В космос — на воздушных крыльях

 

Самолет с ревом разбегается по бетонированной дорожке аэродрома и, оторвавшись от земли, стремительно набирает высоту — первая ступень космической ракеты взяла курс на орбиту. Так представляют порой космические старты будущего.

Еще в 1924 году советский ученый и изобретатель Ф. А. Цандер предложил связать воедино самолет и ракету, использовать крылатые аппараты для космических сообщений. Модель межпланетного корабля Цандера демонстрировалась на московской выставке по межпланетным полетам в 1927 году. После этого разработкой аэрокосмических летательных аппаратов занялись в разных странах, но далеко не все проекты оказались удачными.

Модель крылатой космической ракеты, разработанной Ф. А. Цандером.

 

Одним из наиболее известных был американский проект «Дайна-Сор». Название это составлено из двух слов, означающих в переводе «динамика» и «планирование». Полет должен был происходить под воздействием центробежной и аэродинамической сил одновременно. Аппарат совмещал в себе черты и спутника и самолета. В 1963 году спутник-самолет изготовили в полную величину, но дальнейшие его испытания и доработка были прекращены.

Это не остановило других приверженцев крылатого космического транспорта как в Соединенных Штатах, так и в Англии, Франции и ФРГ. Вот, например, как выглядит проект двухступенчатого воздушно-космического самолета. Первая ступень — это самолет-разгонщик длиной около 52 метров с воздушно-реактивными двигателями, развивающими тягу в 72 тонны. Вторая ступень, длиной 26 метров, крепится к днищу первой ступени. Ступени разделяются на высоте 35 километров, когда скорость в семь раз превысит скорость звука. После этого вторая ступень включает шесть своих ракетных двигателей, развивающих тягу в 141 тонну, и выходит на орбиту высотой 300 километров над поверхностью Земли. Первая ступень возвращается на аэродром как обычный самолет.

Есть проекты, в которых первая крылатая ступень выводит в космос крылатый спутник-самолет. Такие космические аппараты могут возвращаться с орбиты на Землю благодаря подъемной силе своих крыльев. Им прочат, помимо всего остального, весьма полезную и романтическую профессию — охотников за космическими кладами.

В наше время сокровища можно добывать не только на морском дне, с затонувших судов, или в подземных тайниках. Сокровищами буквально заполонено все околоземное пространство. Отработавшие свой ресурс искусственные спутники и автоматические станции, бесполезно летающие в космосе, представляют немалую ценность. Если бы удалось вернуть их на Землю в целости и сохранности, то установленная в них уникальная аппаратура сгодилась бы для повторного использования. По некоторым подсчетам общая стоимость неработающих космических аппаратов на околоземных орбитах достигает нескольких миллиардов долларов. Настоящее «золотое дно». Одних только спутников связи там свыше двухсот, а каждый килограмм их оборудования стоит десятки тысяч долларов.

Воздушно-космический самолет «Дайна-Сор».

 

Двухступенчатый воздушно-космический самолет, первая ступень которого — самолет-носитель с мощными воздушно-реактивными двигателями.

 

Летом 1979 года вошла в плотные слои атмосферы и разрушилась американская орбитальная станция «Скайлэб». Американские специалисты планировали спасти ее, но не сумели. А ведь стоимость станции — около двух миллиардов долларов. До сих пор вращается вокруг Земли на высоте 930 километров американская «Орбитальная астрономическая обсерватория», оцениваемая в 50 миллионов долларов. Аэрокосмические аппараты могли бы захватывать искусственные космические объекты и доставлять их на Землю.

ПО ОРБИТЕ — ОГОНЬ!

 

Грохот артиллерийской канонады разбудил побережье. Крупнокалиберное орудие береговой обороны США «Бетси», безмолвствовавшее вот уже десятки лет, внезапно открыло огонь. Но под прицелом исполина был не вражеский флот — на этот раз обстрелу подвергли... космос. В 36-метровом стволе орудия стартовали исследовательские ракеты.

