Алим Войцеховский - ЗНАК ВОПРОСА 1997 № 04

Большинство газовых молекул в земной атмосфере обычно находятся в хаотичном движении, обладая при этом определенным запасом энергии. Но вот подул ветер. При переходе молекул из хаотичного в упорядоченное движение происходит уменьшение температуры газа, а значит, и его энергии. Зато скорость их движения увеличивается, то есть, говоря иначе, часть тепловой энергии превращается в механическую работу.

Если мы поместим мысленно газ в сосуд кубической формы, то при беспорядочном движении молекул их удары о каждую из шести стенок сосуда будут распределяться примерно поровну, по одной шестой. Следовательно, можно полагать, что при упорядочении движения молекул 5/6 тепловой энергии может превратиться в механическую работу. Отметим для себя этот вывод и пойдем дальше.

При закручивании газового потока в спираль (при образовании вихря) основная масса молекул под действием центробежных сил отбрасывается на периферии спирали. Внутри же потока образуется разряжение. Под действием центробежных и центростремительных сил вакуума в центре молекулы газа из беспорядочного, турбулентного движения переходят в упорядоченное, ламинарное.

В периферийных слоях вихря создается избыточное давление и повышается температура, а в центральной осевой зоне вихря создается разряжение, и температура соответственно понижается. Причем, как показывает опыт, снижение температуры может быть весьма значительным — на 70 °C!

При этом, как мы помним, 5/6 тепловой энергии газов идет на разгон молекул, движущихся по спиралям. При охлаждении газов на несколько десятков градусов происходит уменьшение их энергии в среднем на 500 кал/моль. Следовательно, каждый моль газа при переходе из турбулентного в ламинарное движение уменьшает энергию в среднем на 500 калорий!

Вся эта арифметика понадобилась нам, чтобы лишний раз, с цифрами в руках доказать самим себе: вокруг нас находится буквально океан экологически чистой энергии, которую мы используем преступно мало.

Однако чтобы воспользоваться этой дармовой энергией, было бы неплохо понять, как она зарождается, как можно «укротить» чересчур уж буйные вихри. На мой взгляд, для зарождения вихрей нужны генераторы завихрений и зоны с повышенным энергетическим состоянием газов.

Генераторами вихрей являются многочисленные препятствия на земной поверхности, меняющие направления потоков. Впрочем, далеко не каждый вихрь, зародившись, развивается. Если зарождаются сразу несколько вихрей с пересекающимися осями, то вихревые потоки, в принципе, могут и помешать один другому — тогда вихри взаимоуничтожаются. Хорошо бы разобраться во всей этой механике, тогда мы смогли бы управлять зарождением вихрей, «утихомиривать» их по собственному желанию.

А начинать изучение, как мне кажется, стоит с тех вихрей, которые создаются… крыльями насекомых! Взгляните хотя бы на муху: ее крылья с многочисленными желобками, вмятинами, микроскопическими волосками и т. п., с точки зрения классической аэродинамики, являются форменным безобразием. Однако летают природные «вихрелеты» намного лучше создаваемых нами самолетов и вертолетов.

Разобравшись же с законами вихревого полета, мы сможем не только радикально улучшить наши летательные аппараты, но и в значительной степени усовершенствовать наши ветряные двигатели. Ну, а там дело дойдет и до управления ветрами, смерчами и т. д. по собственному усмотрению. Вот куда надо направить материальные ресурсы и духовную энергию изобретателей, а не продолжать совершенствование нынешних ядер-ных котлов и термоядерных реакторов. Вот уж какое десятилетие их все совершенствуют, а толку чуть. Все больше — один вред!..

Некогда на Земле люди придумали, как использовать энергию ветра для движения кораблей — много веков назад появились первые парусники. Потом та же идея перекочевала и в космос: яхты с «солнечными» парусами лет 25 тому назад придумал известный американский фантаст Артур Кларк.

Ныне все чаще в морях и океанах нашей планеты можно встретить суда с так называемыми твердыми парусами. Подобные ветродвигатели позволяют двигаться даже против ветра. «Нечто подобное можно предложить и для движения в космическом пространстве» — полагает изобретатель с Украины Валентин Владимирович Подвысоцкий.

«Предлагаю использовать кинетическую энергию встречного потока межзвездного газа для увеличения скорости космического аппарата при помощи особого ракетного двигателя, — пишет он. — Принцип его действия основан на захвате и торможении рассеянного в межпланетном пространстве водорода, относительно которого движется межпланетный аппарат».

Набегающий поток ионизированного при помощи электромагнитного поля газа протекает через канал МГД-генера-тора и в результате его торможения вырабатывается энергия, которая приводит в действие реактивный двигатель. Сила его тяги превышает сопротивление захваченного массозаборника газа и космический аппарат увеличивает таким образом скорость своего полета.

Эффективность любого ракетного двигателя определяется удельным импульсом, величина которого зависит от скорости истечения струи, а также от массы выбрасываемых газов. Данный агрегат не исключение. А значит, чтобы получить достаточный КПД, необходимо прогонять через двигатель как можно больше межзвездного газа. Плотность же его весьма невелика (в среднем 10 -17кг/куб. м). Следовательно, устройство для сбора газа должно иметь колоссальные размеры. Созданное из любых, даже самых легких материалов, оно станет для космического корабля тем же балластом, каким ныне являются запасы химического топлива. Поэтому экраны такого массозаборника лучше всего строить из… электромагнитных полей.

Авторы книги «Ракеты будущего» В. Бурдаков и Ю. Данилов полагают, например, что создание магнитной воронки диаметром около 1000 км реально уже к 2000 году. При скорости 100 км/с такая воронка обеспечит поступление ежесекундно 1 кг ионизированного газа. Расчеты показывают, что мощность потока, проистекающего через МГД-генератор составит при этом 5 млн кВт.

«Ракетный двигатель в таких условиях сообщит космическому аппарату массой 1000 т ускорение не менее 0,31 м/с 2, — считает В. В. Подвысоцкий. — В оптимальном режиме величина удельного импульса 34 200 м/с в несколько раз превышает аналогичный показатель наиболее эффективных на сегодня химических ракетных топлив. Расход бортовых запасов реактивной массы составит 0,925 кг/с, а сила тяги на 31,6 тс превысит сопротивление захваченного магнитной воронкой газа. Изменение режима работы двигательной установки в сторону увеличения тягового усилия приведет при условии торможения встречными потоками ионизированного газа до скорости истечения струи из двигателя лишь к незначительному снижению удельного импульса. При увеличении расхода бортовых запасов реактивной массы вдвое, до 1 850 кг/с удельный импульс уменьшается всего на 5 % и составит 32 500 м/с. Результирующее тяговое усилие возрастет при этом на 90 % и достигнет 60,2 тс, что обеспечить космическому аппарату полет с ускорением 0,60 м/с 2».