеющихся в космиче-
ских лучах, гораздо больше. Современная физика
объясняет этот факт замедлением «собственного» вре-
мени на пи-мезоне: на Земле проходит во много раз
больше времени ПО' сравнению с двумя стомиллионными
долями секунды, прошедшими на мезоне. И за это время
мезон проходит в земной атмосфере гораздо больше
шести метров.
Если бы мы измеряли время и расстояние в системе
отсчета, связанной с мезоном, то обнаружили бьи, что
он распадается через две стомиллионных доли секунды
«собственного» времени.
Таким образом, опыт подтверждает, что чем ближе
скорость равномерного движения материального объекта
к скорости света, тем медленнее на нем течет время по
сравнению с ходом времени на неподвижном теле.
Как же, исходя из этого общепризнанного положения
теории относительности, установить, возможно ли «пу-
тешествие в будущее» для летящего в звездолете чело-
века?
148
Для осуществления межзвездного полета надо было
бы стартовать с Земли, условно принятой за неподвиж-
ную, разогнаться до околоеветовой скорости, затем про-
лететь некоторое расстояние прямолинейно, затормозить,
совершить посадку на планету неведомой звезды, снова
взлететь, разогнаться, пролететь по прямой к Земле, за-
тормозить и опуститься на родную планету. Как видно,
этот полет кроме двух участков равномерного прямоли-
нейного движения включает в себя два разгона и два
торможения. Как скажутся эти участки на скорости те-
чения времени?
Точного ответа на этот вопрос современная физика
еще не имеет. Некоторые ученые считают, что участки
разгона и торможения можно сделать настолько мальв-
ми по сравнению с произвольно увеличиваемым участ-
ком равномерного прямолинейного' полета, что их влия-
ние практически не скажется. Эти ученые дают положи-
тельный ответ на вопрос о том, возможен ли принци-
пиально «полет в будущее».
Академик В. А. Фок считает, что ускорение и замед-
ление сильно влияют на течение времени. Он предложил
гипотезу о ходе часов при ускоренном движении, причи-
ной которого является сила тяготения. Эта гипотеза поз-
волила ему вывести формулу, из которой следует, что
если разгон и торможение ракеты будут продолжаться
в течение трех четвертей общей продолжительности по-
лета по часам в неподвижной системе отсчета, то пока-
зания двигавшихся и неподвижных часов совпадут. Если
разгон и торможение займут меньшее время, то двигав-
шиеся часы отстанут, если большее — уйдут вперед.
Упоминавшийся нами Е. Зенгер игнорирует влияние
ускорения ракеты на течение времени на ней. Он вводит
среднюю скорость полета и получает формулу, по кото-
рой, например, полет к центру Галактики на фотонной
ракете, использующей реакцию аннигиляции, будет
длиться ддя космонавтов 19,72 года, если ракета будет
первую половину пути разгоняться, а вторую половину—
тормозить с постоянным ускорением, равным ускорению
силы тяжести на Земле. В Солнечной системе, говорит
Е. Зенгер, за это время пройдет 200 000 лет! Полет к
ближайшей звезде займет по «земному» времени 6,15 го-
да. Но пассажиры! звездолета, по утверждению Е. Зен-
гера, постареют лишь на 3,6 года,
149
Из всего вышесказанного следует, что современная
наука не имеет достаточных оснований ни безапелляци-
онно утверждать, ни тем более отрицать принципиаль-
ную возможность «путешествия в будущее».
Относительно' реальной осуществимости «полета к
потомкам» следует заметить, что, по-видимому, он не-
возможен. По расчетам Е. Зенгера, для полета к центру
Галактики на каждый килограмм полезной нагрузки и
веса конструкции нужно иметь больше миллиона тонн
аннигиляционного горючего. Ясно, что межзвездный ко-
рабль в этом случае должен представлять собой слож-
нейшую многоступенчатую систему, создание которой бу-
дет вряд ли по силам даже нашим далеким потомкам.
Но ощутимые эффекты замедления времени для космо-
навтов в будущем станут, возможно, настолько же при-
вычными, насколько они кажутся необычными сейчас.
Иногда вывод теории относительности о замедлении
времени на материальном объекте, движущемся с около-
световой скоростью, используется поповствующими фи-
лософами для «доказательства» возможности вечного су-
ществования. «Достаточно разогнаться до скорости све-
та — и время для тебя остановится, ты будешь существо-
вать вечно», — говорят они.
Принципиальная ошибка, лежащая в основе этого
утверждения, имеет своим корнем путаницу между поня-
тиями о различных видах материи. Известно, что мате-
риальный объект может быть вещественным — такими
являются окружающие нас предметы! — и невеществен-
ным, проявляющимся, например, в виде электромагнит-
ной В0ЛНЫ1.
С точки зрения теории относительности различие
между вещественными и невещественными материальны-
ми объектами особенно рельефно выступает в том, что
первые имеют так называемую «массу покоя», а у вто-
рых она равна нулю. Масса покоя — это масса непо-
движного, покоящегося тела.
Если разгонять тело, то его масса не будет оставать-
ся постоянной. Она, в соответствии с теорией относитель-
ности, начнет увеличиваться и будет возрастать тем
больше, чем ближе скорость движения к скорости света.
Равенство нулю массы покоя невещественных мате-
риальных объектов означает, что они не могут существо-
вать в неподвижном состоянии. Все невещественные ма-
150
териальные объекты! движутся безостановочно и, как
утверждает современная физика, обязательно' со скоро-
стью света.