Кто сейчас поверит, что можно, подобно героям Жюля Верна, достигнуть Луны в пушечном снаряде? Поэтому намерение канадского ученого Д. Гоулла использовать пушки для запуска космических ракет произвело не меньший шум, чем залпы «Бетси». Первенцами артиллерийского старта стали метеорологические зонды. Воодушевленные удачей, исследователи разработали на будущее стратегический план артиллерийской осады космических высот. Сначала должен быть запущен на высоту 96 километров зонд-снаряд «Марлет-1» весом 213 килограммов. Следом за ним «Марлет-2» достигнет уже высоты 145 километров. А потом наступит очередь двухступенчатой ракеты «Марлет-3». Когда она вылетит из жерла пушки, заработает ее собственный ракетный двигатель. Мишенью для нее выбрана орбита высотой от 480 до 720 километров.

Пороховой заряд пушки — это часть топливных запасов самой ракеты, перекочевавшая из ее баков в канал орудийного ствола. Еще один (и какой уже по счету!) вариант решения все той же проблемы: ракета и топливо - раздельно. В результате вес и размеры ракет уменьшаются, а стоимость запуска снижается почти в сто раз. С такими преимуществами нельзя не считаться. Но для дальнейшего увеличения веса снарядов-спутников нужны более мощный заряд и более длинный ствол орудия. Последователям героев Жюля Верна пришлось задуматься над тем, как обойтись без вымышленной писателем гигантской чудо-пушки.

В этой главе говорилось уже о наземном, заоблачном и водном запусках. Остался неиспробованным лишь подземный. Вот его-то и выбрали сторонники ракетно-артиллерийского старта. Орудийные стволы было решено заменить вертикальными цилиндрическими колодцами. Глубина такой шахты-пушки, по предварительным расчетам, должна достигать шести километров. Ракета, установленная на специальной платформе почти на самом дне шахты, плотно закупоривает ее ствол. В момент старта под платформой взрывается пороховой заряд. Давлением газов ракету, словно пробку, выталкивает из шахты. В колодце диаметром 3,6 метра давление пороховых газов способно создать тягу в десятки тонн. Теперь ракета вполне обойдется без стартовых ускорителей, и вес ее уменьшится на 30 процентов. Такая облегченная ракета разгонится в подземном орудийном стволе даже до более высокой скорости, чем при обычном запуске.

Ракета закладывается в ствол орудия

 

Орудие, из которого выстреливались высотные исследовательские ракеты.

Никто не может предугадать, когда грянет первый выстрел из шахты и состоится ли он вообще. Нельзя забывать о тех огромных перегрузках, которые возникнут при стремительном разбеге космического аппарата в артиллерийском стволе. Сложное электронное оборудование не выдержит такой встряски. А разработка новой, более стойкой аппаратуры, пригодной для пушечного старта, потребует столь высоких затрат, что вряд ли будет целесообразно стрелять спутниками.

 

Не только высоким давлением можно запускать ракеты, но и... пустотой. В этом легко убедиться, если закрыть пробкой бутылку и поставить ее под стеклянный колпак, из-под которого откачивается воздух. Не пройдет и минуты, как пробка вылетит из горлышка, словно в бутылке создалось избыточное давление. Да так оно и есть: под пробкой запечатано атмосферное давление, а снаружи — разреженный воздух. Обычное атмосферное давление становится движущей силой, если сочетать его с вакуумом. Впрочем, и без того оно работает как тяга при запусках ракет, только не все об этом задумываются.

Устройство шахты для вакуумно-воздушного запуска ракет: 1 — ракета в первоначальном положении; 2 — баллоны, в которые накачивается воздух; 3 — вакуумная станция; 4 — ствол шахты; 5 — мембрана, закрывающая верхнее отверстие шахты; 6 — часть ствола шахты, в которой создается пониженное давление; 7 — компрессорная станция; 8 — часть ствола шахты, в которой создается повышенное давление.

Мы обитаем на самом дне гигантского воздушного океана, покрывающего нашу планету. На нас и на все окружающее действует та же выталкивающая сила, что заставляет всплывать в воде легкие предметы. Разве не всплывают в атмосфере заполненные гелием шары, которые легче воздуха? И чем больше объем предмета, тем значительней эта выталкивающая сила. Подсчитано, например, что на американскую ракету-носитель «Сатурн» действует у поверхности Земли подъемная сила в семь тонн. Еще не включены ее ракетные двигатели, а тяга уже есть. Правда, величина ее ничтожна — лишь 0,2 процента от ракетной тяги. Но с помощью вакуума эту атмосферную силу можно увеличить.

Представьте себе, что нижнее отверстие длинной трубы, напоминающей орудийный ствол, закупорено ракетой, а верхнее — закрыто пластиковой мембраной. Если из трубы откачать воздух, ракета будет загоняться в нее наружным атмосферным давлением. Разбежавшись в стволе, она прорвет мембрану на другом конце и вылетит из трубы, как снаряд. При диаметре ствола 4,8 метра атмосферная тяга разгонит тридцатитонную ракету до скорости 180 метров в секунду. Часть ее топливных запасов заменена... ничем, пустотой! И на этом неравноценном, казалось бы, обмене экономится пять тонн веса ракеты.

Пока что вакуумный запуск опробован лишь в миниатюре, на небольших моделях. Но предлагают использовать его при запуске космических ракет из шахт. Ствол шахты послужит вакуумной трубой. Нужно только обеспечить с помощью специальных каналов атмосферное давление под ракетой. К сожалению, продолжительность действия атмосферной силы невелика. Ограничивает ее глубина шахты. В то время как двигателями первых ступеней ракета разгоняется свыше полутора минут, из шахты она выскочит за несколько секунд. При таком коротком разбеге не достичь высокой скорости.

ПО КАНАТУ НА САМОЕ НЕБО

 

— Вот построить бы такую высоченную башню, чтобы своей макушкой она упиралась в самую орбиту, — размышляют ученые. И не стесняются высказывать эту странную выдумку вслух, да еще публикуют ее в солидных научных изданиях. Только выдумка их не голословна, а подкреплена математическими расчетами. И получается, что не так уж она фантастична.

В самом деле, вообразим башню, основание которой установлено на экваторе, а вершина уходит далеко ввысь — на 36 000 километров от поверхности Земли. Оставим в стороне вопрос о том, как воздвигнуть такое грандиозное сооружение. Смею уверить вас, что трудности здесь не принципиального, а технического порядка. Верхняя точка башни за счет вращения Земли вокруг своей оси будет описывать круговую орбиту, двигаясь со скоростью искусственного спутника. Теперь остается только поднять спутник с помощью лифта на вершину башни и столкнуть его оттуда. Вот и вся процедура запуска! Никаких забот с мощнейшими ракетными ступенями, никаких проблем веса.

Больше того, «космический лифт» куда экономичнее ракет-носителей! Пока спутник подтягивается на канате к орбите, его подталкивает вверх центробежная сила, вызванная вращением нашей планеты. Это, пожалуй, единственный случай, когда даровая энергия вращения Земли работает на космический запуск. Сила притяжения все же превышает центробежную силу, поэтому без затрат энергии никак не обойтись. Зато подъем можно совершать с помощью двигателей любого типа и гораздо меньшей мощности, чем стартовые двигатели ракет-носителей. К тому же энергию дорогостоящего ракетного топлива вполне заменит дешевая и доступная электрическая энергия. На быстро вращающихся небесных телах — некоторых естественных спутниках планет или астероидах — такой запуск наиболее выгоден.

«Космический лифт».

Кстати, башня не только делает ненужным ракетный запуск, но и позволяет обойтись без обычной посадки космических аппаратов на поверхность Земли. Не надо им вторгаться в атмосферу с высокой космической скоростью — достаточно лишь причалить к башне. А там — спускай и поднимай на лифте грузы и космонавтов, меняй экипаж и оборудование.

Тем, кого не устраивает гигантская башня, предлагают иной вариант космического запуска. На орбиту высотой 36 000 километров, лежащую в плоскости экватора, выводится тяжелый спутник. Он будет неподвижно висеть над одной и той же точкой земной поверхности. Если спустить с него трос до самой земли, то можно затаскивать на орбиту другие спутники.

Идею эту выдвинул и разработал советский инженер Ю. Н. Арцутанов. А шестью годами позже, в 1966 году, с подобным проектом выступили на страницах журнала Национальной академии наук США четверо американских ученых, среди которых один из создателей глубинной подводной лодки «Эльвин» — Аллан Вайн.