Вещественное тело, как это следует из теории отно-
сительности, нельзя разогнать до скорости света из-за
беспредельного роста его массы с приближением скоро-
сти полета к скорости света. Двигаться со скоростью
света может только невещественный материальный
объект, .масса покоя которого равна нулю. Таким яв-
ляется, например, световой квант-фотон. Время на фо-
тоне не движется. Если он не вступит во взаимодействие
с другим фотоном или веществом, он будет существовать
вечно. С помощью телеокопов астрономы «ловят» фото-
ны, родившиеся в далеких мирах многие миллиарды лет
тому назад.
Мы рассказали лишь об одном выводе специальной
теории относительности — о замедлении времени на дви-
жущихся телах. Не менее интересны и другие следствия
этой теории, но рассказ о них отвлек бы нас в сторону
от основной темьи.
Подводя итог рассказанному в этой главе, отметим,
что' в настоящее время создание аннигиляционного фо-
тонного двигателя представляется делом очень отдален-
ного будущего. Однако' бурное и все ускоряющееся раз-
витие науки и техники в последние годы, и в частности
успехи, достигнутые советскими ракетостроителями и ис-
следователями атомного ядра, говорят о том, что часто
прогнозы бывают чересчур осторожными, — жизнь опе-
режает их.
Глава IV
АНТИГРАВИТАЦИОННЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ
АППАРАТЫ
Загадка тяготения. Брошенный камень падает на
Землю, вода рек, задержанная плотинами гидроэлектро-
станций, с большой высоты устремляется на лопасти
турбин, планеты вращаются вокруг Солнца — вот при-
меры действия вездесущей, всюду проникающей силы
тяжести, или, как ее часто называют, гравитационной
силы. Всю жизнь мы встречаемся с ее проявлениями и
настолько привыкаем к ним, что редко задумываемся,
почему Земля притягивает находящиеся на ней предме-
ты, почему Солнце притягивает Землю? Да если и уче-
ному задать вопрос: в чем причина тяготения? — он, по-
жалуй, не ответит.
Еще Ньютон пытался, разгадать тайну природы тяго-
тения, но так и не смог прийти к какому-либо выводу.
В одном из своих трудов он писал: «Причину... свойств
силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явле-
ний, гипотез же я не измышляю». С тех пор прошло два
с половиной века, появилось более сотни гипотез, авто-
ры которых пытались объяснить, что такое тяготение,
однако и в настоящее время мы знаем о его природе
не намного больше, чем знали ученые во времена Нью-
тона.
Одна из первых гипотез объясняла тяготение уда-
рами мельчайших «ультрамировых» частиц. По этой ги-
потезе тело, когда лишь оно одно находится в простран-
стве, испытывает взаимно уравновешивающиеся толчки
«ультрачастиц» со всех сторон. При наличии двух тел,
152
«заслоняющих» друг друга от толчков, появляется сила
притяжения, сближающая тела. Эта гипотеза имела
успех. В несколько иной форме она возрождалась неод-
нократно.
Не рассматривая всех гипотез, пытавшихся объяс-
нить тяготение, укажем, что с середины 19 века подав-
ляющее большинство их связывало тяготение с дейст-
вием на тела «мирового эфира». Часть гипотез объяс-
няла тяготение ударами «эфирных атомов» о молекулы
тел. Другая часть предполагала, что тяготение вызы-
вается механическим действием особых волн, распро-
страняющихся в «эфире». Так появилось мнение о таин-
ственных «волнах тяготения».
Развитие квантовых представлений в физике не мог-
ло не отразиться на попытках объяснить природу тяго-
тения. Появились гипотезы, в которых фигурирует «гра-
витон» — квант тяготения.
По одной из этих гипотез гравитоны непрерывно ис-
пускаются телами во все стороны. При этом реактивные
толчки, создаваемые каждым вылетающим гравитоном,
взаимно уравновешиваются. Если же сблизить два те-
ла, то в пространство между ними будет излучаться
меньше гравитонов, так как оно более насыщено ими.
В результате на каждое тело будет действовать реак-
тивная сила и они будут стремиться сблизиться.
Другая гипотеза просто объявляет, что гравитон яв-
ляется носителем той причины, которая заставляет тела
сближаться. Чем больше гравитонов в атомных ядрах
вещества, тем больше его удельный вес, тем сильнее
притягиваются изготовленные из него тела.
Ни одна из выдвинутых до сих пор гипотез так и не
стала подкрепленной опытом теорией, объясняющей тя-
готение. Вопрос о вызывающей его причине остается
открытым.
А может ли существовать в природе невесомое ве-
щество? Нельзя ли его создать искусственно?
Человека, задавшего этот вопрос несколько лет тому
назад, посчитали бы несерьезным. А в настоящее время
проблемы тяготения, или гравитации, подвергаются об-
суждению крупными учеными всего мира. При этом не
считается невозможным обнаружить какую-либо измен-
чивость силы тяжести.
153
Несколько лет тому назад в США проводился кон-
курс с целью привлечь внимание общественности к изу-
чению гравитации. Участники конкурса должны были
предложить способ поглощения или отражения тяготе-
ния, создания полностью или частично потерявшего вес
вещества, а также любой другой способ управления тя-
готением. О популярности этих вопросов свидетельст-
вует тот факт, что было прислано 235 работ. Правда,
лишь некоторые из них внесли положительный вклад в
науку.
Создание вещества, не подвергающегося действию
силы тяжести, открыло бы широчайшие возможности
для конструкторов и архитекторов. Громадные здания,
ажурные мосты, города под крышами, летающие авто-
мобили, космические корабли — да разве все перечи-
слишь!
Мы будем говорить о проблемах тяготения лишь в
связи с полетами. В настоящее время в различных ва-
риантах применяется только один метод полета — урав-
новешивание силы тяжести путем создания противопо-
ложно направленной подъемной силы.