Разумеется, запуск спутника по канату не свободен от технических трудностей. Например, небывало высокой прочностью должен обладать трос, чтобы выдержать хотя бы свой вес. Такие материалы только еще рождаются в лабораториях, но можно надеяться, что со временем эту проблему решат. Тогда миллиметровый трос, весом в несколько десятков тонн, позволил бы транспортировать на орбиту продовольствие и оборудование для космических кораблей. А в случае нарушения радиосвязи трос служил бы телефонным кабелем. Высказываются, правда, сомнения: будет ли подъемный канат, подвешенный к спутнику, достаточно стабильным. Как-никак, в атмосфере господствуют ветры. Но сам характер возражений уже говорит о том, насколько серьезно воспринята специалистами эта идея.

Итак, спутник предлагают сделать средством выведения на орбиту. Но если в рассмотренном варианте запуска планируют использовать его только для того, чтобы подвесить подъемный канат, то в другом проекте спутник дает и энергию для подъема. Вот как это задумано.

На околоземную круговую орбиту выводится спутник и закручивается, как колесо, вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты. Затем из корпуса его выдвигаются в двух противоположных направлениях свернутые гибкие ленты. Под действием центробежной силы, вызванной вращением спутника, ленты разматываются во всю свою длину. А длина их немалая: как раз чтобы дотянуться с орбиты до поверхности Земли. Прикрепленные к концам лент балластные грузы растягивают и распрямляют их.

Удивительная получается картина: длинный-предлинный канат вращается в плоскости орбиты, а центр его движется по этой орбите со скоростью спутника. То один, то другой конец каната подходит к Земле. А так как наша планета тоже вращается вокруг своей оси, то в точке встречи каната с ее поверхностью их скорость по отношению друг к другу равна нулю. Совсем как в точке зацепления двух шестеренок, крутящихся с одинаковыми скоростями.

Запуск на орбиту с помощью вращающегося спутника и двух канатов: 1 — груз крепится к концу одного каната, который подошел к поверхности Земли; 2 — за счет вращения спутника в плоскости орбиты груз поднимается вверх; 3 — груз крепится к концу другого каната; 4 — положение, в котором первый груз отсоединяется от каната и начинает самостоятельное движение по орбите.

 

Если наблюдать эту картину с орбиты, то кажется, что спутник работает как громадное «чертово колесо». Что делает «чертово колесо»? Поднимает пассажиров на высоту. То же самое должен совершать и наш спутник. Вот подходит один конец каната к поверхности Земли. В этот момент не зевай — цепляй к нему тот груз, который должен оказаться в космосе. Багаж будет унесен канатом ввысь. А через 20 минут спутник совершит полуоборот и подставит другой, противоположный конец каната. Теперь к нему нужно прикрепить ношу, чтобы не поднялся он вверх порожним. Так вращающееся «колесо» сможет выбрасывать на околоземные орбиты грузы с поверхности Земли. Этот метод запуска тоже предложен Ю. Н. Арцутановым, автором идеи «космического лифта».

 

дин за другим смолкают двигатели ракетных ступеней. Поочередно отделяясь, ступени уносятся вниз. Космический корабль, увенчивающий ракетную пирамиду, рвется ввысь к намеченной цели. Разогнавшись до нужной скорости, он выходит на уготованную ему орбиту. Кажется, теперь можно вздохнуть с облегчением: свершилось задуманное и не о чем больше заботиться и беспокоиться. Отныне космическому аппарату предстоит спокойно кружить по замкнутому кольцу вокруг нашей планеты. Однако впечатление это обманчиво. Именно сейчас, с первого же мгновения самостоятельного полета, начинается активная жизнь посланца Земли. Чтобы успешно работать на орбите, ему необходима реактивная тяга, необходимы свои собственные двигатели. Им есть над чем потрудиться.

После отделения от последней ступени ракеты-носителя космический аппарат беспорядочно кувыркается и переворачивается. Надо привести его в надлежащее положение и «успокоить». Без реактивных двигателей с ним не управиться.

Спутник, не имеющий на борту двигателя, недолговечен. Непрерывно тормозясь разреженными воздушными слоями, он теряет высоту, снижается и, в конце концов, сходит с орбиты. Чтобы продлить его существование, приходится время от времени увеличивать высоту полета. Космонавты, работавшие на советской орбитальной станции «Салют-6», не один раз поднимали ее с помощью двигательных установок станции и грузовых кораблей «Прогресс». Иначе не смогла бы она так долго находиться в космическом пространстве. Американские специалисты, не имея возможности перевести свою станцию «Скайлэб» на бóльшую высоту, вынуждены были примириться с ее неминуемой гибелью.

Подправить орбиту бывает необходимо и в том случае, когда космический аппарат должен пройти в назначенный срок над заданным районом земной поверхности, при сближении с другим аппаратом и стыковке. Если же путь его лежит к другим планетам, неизбежны коррекции траектории полета. При огромных межпланетных расстояниях ошибка в начальной скорости всего на один метр в секунду приводит к промаху на сотни тысяч километров.

И даже на околоземной орбите не может аппарат оставаться лишь бездеятельным наблюдателем. Все время ему надо следить за своим положением в пространстве. Панели его солнечных батарей непременно должны быть повернуты плоскостями к Солнцу, приемопередающие антенны — направлены на Землю, а приборы, проводящие астрономические наблюдения, требуют строгой ориентации всего корпуса.

Много задач, и самых различных, приходится решать двигателям космического аппарата. Поэтому одним типом двигателя никак не обойтись. Например, разгон или торможение аппарата в полете производят мощными реактивными толчками. А точная ориентация нуждается в тонком управлении. В современных астрофизических исследованиях порой необходимо направить орбитальный телескоп или какой-нибудь другой прибор на выбранную точку небесной сферы с очень малой погрешностью — не выше десятых долей угловой секунды. В этих случаях двигатель уподобляется микрометрическому винту микроскопа. Не подходит для такой ювелирной работы обычный ракетный двигатель. Нужны специальные микродвигатели — «микрушки», как их ласково называют специалисты. Впервые их применили на советской автоматической станции «Луна-3», сфотографировавшей в октябре 1959 года обратную сторону естественного спутника нашей планеты. В течение всего времени фотографирования — около 40 минут — «микрушки» непрерывно поддерживали наводку станции на поверхность Луны. Впоследствии их стали широко использовать для ориентации самых различных космических аппаратов, вплоть до нынешних «Союзов», «Прогрессов», «Салюта». На космическом корабле «Союз» установлены сразу три типа двигателей — большой, средней и малой тяги.

Можно сказать, что с двигателями космическим аппаратам повезло. Двигателей создано множество, самых различных типов и мощностей. Наиболее известны жидкостные ракетные двигатели, сила тяги которых может в десятки раз превышать вес аппарата. Рядом с ними детскими игрушками кажутся маломощные двигатели, вроде ионного, тяга которого слабее в сотни тысяч раз. И все эти двигатели работают, всем нашлось место на космическом корабле.

Но полного удовлетворения у конструкторов нет. Не радует их непомерно разрастающийся список космических «движков». Ведь все они требуют запасов вещества, служащего строительным материалом для реактивной струи, и энергии, чтобы с высокой скоростью выбрасывать это вещество из сопла. Неважно, что иногда энергия и вещество совмещаются, как, например, в химическом горючем или в баллоне со сжатым газом. Все равно без них не обойтись. Таким образом, проблема веса топлива волнует не только ракетостроителей, но и создателей космических аппаратов. Пытаясь решить ее, конструкторы обращаются порой к самым необычным проектам космических двигателей.

ВНИМАНИЕ, ЭНЕРГИЯ ЗА БОРТОМ!

 

Неисчерпаема энергия нашего Солнца. В конечном счете именно она вращает турбины электростанций, питает мощные промышленные предприятия, перемещает на огромные расстояния железнодорожные составы, совершает много других полезных дел. В том числе — разгоняет космические корабли. Но прежде чем принять облик высококалорийного ракетного горючего, солнечные лучи проходят длинный ряд перевоплощений. А не обратиться ли сразу к первоисточнику? К чему лишние промежуточные звенья? На околоземной орбите каждый квадратный метр освещаемой поверхности получает до полутора киловатт солнечной энергии. Вот и надо черпать эту светоносную силу, а всякие генераторы и аккумуляторы убрать из космического аппарата. Удобно, не обременительно и не нужно бояться того, что энергия истощится. Только как же переработать электромагнитное излучение Солнца в движение реактивной струи?

Это может сделать, например, солнечная полупроводниковая батарея в сочетании с ионным двигателем. Батарея поддерживает высокое напряжение на электродах, которые ускоряют поток заряженных частиц.