Наиболее древним способом преодоления силы тя-
жести был, по-видимому, воздушный змей. В этом слу-
чае подъемная сила создается давлением ветра на на-
клонную поверхность змея.
Несколько веков известен и такой летательный аппа-
рат, как воздушный шар, или аэростат. Подобно тому
как пробка всплывает в воде, наполненный легким га-
зом аэростат поднимается в разреженные слои атмос-
феры. Однако воздушный шар — игрушка ветра. И да-
же дирижабль, снабженный двигателями и воздушны-
ми винтами, не получил практического применения.
Лишь самолет позволил человеку стать подлинным
господином воздушного океана. Форма профиля само-
летного крыла выбирается такой, чтобы на крыле обра-
зовался перепад давления воздуха на нижнюю и верх-
нюю поверхности. Он-то и обусловливает возникнове-
ние подъемной силы.
Этот же принцип — образование подъемной силы
быстро движущимся в воздухе профилем — лежит в ос-
нове полета вертолета. Каждая лопасть его воздушного
винта вносит свой вклад в преодоление силы тяжести.
154
Единственным осуществленным в настоящее время
способом создания подъемной силы, пригодным и в без-
воздушном пространстве, является применение ракет-
ного двигателя. Но писатели-фантасты говорят и о дру-
гих методах космических полетов. Так, по их словам,
достаточно загородиться от действия силы тяжести осо-
бым экраном, и можно лететь куда хочешь с минималь-
ной затратой энергии. Герои других авторов изобре-
тают способьи, которые позволяют сделать вещество не-
весомым или даже обладающим «отрицательным ве-
сом», т. е. испытывающим не тяготение, а отталкивание.
Имеются также высказывания о возможности создания
«антигравитационного двигателя», который будет яко-
бы «уничтожать» действие силы тяжести с помощью
электромагнитных сил. Имеют ли под собой научную
почву подобные методы космических полетов? Об этом
мы расскажем в следующих разделах.
Законы Ньютона. Знаменитый английский ученый
Ньютон считается основателем механики — науки о
движении. И действительно, до Ньютона механика пред-
ставляла собой, прежде всего, учение о простых маши-
нах: рычагах, блоках, клине, винте и т. п. Галилей от-
крыл свойство инерции тел и независимость ускорения
падающих тел от их веса. Гюйгенс нашел закон центро-
бежной силы. Кеплер установил законы движения пла-
нет вокруг Солнца. Близко подошел к открытию закона
тяготения Гук.
Но лишь Ньютон объединил эти разрозненные уси-
лия и создал стройную систему механики. Он показал,
что все виды механических движений всех тел природы
независимо от их размеров подчиняются одним и тем
же законам. Часто основные законы механики называ-
ются законами Ньютона. Мьп остановимся лишь на не-
которых из них.
Ньютон ввел понятие массы. Он говорил: «Масса
есть мера материи, возникающая совместно из ее плот-
ности и объема». Не вдаваясь в философский смысл
определения Ньютона, отметим, что сейчас в физике по-
нятие массы имеет двоякий смысл.
Во-первых, масса тела считается мерой его инер-
ции— способности сохранять неизменным состояние
покоя или равномерного и прямолинейного движения.
Чем больше масса тела, тем меньшее ускорение полу-
чит оно под действием той же самой силы. Масса, рас-
сматриваемая как мера инерции, называется инертной.
Во-вторых, масса тела характеризует его способ-
ность притягивать тела и самому притягиваться. Нью-
тон своим законом всемирного тяготения установил, что
два тела притягиваются друг к другу по прямой, сое-
диняющей их, с силой прямо пропорциональной массе
тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния
между ними. Масса как величина, характеризующая
способность тел тяготеть, называется тяготеющей.
Понятия инертной и тяготеющей массы не зависят
одно от другого. Ньютон считал, что тяготеющая масса
тождественна инертной. Впоследствии с точностью до
миллионной доли процента было установлено на опы-
тах, что по величине тяготеющая масса и инертная рав-
ны. Именно этот факт обусловливает одинаковую вели-
чину ускорения падающих тел. Ведь чем больше вес,
тем сильнее тело притягивается к Земле, тем большая
сила действует на него. Но одновременно с увеличением
веса увеличивается и инертная масса его. Поэтому со-
противляемость тела действию силы веса возрастает
пропорционально самому весу и ускорение свободного
падения остается одинаковым.
Мы назвали закон тяготения Ньютона всемирным.
Но в конце 19 века появились сомнения в его правиль-
ности для очень больших расстояний. Представьте себе
большой шар, заполненный равномерно веществом.
Внутрь, но не в центр шара, поместим небольшое тело.
Оно будет притягиваться к центру шара. Если увеличи-
вать размер шара до бесконечности, то сила притяже-
ния будет неограниченно возрастать.
Подобными рассуждениями, подкрепленными расче-
тами на основе законов Ньютона, немецкий ученый
Г. Зелигер пришел к выводу, известному в науке под
названием «парадокса Зелигера». Парадокс заклю-
чается в том, что раз Вселенная бесконечна, то в слу-
чае справедливости закона тяготения Ньютона мы дол-
жны жить в мире чудовищной тяжести. А мы живем в
нормальном мире земного притяжения. Раз это так, го-
ворит Г. Зелигер, то закон Ньютона несправедлив, тяго-
тение поглощается космической материей и потому убы-
вает в большей степени, чем следует по закону Ньютона.
Так перед наукой возник вопрос, поглощается ли
тяготение? В случае положительного ответа появилась
бы надежда, что, быть может, хотя бы в далеком буду*
щем, удастся создать искусственный экран, задержива-
ющий тяготение.
Впоследствии парадокс Зелигера был разрешен со-
ветским физиком А. А. Фридманом. Он доказал, что
Вселенная представляет собой систему разбегающихся
из одного центра Галактик — звездных скоплений. За-
тем было установлено предельное расстояние действия
силы тяготения. Оно оказалось равным 5 • 1019 км. Свет
проходит такое расстояние за 5 миллионов лет.
Экран, защищающий от тяготения? Допустим, что
нам удалось найти вещество, полностью поглощающее
тяготение. Из него можно было бы сделать экран, кото-
рый не пропускал бы тяготение, защищал от действия
силы тяжести. Если провести аналогию со световыми
лучами, то можно назвать область за экраном, где не
действует сила тяжести, «тенью тяготения».
Свойства «тени тяготения» будут весьма своеобраз-
ными. Так, она должна оказывать сопротивление пере-
мещению в нее каких-либо тел. На чем основано это
утверждение?
Давно известно, что «вечный двигатель», вырабаты-
вающий энергию из «ничего», создать нельзя. А если до-
пустить, что можно без затраты энергии ввести тело в
«тень тяготения», то вечный двигатель оказался бы воз-
можным. Действительно, вдвинув в «тень тяготения»
Земли какое-либо тяжелое тело, мы смогли бы поднять
его на любую высоту без затраты энергии. После этого
тело можно было бы вывести из «тени тяготения», и оно,
опускаясь под действием силы тяжести, совершило бы
работу. Повторяя этот цикл, можно получать даровую
энергию, что, конечно, противоречит закону, сохранения
энергии.
Таким образом, если мы допустили существование
экрана, создающего «тень тяготения», то мы должны
считать, что, для того чтобы ввести тяжелое тело в
«тень тяготения», нужно совершить работу, необходи-
мую для удаления этого тела от Земли на бесконечно
большое расстояние. Эта работа и составляет сущность
сопротивления «тени тяготения».
11 Ю. Н. Сушков
157
В какой форме проявляется сопротивление «тени тя-
готения» перемещению в нее тел? Очевидно, это должна
быть какая-то сила, стремящаяся вытолкнуть тело с
границы! «тени тяготения». Величина этой силы пропор-
циональна силе тяжести. Так, если мы захотим, чтобы
выстреленный из пушки снаряд влетел в «тень тяготе-
ния» Земли у ее поверхности, то мы должны сообщить
снаряду начальную скорость 11,2 км/сек, с которой он
смог бы улететь в межпланетное пространство. На высо-
те 1000 км над поверхностью Земли сила тяготения не-
сколько слабее. Поэтому снаряду на этой высоте доста-
точно иметь скорость 10,4 км/сек, чтобьи преодолеть со-
противление «тени тяготения».
Иногда предлагают следующую схему «антигравита-
ционного» двигателя. Тяжелый маховик располагается
над экраном, поглощающим тяготение, так, что одна его
половина притягивается к Земле, а другая оказывается
в «тени тяготения». Маховик якобы немедленно придет
во вращение и будет вырабатывать энергию. Авторы
этого проекта утверждают, что подобный двигатель
можно назвать «вечным» лишь в том смысле, в каком
мы можем назвать вечной гидроэлектростанцию, считая,
что поступающий на турбиньи лоток водь» никогда не
иссякнет. Однако они забывают о том, что если бы сол-
нечные лучи, испаряя морскую воду и поднимая ее в ви-
де облаков на большую высоту, не отдавали часть своей
энергии на осуществление круговорота водь» в природе,
то реки быстро иссякли бы.
Маховик рассмотренного «антигравитационного» дви-
гателя не будет вращаться потому, что его половина,
находящаяся вне «тени тяготения», не сможет преодо-
леть ее сопротивления и проникнуть в нее.
Активный характер «тени тяготения» должен прояв-
ляться не только в сопротивлении перемещению в нее
весомых тел. Она должна выталкивать тела, находив-
шиеся в ней, но случайно попавшие на ее границу. Та-
кие тела будут выброшены из «тени тяготения» подобно
снаряду из пушки. При этом скорость выбрасывания
будет в точности равна скорости, необходимой для про-
никновения в «тень тяготения».
В том случае, когда экран будет не полностью погло-
щать тяготение, а лишь частично задерживать его, яв-
ления па границе «тени тяготения» должны выражаться
158
4 М'
менее резко. Так, например, если экран ослабит на 0,6%
проходящую через него силу тяжести, то для преодоле-
ния сопротивления создаваемой им «полутени тяготе-
ния» снаряду достаточно' сообщить скорость 560 м]сек.
Теперь мы убедились, что «тень тяготения», если
только она существует, имеет активный характер. Это ее
свойство и поможет нам проверить, поглощается ли тя-
готение космическими телами.
Если Земля поглощает или ослабляет силу тяжести,
источником которой является Солнце, то образуемая ею
«тень тяготения» Солнца будет совпадать с тенью его
световых лучей. Это легко понять, если вспомнить, что и
свет, и тяготение распространяются прямолинейно. Та-
ким образом, если Земля ослабляет проходящую' через
нее силу тяжести Солнца, то- отбрасываемая ею тень
должна иметь активный характер. Она будет влиять на
движение Луньи.
Так как «тень тяготения» оказывает сопротивление
перемещению в нее Луны, то часть кинетической энер-
гии Луны при входе в отбрасываемую Землей тень будет
израсходована на преодоление этого сопротивления. Эта
потеря выразится в снижении скорости движения наше-
го спутника ПО' орбите в момент вхождения его в тень
Земли, т. е. в момент начала лунных затмений. В мо-
мент выхода Луны из тени Земли ее скорость восстано-
вится до прежней величины! за счет выталкивающей си-
лы «тени тяготения». Практически, за счет того что гра-
ница тени не резко выражена, а представляет собой по-
лутень, торможение и разгон Луны должны происходить
плавно, в течение тех промежутков времени, в которые
она проходит полутень. Поскольку участок орбиты, на-
ходящийся в земной тени, при наличии ослабления Зем-
лей силы тяжести Солнца, Луна будет проходить мед-
леннее, период ее обращения возрастет по сравнению с
тем случаем, когда Луна не попадает в земную тень. Это
увеличение периода тем значительнее, чем сильнее погло-
щается тяготение Землей. Измеряя изменение периода
обращения Луны, можно определить степень ослабления
силы! тяжести Землей.