Так ускоряются электроны в трубке телевизора. Если перенести телевизор в космическое пространство и удалить стенку трубки с люминесцирующим экраном, то свободно вытекающий электронный луч уподобится реактивной струе и создаст тягу, правда, совсем незначительную. Чтобы питать такой двигатель электрической энергией, нужна обширная площадь улавливателя солнечной радиации. Каждый киловатт, рожденный на борту спутника, требует не меньше десяти квадратных метров панелей солнечных батарей. В пересчете на вес это оборачивается многими десятками килограммов. Даровая энергия Солнца достается вовсе не даром. Нужно еще прикинуть, не лучше ли поставить на космический аппарат компактный химический источник тока?

Достоинства солнечных батарей очевидны там, где можно обойтись малой мощностью. Взять хотя бы орбитальные космические аппараты. Двигатели им нужны лишь для ориентации, стабилизации и для коррекции орбиты. Они могли бы целиком состоять на солнечном довольствии. Начало уже положено советским искусственным спутником «Метеор», запущенным в декабре 1971 года. На нем был установлен ионно-плазменный двигатель, питавшийся энергией Солнца. Конструкторы впервые рискнули оставить в космическом аппарате только запасы вещества, из которого формируется реактивная струя. Энергию брали за бортом.

У очень сильного человека соперников всегда меньше, чем у людей с обычными физическими данными, которых большинство. Так же обстоит дело и с космическими двигателями. Проектов маломощных устройств, создающих реактивную тягу, развелось такое множество, что нелегко их даже перечислить. И продолжают поступать новые предложения.

Раз тяга двигателя невелика, ему нужно очень долго работать, чтобы произвести ощутимое действие. Вероятность же безотказной его работы тем меньше, чем сложнее он устроен. С этой точки зрения комбинация ионного источника, системы ускоряющих электродов, солнечных батарей и обслуживающей их электрической схемы — не лучший вариант. Надо бы что-нибудь попроще. Скажем, включил электрическую лампочку — и двигатель заработал. Есть один такой проект.

Камера двигателя заполняется газообразным соединением, разлагающимся на свету. Стоит только зажечь в камере источник света с определенным спектральным составом — например, ртутно-аргоновую лампу, — как молекулы газа распадаются на две части. Вдвое увеличивается число частиц в камере двигателя, давление в ней повышается, и продукты разложения вытекают из сопла, создавая тягу.

Электрическую лампочку вполне заменит солнечный свет, проникающий в камеру через прозрачное окно. Тогда конструкция двигателя становится неправдоподобно простой: не нужен источник электрического тока — лишь рабочая камера с иллюминаторами да запас разлагающегося вещества. Жаль только, что мощность исчисляется не лошадиными, а муравьиными силами. При диаметре сферической камеры в 30 сантиметров заполняющий ее азид аммония, разлагаясь на свету, создаст тягу в пять тысячных долей грамма. С такой тягой нечего думать о старте с поверхности даже небольшой планеты или ее спутника. Но вдали от планет, где их притяжение ничтожно, она станет движущей силой. И для тонкой коррекции или ориентации космического аппарата эта малая, зато постоянная по величине мощность весьма подходит.

Сверху вниз: 1 — ионный реактивный двигатель, использующий преобразованную энергию солнечного излучения; 2 — фотохимический реактивный двигатель с собственным источником света; 3 — реактивный двигатель, работающий на веществе, легко испаряющемся из твердого состояния; 4 — реактивный двигатель, работающий на энергии луча лазера, направляемого с Земли.

 

Случалось вам оставить открытой склянку с кристалликами йода? Тогда вам известно удивительное свойство этого вещества. Через несколько часов пузырек оказывается пустым. Кристаллики исчезают, улетучиваются. К веществам, способным переходить в пар, минуя жидкое состояние, относятся также нафталин, камфора, параформальдегид, дифенил и даже обыкновенный лед. Все они могут стать строительным материалом для струи. При нагреве солнечными лучами такое вещество, помещенное в камеру двигателя, начнет испаряться, и пары его, вытекая из сопла, создадут движущую тягу. Тяга эта очень мала, как и у фотохимических двигателей, описанных выше. Но простота и удобство в обращении привлекают внимание к этим «движкам». Подсчитали, что одного литра легколетучего вещества достаточно, чтобы в течение года поддерживать вращение спутника вокруг оси со скоростью, например, десять оборотов в минуту.