Еще более заметным был бы эффект изменения пе-
риода обращения очень маленького спутника очень
большой планеты. По этим соображениям была пред-
принята попытка обнаружить поглощение тяготения
II*
159
Солнца Юпитером по движению одного из его спутни-
ков. Наблюдения показали, что в пределах точности из-
мерений, равной миллиардной доле процента, эта пла-
нета не ослабляет тяготение.
Вывод о том, что тяготение не поглощается в телах,
следует также из теории тяготения А. Эйнштейна, или,
как чаще ее называют, общей теории относительности.
Основу этой теории составляют уравнения тяготения
Эйнштейна. Чтобы понять, что они выражают, нам при-
дется вспомнить об основах геометрии.
Больше двух тысяч лет прошло с тех пор, как гео-
метрия Евклида заложила основы учения о простран-
стве. Из попыток доказать постулат евклидовой геомет-
рии о том, что через какую-либо' точку можно провести
лишь одну прямую, параллельную данной, в начале
19 века родилась так называемая неевклидова геомет-
рия. Она приписывает пространству некоторую «кри-
визну». В зависимости от характера этой «кривизны»
пространства меняются все закономерности геометрии.
Например, изменяется сумма углов треугольника. Если
она меньше двух прямых углов, то имеет место геомет-
рия Лобачевского, если больше — геометрия Римана.
В частном случае, когда «кривизна» пространства равна
нулю, справедлива привычная нам геометрия Евклида,
в которой сумма углов треугольника равна точно двум
прямым углам.
Мы уже упоминали в предыдущей главе, что в спе-
циальной теории относительности рассматривается «че-
тырехмерное» пространство, включающее в себя кроме
трех пространственных измерений еще и время. В об-
щей теории относительности А. Эйнштейн пошел даль-
ше. Он считает, что геометрические свойства «четырех-
мерного» мира связаны с распределением масс в про-
странстве и в свою очередь определяют движение этих
масс.
«Пустое» пространство, не содержащее в себе масс,
является евклидовым. Для пространства, в котором на-
ходятся массы, геометрия Евклида уже несправедлива,
в нем действуют законы геометрии Лобачевского —
Рймана.
Сущность уравнений тяготения Эйнштейна составляет
идея обобщения закона инерции путем включения в
него закона тяготения. А. Эйнштейн говорит, что мате-
160
риальная. точка, на которую не действуют никакие си-
лы, кроме гравитационных, движется в «четырехмер"
ном» пространстве по так называемой геодезической ли-
нии, т. е. по кратчайшему расстоянию между двумя точ-
ками. Если в это гл пространстве нет масс, т. е. нет гра-
витационных сил, то движение происходит по прямой
линии с постоянной скоростью. При наличии масс в про-
странстве траектория материальной точки искривляется
в соответствии с «кривизной» данной области «четырех-
мерного» мира, т. е. искривляется не только в простран-
стве, но и во времени. Практически подобное искривле-
ние траектории выражается в изменении направления и
величины скорости движущейся материальной точки.
Таким образом, отклонения геометрических свойств
от евклидовых («кривизна» пространства) проявляются
как некоторое поле тяготения, которое действует на ма-
териальные тела и вызывает изменение их движения.
Уравнения тяготения Эйнштейна связывают «кривизну»
пространства с распределением и движением находя-
щихся в нем масс.
Уравнения Эйнштейна являются более точными по
сравнению с законом тяготения Ньютона. Из них, в ча-
стности, следует, что тяготение распространяется со ско-
ростью света. Свойства поля тяготения, вытекающие из
уравнений Эйнштейна, показывают, что связанную с
ним гравитационную энергию нельзя локализовать в ка-
ком-либо экране, т. е. ничем нельзя заслониться от дей-
ствия силы тяжести.
Теория Эйнштейна, кроме того, говорит, что движу-
щиеся ускоренно тела должны излучать своеобразные
гравитационные волны. Об их природе в настоящее
время можно сказать лишь то, что они не похожи ни на
какие известные до сих пор науке волны.
Вращаясь вокруг Солнца, планета имеет центростре-
мительное ускорение, поэтому система Солнце — плане-
та является излучателем гравитационных волн.
Гравитационное излучение уносит с собой энергию,
поэтому оно связано с уменьшением массы излучающих
тел. Так, например, в системе Солнце — Юпитер умень-
Щение массы, связанное с гравитационным излучением,
составляет 1 а в 6,25 тысячи лет. Для сравнения можно
сказать, что убыль массы Солнца, связанная со свето-
вым излучением, составляет 4 миллиона тонн в секун-
161
ду. Мощность гравитационного излучения всей Солнеч-
ной системы примерно равна мощности электрического
утюга.
Научная ценность общей теории относительности
значительно увеличивается возможностью ее экспери-
ментальной проверки.
Теория тяготения Эйнштейна позволила вычислить
отклонения в движении планет, достигающие особенно
большой величины для Меркурия и необъяснимые с точ-
ки зрения ньютоновского закона тяготения. А. Эйнштейн
предсказал, что вследствие «кривизны» пространства
при наличии больших масс луч света, проходящий вбли-
зи Солнца, будет отклоняться от прямолинейного на-
правления. Несмотря на ничтожную величину этого
эффекта — луч света отклоняется на 10 м, проходя
вблизи Солнца расстояние 300 000 км,— наблюдения
подтвердили предвидение Эйнштейна.
Еще одним подтверждением теории тяготения Эйн-
штейна служит так называемое «красное смещение»
спектральных линий в световых лучах звезд. Это явле-
ние заключается в изменении длины световых волн под
действием мощного гравитационного поля звезд. Оно
было предсказано А. Эйнштейном, а затем проверено на
опыте. Таким образом, общую теорию относительности
можно считать доказанной.
Как мы видели, и непосредственные измерения, и
теория тяготения Эйнштейна говорят о том, что сила
тяжести не должна поглощаться. И все-таки известен
один опыт, в котором удалось оОнаружить изменчивость
тяготения.
Морис Алле в подвале французского Института ме-
таллургии в Сен-Жермен-ан-Ле производил опыты с
маятником, который был подвешен скобой к шару, ка-
тающемуся по гладкой поверхности. 30 июня 1954 года
во время полного солнечного затмения он наблюдал ин-
тересное явление. Колебания маятника возмущались
так, как будто Луна, загораживая Солнце, являлась
экраном для неизвестных сил, влияющих на тяготение.
Опыт М. Алле, если он будет подтвержден, говорит
о том, что и теория тяготения Эйнштейна нуждается в
дальнейшем совершенствовании.
Невесомое вещество? Невесомость — явление, встре-
чающееся в науке сегодняшнего дня. Для примера мож-
162
но указать, что все предметы, находящиеся на искусст-
венном спутнике Земли, являются невесомыми — сила
притяжения их к Земле уравновешивается центробеж-
ной силой. Но они притягиваются друг к другу.
Если принять точку зрения квантовой теории, то при-
чиной весомости тел окажутся гравитоны — кванты тя-
готения, о которых мы уже упоминали. Для того чтобы
сделать тела невесомыми, по квантовой гипотезе тяготе-
ния нужно только лишить их гравитонов.
Невесомость, обусловленная отсутствием гравитонов,
будет иметь не такой характер, как динамическая неве-
сомость, возникающая на искусственном спутнике или
на летящей с выключенным двигателем ракете. Напри-
мер, возникает вопрос, будет ли обладать инерцией ли-
шенное гравитонов тело?
Вопрос этот является следствием принципа эквива-
лентности тяготеющей и инертной масс. Мы видели,
что численно они совпадают. Но случайно ли такое сов-
падение?
Механика Ньютона не могла ответить на этот во-
прос. В уравнениях Эйнштейна, которые объединяют за-
коны инерции и тяготения, содержится общее понятие
массы, которая может проявляться и как тяготеющая, и
как инертная. В другой формулировке принцип эквива-
лентности гласит, что все явления будут протекать по-
прежнему, если действие тяготения заменить равноуско-
ренным движением в направлении, противоположном силе
тяжести, причем величина ускорения должна быть рав-
на ускорению свободно падающего тела.
Таким образом, можно предполагать, что гравитоны
обусловливают и тяготеющую, и инертную массу. В этом
случае невесомое тело не должно обладать инерцией.
Странными, на наш взгляд, особенностями будет об-
ладать невесомое безынерционное вещество, если его
удастся создать. Так, например, невесомый космический
корабль будет двигаться по желаемому направлению
лишь до тех пор, пока работает его двигатель. Как
только двигатель будет выключен, корабль остановится
и давление световых лучей заставит его удаляться по
прямой прочь от Солнца.
Разбить вазу из невесомого хрупкого стекла, швыр-
нув ее на пол, вам не удастся — ваза не долетит до-но-
ла, она остановится, как только вы разожмете руку, и
|63
под действием ударов молекул воздуха, пылинок и т. и.
начнет метаться по комнате. Ведь если инерция отсут-
ствует, то малейшая сила сообщит телу бесконечно
большое ускорение. Случайно стукнувшись о какой-ли-
бо предмет, ваза не разобьется, так как в момент удара
не возникнет сила инерции. Появится лишь ничтожно
малая сила, которой, однако, будет достаточно, чтобы
оттолкнуть невесомую вазу от преграды.
Насколько реальна проблема создания невесомого
вещества?
Советский физик Д. Д. Иваненко выдвинул гипотезу,
по которой два гравитона, сталкиваясь, могут породить
две элементарные частицы: электрон и позитрон. И на-
оборот, при взаимодействии частиц число гравитонов
может увеличиться. Однако для осуществления этих
процессов нужна колоссальная концентрация энергии.
Так, получение искусственных гравитонов будет воз-
можно лишь в том случае, если всю кинетическую энер-
гию Земли в ее вращении вокруг Солнца сосредоточить
в песчинке, весящей 0,02 г. А чтобы создать 0,6 кг неве-
сомого вещества, потребуется столько энергии, сколько
ее выделилось бы при взрыве атомной бомбы, по весу
равной Земле.
Очевидно, в земных условиях мы еще долго не смо-
жем проверить, существуют ли гравитоны, могут ли они
превращаться в частицы.
«Электрогравитационные» летательные аппараты.
Пространство, в котором действуют электромагнитные
силы, называется электромагнитным полем. Если в про-
странстве действуют силы тяжести, то оно называется
полем тяготения или гравитационным полем.
А. Эйнштейн предполагал, что гравитационное и
электромагнитное поля должны взаимодействовать.
Почти сорок последних лет своей жизни он посвятил со-
зданию единой теории поля, которая должна была объе-
динить в себе как теорию электромагнитного поля, так и
теорию тяготения. Единая теория поля должна объяс-
нить строение материи, в том числе структуру элемен-
тарных частиц.