Только специальное, легколетучее вещество можно подогреть на солнечном свету так, чтобы оно превратилось в достаточно густое облако и заполнило камеру двигателя. С обычным веществом солнечному излучению не справиться. Это под силу лишь лучам, посылаемым... с Земли.

Вот тянется тонкий, но сильный световой луч к самой орбите и упирается в борт корабля. Яркость его так велика, что, проникнув сквозь прозрачное окно в камеру двигателя, он разогревает лежащее здесь вещество до нескольких тысяч градусов. Раскаленной струей плазмы истекает оно из сопла. Вы, конечно, догадались, какие лучи способны на такие чудеса? Да, это луч лазера, в котором плотность энергии необычайно велика. Лазеры могут поспорить с Солнцем, лишь бы их мощность была подходящей. А поскольку они остаются на Земле, то их можно как угодно усложнять и утяжелять, добиваясь высокой отдачи энергии. Многократное использование лазерной установки со временем окупит немалые затраты на ее изготовление.

Лазерный пучок мощностью в 1800 мегаватт сообщит стокилограммовому космическому аппарату ускорение, в 300 раз превышающее ускорение свободного падения на Землю. Пока вопрос в том, найдутся ли столь сильные источники световых лучей. На сегодняшний день мощность лазеров исчисляется киловаттами. Этого слишком мало, чтобы создать тягу в космическом пространстве. Единственное, на что способны нынешние лазеры, — это освещать с Земли солнечные батареи спутников, движущихся по низким орбитам, дополняя солнечные лучи. Энерговооруженность аппаратов с такой двойной подсветкой заметно повысится. Не соперниками, а помощниками Солнца станут на первых порах лазеры.

В ПОИСКАХ «ТОЧКИ ОПОРЫ»

 

Недаром про беспомощное состояние говорят: «Словно подвесили в пустоте». В таком «подвешенном» состоянии оказывается любой космический аппарат, когда он покидает земные пределы. Уходит «из-под ног» не только почва, но и воздушная атмосфера, которая так хорошо поддерживает самолеты и позволяет им перемещаться. Единственная опора в космической пустоте — это запасы того вещества, которое отбрасывают в виде реактивной струи, создавая движущую тягу. Но в погоне за малым весом конструкторы посягают даже на эти запасы, грозя лишить аппарат последней опоры. Не слишком ли увлекаются они всемерным облегчением своих творений?

Нет, речь идет вовсе не об изъятии реактивного вещества, а о равноценной замене. Равноценной по силе тяги, но не по весу. Выигрыш в весе — непременное условие всех конструкторских ухищрений. Например, одна зарубежная фирма разрабатывает космический двигатель, в котором реактивная струя создается из биологических отходов космонавтов.

Дело в том, что утилизация отходов на космическом корабле выросла в одну из самых значительных технических проблем. Полная регенерация в системе жизнедеятельности пока не достигнута, а желательно использовать все отходы полностью. Новый двигатель должен помочь справиться с этой проблемой. Все, что остается в обитаемом космическом аппарате после регенерации воды и кислорода, все пищевые отходы, фекалии, бумагу — все можно будет выгодно утилизировать. Поэтому не нужно спешить с удалением таких веществ из корабля, как делают до сих пор. Если уж их выбрасывать, то в виде реактивной струи, чтобы получить тягу. Но сначала смесь, состоящую из этих компонентов, надо нагреть в специальной камере до высокой температуры. Нагрев можно совершать с помощью электрической дуги, повышающей температуру до 10 000 градусов. Раскаленные газообразные продукты будут истекать из сопла с большой скоростью. Один из первых пробных двигателей на биологических отходах при наземных испытаниях уже развивал тягу в 68 килограммов.

Напрашивается вывод: «мусоропровод» космического корабля должен заканчиваться камерой сгорания ракетного двигателя. Систему жизнеобеспечения следует совместить с двигательной установкой. Может быть, это и поубавит запасы реактивного вещества, но совсем они не исчезнут. Кто же станет планировать космические полеты, полагаясь только на отходы жизнедеятельности космонавтов? Чересчур уж скудно. Большинство двигателистов стремятся к совсем иным масштабам — к запасам вещества без конца и без края. И такие залежи были найдены в верхних слоях атмосферы.

Под воздействием солнечного и космического излучений молекулы газа здесь ионизируются, приобретают электрический заряд. Атмосферные слои из заряженных частиц — это готовое рабочее вещество для ионно-плазменного двигателя. По принципу действия он не будет отличаться от прямоточного воздушно-реактивного двигателя, используемого в авиации. Ионизированный газ можно ускорять комбинацией электрических и магнитных полей. Во время полета аппарата в верхних слоях атмосферы ионизированный воздух, попавший в переднее, входное отверстие двигателя, пройдя между электродами и полюсами магнитов, с высокой скоростью будет вытекать из сопла. Никаких забот со специальными ионными источниками. Было бы на борту корабля достаточно энергии, а дарового реактивного вещества — целый океан. Жаль только, что полет ограничен пределами ионосферы, то есть низкими околоземными орбитами. До больших высот ионосфера не дотягивается, здесь о Земле напоминает только ее магнитное поле.

Реактивный двигатель, использующий различные отходы для создания реактивной струи.

Прямоточный реактивный двигатель, рабочим веществом для которого служат заряженные атомы и молекулы газов в верхних слоях атмосферы.

При этих словах всплывает в памяти школьный курс физики: контур с током, помещенный в магнитное поле. Какое удивительное упрямство проявляет он, ориентируясь строго перпендикулярно к магнитным силовым линиям. В космической технике такие качества считают похвальными. Именно этого добиваются от систем ориентации и стабилизации спутников. Ничто не должно сбивать их с выбранной позиции. Пусть поучатся у контура с током! Так появились на орбите двойники электрического контура из школьных учебников, правда, куда более сложные и хитроумные, но не менее упрямые. Они заменили в некоторых космических аппаратах двигатели ориентации и стабилизации. Никаких запасов вещества контурам не нужно, достаточно одного источника электрической энергии. Опору себе они нашли в магнитном поле Земли.

Но магнитное поле Земли неоднородно — сила его убывает с высотой. А в неоднородном магнитном поле электрический контур не только поворачивается, ориентируется, но еще и перемещается в какую-нибудь сторону. Магнитное поле либо втягивает, либо выталкивает его. Весьма ценное свойство! Ведь это же магнитный космический двигатель, обходящийся без реактивной струи. Где же они — самоходные электрические контуры, плывущие по магнитным волнам околоземного пространства? Почему их не видно? Скрываются где-то на страницах толстых научных журналов. Познакомимся с одним из них и, может быть, поймем, что охлаждает пыл изобретателей.

Помещенный в магнитное поле Земли электрический контур с током испытывает на себе действие сил, стремящихся его повернуть, как если бы он находился между полюсами магнита.

 

Представьте себе прямой провод до 50 километров длиной, запущенный на орбиту в верхние слои атмосферы. В центре провода находится компактный источник электрической энергии, а на концах — специальные электроды. Ионизируя воздух, они превращают его в проводник электрического тока. Благодаря этому оба конца провода замыкаются через окружающие ионизированные слои атмосферы. Получается своеобразный контур с током, движущийся по орбите. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, он получает ускорение и может перемещаться в пространстве. Такой геомагнитный двигатель применим до высоты 10 000 километров. При силе тока около десяти ампер его мощность равна 25-50 ватт.

Геомагнитный двигатель, обладающий свойствами электрического контура с током.

Не настораживает вас несоответствие цифр? При столь исполинских размерах контура и не такой уж малой силе тока двигатель сравним по мощности со слабой электрической лампочкой. Слишком хилую опору представляет собой магнитное поле Земли. Величина его незначительна и годится только для того, чтобы вращать стрелку компаса. Вот если бы оно было таким же сильным, как гравитационное поле Земли...

Так почему бы не использовать для перемещения космических аппаратов именно гравитационное поле?

На первый взгляд вопрос звучит даже издевательски. И ответ на него можно дать в том же духе: как же, используют — для движения вниз, при сходе с орбиты и посадке. На «крыльях» притяжения не взлетишь. Само понятие полета прочно связано в нашем сознании с освобождением от оков Земли.