Ни Эйнштейну, ни его последователям до сих пор не
удалось создать единую теорию поля. Не удалось также
подтвердить экспериментальным путем наличие связи
между гравитационным и электромагнитным полями.
Так, не оправдала себя идея «вытеснения» гравитаци-
онного поля электромагнитным. По заявлению авторов
этой идеи, гравитационное поле можно вытеснить из за-
нимаемой им части пространства подобно тому, как на-
ливаемая в стакан вода вытесняет из него воздух. Для
этого нужно лишь заполнить желаемую часть простран-
ства достаточно мощным электромагнитным полем.
Идея «вытеснения» гравитационного поля не нашла
ни теоретического, ни экспериментального подтвержде-
Рис. 47. Модель «электрогравитационного» летательного
аппарата
ния. Несмотря на это, мысль создать летательный аппа-
рат принципиально нового типа, уравновешивая силу
тяжести электромагнитной силой, привлекла внимание
ученых. На международной технической выставке в Па-
риже одна из голландских электронных фирм демон-
стрировала модель подобного летательного аппарата,
показанную на рис. 47. Небольшой металлический диск,
ни к чему не подвешенный, держался в воздухе на рас-
стоянии 30 см над электромагнитом, питаемым пере-
менным током.
Какая сила удерживала его в таком положении?
Переменное магнитное поле, пронизывая диск, инду-
цировало в нем вихревые токи. Создаваемое ими элек-
тромагнитное. поле всегда было направлено навстречу
1G5
полю электромагнита. Взаимное отталкивание этих Но-
лей и являлось той силой, которая уравновешивала силу
притяжения диска к Земле.
В одной из американских лабораторий был проделан
опыт, в котором с помощью электрических сил удалось
скомпенсировать силу веса плоского диска диаметром
60 см. Этот диск, потребляя 50 вт энергии, летал ото
окружности диаметром 6 м и делал оборот за 3,5 сек.
Подобные летательные
Рис. 48. Схема опыта В. К- Ар-
кадьева
аппараты иногда называют-
ся «электрогравитационны-
ми». Но с таким же успехом
можно вертолет назвать
«винтогравитационным», а
самолет — «крылогравита-
ционным» летательным ап-
паратом. Полет всех этих
аппаратов требует затраты
энергии для преодоления
силы тяжести. И в этом от-
ношении «электрогравита-
ционные» летательные аппа-
раты принципиально не от-
личаются ни от «крылогра-
витационных» . самолетов, ни
от «винтогравитационных»
вертолетов.
Однако «парение» тяжелых тел без непрерывного
подвода энергии оказалось возможным. Профессор Мо-
сковского университета В. К- Аркадьев неоднократно
проделывал следующий опыт (см. рис. 48). Он охлаж-
дал свинцовое кольцо в жидком гелии до состояния
сверхпроводимости и медленно опускал над ним мощ-
ный постоянный магнит из специального легкого сплава.
По индукции в кольцеобразном сверхпроводнике воз-
никал электрический ток, магнитное поле которого от-
талкивало верхний магнит и не давало ему упасть.
Модели «электрогравитационных» летательных аппа-
ратов успешно поднимаются в воздух. Это позволяет на-
деяться, что рано или поздно «электрогравитационный»
летательный аппарат, по-видимому, будет создан. Воз-
можно, что он позволит осуществлять не только внутри-
атмосферные, но и межпланетные полеты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
«Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно
жить в колыбели», — говорил К. Э. Циолковский еще
в 1911 году. А через 15 лет он набросал грандиозный
план завоевания Космоса. Первые этапы начертанного
великим ученым пути уже пройдены. Взлетали ракето-
планы, запущены искусственные спутники Земли, созда-
на искусственная планета, доставлен советский вымпел
на Луну. Сфотографирована обратная сторона, нашего
естественного спутника. Автоматическая межпланетная
станция выведена на траекторию полета к планете Ве-
нера. Один за другим советские корабли-спутники с
живыми существами на борту совершали полеты в Кос-
мос и возвращались на Землю.
Великими нашими победами в освоении Космоса яви-
лись триумфальные полеты советских летчиков-космо-
навтов К). А. Гагарина, Г. С. Титова, А. Г. Николаева и
П. Р. Поповича на космических кораблях «Восток».
Замечательная победа подготовлена трудом многих
ученых, и прежде всего трудом К. Э. Циолковского.
Блестящая плеяда его учеников и последователей, та-
ких, как Ф. А. Цандер, Ю. В. Кондратюк и другие, про-
должила его начинания в области ракетной техники.
И вот осуществилась мечта К. Э. Циолковского. Косми-
ческий полет совершен!
Нужен был гений и труд множества людей — от уче-
ного до рабочего, чтобы воплотить в жизнь смелые идеи
й проекты. Нужна была вся индустриальная мощь Совет-
ской страны, чтобы обеспечить величайшую победу чело-
века над природой. Социалистический строй, руководство
КПСС — вот ключ, открывший дверь во Вселенную.
167
Штурм Космоса продолжается. Теперь уже мало кто
сомневается в том, что нога человека ступит на почву
Луны. А вслед за Луной придет очередь других небесных
тел. «Человечество не останется вечно на Земле», — за-
являл К. Э. Циолковский. Он предсказал, что сначала
вокруг родной планеты, а затем и во всей Солнечной си-
стеме будут организованы поселения людей. х4 в далеком
будущем начнется расселение человечества по всему
Млечному пути.
Но не надо завидовать людям будущего, для кото-
рых привычным станет многое, о чем мы можем только
мечтать. Мы свидетели первых шагов в Космосе и гор-
димся тем, что наша страна — родина ракетоплавания,
родина первых космонавтов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев М. В. Путешествия в Космос. Издательство «Совет-
ская Россия», 1958.
2. Циолковский К. Э. Труды по ракетной технике. Оборонгиз,
1947.
3. Мелик-Пашаев Н. И. Жидкостный реактивный двигатель. Во-
ениздат, 1959.
4. Синярев Г. Б., Добровольский М. В. Жидкостные ракетные
двигатели. Оборонгиз, 1957.
5. Хэмфрис Дж. Ракетные двигатели и управляемые снаряды.
ИИЛ, 1958.
6. Победоносцев Ю. А. Искусственный спутник Земли. Изда-
тельство «Знание», 1957.
7. Эно-Пельтри Р. Космические полеты. Оборонгиз, 1950.
8. Михайлов В. А. Физические основы получения атомной энер-
гии. Воениздат, 1958.
9. Воскобойник Д. И. Ядерная энергетика. Гостехиздат, 1956.
10. Намиас М. Ядерная энергия. ИИЛ, 1955.
И. Мэррей Р. Введение в ядерную технику. ИИЛ, 1955.
12. Стефенсон Р. Введение в ядерную технику. Гостехиздат, 1956.
13. Петров П. А. Ядерные энергетические установки. Госэнерго-
издат, 1958.
14. Рицлер В. Введение в ядерную физику. ИИЛ, 1948.
15. Балабанов Е. М., Гольданский В. И. Термоядерные реакции.
Издательство «Знание», 1956.
16. Управляемый термоядерный синтез. Атомиздат, 1958.
17. Бишоп А. С. Проект Шервуд. Атомиздат, 1'960.
18. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. ИИЛ, 1959.
19. Перельман Р. Г. Ядерные двигатели. Издательство «Знание»,
1958.
20. Нестеренко Г. Н., Соболев А. И., Сушков Ю. Н. Применение
атомных двигателей в авиации. Воениздат, 1957.
21. Сушков Ю. Н. Атомная энергия в авиации. Издательство
«Знание», 1958.
22. Вислобоков А. О неразрывности митерии и движения. Гос-
под итиздат, 1956.
23. Пайерлс Р. Е. Законы природы. Физматгиз, 1958.
24. Эйнштейн и современная физика. Гостехиздат, 1956.
169
25. Кузнецов Б. Г. Беседы о теории относительности. Издатель-
ство АН СССР, 1960.
26. Зенгер Е. К механике фотонных ракет. ИИЛ, 1958.
27. Бассард Р., де-Лауэр Р. Ракета с атомным двигателем.
ИИЛ, 1960.
28. Феодосьев В. И., Синярев Г. Б. Введение в ракетную тех-
нику. Оборомгиз, 1960.
29. Баррер М. и др. Движение ракет. ИИЛ, ,1959.
30. Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели. Атом-
издат, 1961.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение ................................................ 3
Космические скорости ................................. 4
Ракета ............................................... 7
Путь в Космос........................................ 10
Глава I. Жидкостно-реактивный двигатель (ЖРД) .... 14
Страницы истории ..................................... —
Устройство современного ЖРД.......................... 16
Топлива ЖРД.......................................... 22
Преобразование энергии топлива ...................... 25
Два пути к космическим скоростям..................... 28
Двигатель управляет ракетой.......................... 32
Глава II. Космические ракеты на ядерной энергии......... 35
Энергия химическая и ядерная.......................... —
Реакции деления ядер................................. 39
Реакции синтеза ядер................................. 41
Радиоактивные изотопы как источник энергии........... 46
Устройство ядерного реактора ........................ 48
Отвод тепла от реактора.............................. 51
Типы реакторов....................................... 56
Защита от излучения реактора......................... 59
Схема устройства атомного ракетного двигателя ....... 62
Ракетный двигатель на газообразном или пылевидном
ядерном горючем..................................... 67
Плазменные ракетные двигатели........................ 70
Элементы магнитной гидродинамики..................... 78
Магнитодинамические плазменные двигатели............. 84
Термоядерные ракетные двигатели...................... 90
Ионные ракетные двигатели............................ 98
Глава III. Фотонные двигатели...........................109
Энергетика межзвездных полетов........................ —
Что такое свет.......................................111
Шкала электромагнитных волн..........................115
Давление света.......................................118
Тепловое излучение ................................. 125
Фотонный двигатель...................................131
Механика фотонных ракет..............................141
К звездам и потомкам!................................144
171
Стр.
Глава IV. Антигравитационные летательные аппараты ... 152
Загадка тяготения .........................._ . , . . —
Законы Ньютона.....................................155
Экран, защищающий от тяготения?....................157
Невесомое вещество?................................162
„Электрогравитационные" летательные аппараты.......164
Заключение ........................................167
Литература ........................................171
К ЧИТАТЕЛЯМ!
Просим прислать свои отзывы
об этой брошюре •
по адресу: Москва, Г-433,
Большая Филевская ул., д. 32,
Военное издательство.
Автор Юрий Николаевич Сушков
ДВИГАТЕЛИ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ
(Серия «Научно-популярная библиотека»)
М.» Воениздат, 1962, 172 с.
Редактор Я- М. Кадер
Художественный редактор А. М. Голикова
Технический редактор И. Ф. Кузьмин Корректор Л. П. Швейкина
Сдано в набор 7.7.62 г. Подписано к печати 27.8.62 г.
Г-81280.
Формат бумаги 84X108732 — 53/8 печ. л. = 9,12 усл. печ. л.-8,969 уч.-изд. л.
Изд. № 1/863. Тираж 27000. БЗВ 10—1961 г. Зак. 422.
1-я типография
Военного издательства Министерства обороны СССР
Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3
Цена 27 коп.
Цена 27 коп.