Виктор Петров - Искусственный спутник земли

Были предложены двигатели, основанные на совершенно ином принципе, позволяющем резко повысить скорости газа, истекающего из сопла двигателя газа. Для этого предложили использовать применяемые в атомных физических лабораториях ускорители, в которых под действием электрического поля заряженные частицы приобретают колоссальные скорости. В качестве «посредника» в таком двигателе предполагают использовать элементы цезий или рубидий. Их пары, проходя через платиновую сетку, ионизируются, а затем положительные и отрицательные ионы приобретают раздельно ускорение. Выходя из ускорителя, они имеют одинаковую скорость, при встрече взаимно нейтрализуются и образуют быстролетящие молекулы газа.

Таким образом, для такого двигателя необходимо иметь источник электрической энергии. На космической ракете таким источником могут быть фотоэлементы, преобразующие солнечную энергию в электрическую.

Ионные двигатели, питающиеся от фотоэлектрической батареи, будут иметь довольно низкую тягу из-за большого рассеивания молекул и недостаточной мощности батареи. Однако этой тяги в космосе вполне будет достаточно для того, чтобы маневрировать ракетой и создавать большие скорости полета после того, как ракета преодолеет силу притяжения Земли. Такие двигатели, кроме всего прочего, требуют очень небольших запасов топлива; например, для полета с межпланетной станции, находящейся вблизи Земли, на орбиту Марса (на расстоянии 56 000 000 км) для 100-т ракеты может потребоваться всего 10 т топлива. Ионная ракета может достичь такой скорости, что за один год пролетит 175 млн. км.

Ионный реактивный двигатель, несмотря на то, что им можно будет пользоваться после преодоления тяготения Земли, интересен тем, что в нем не приходится сталкиваться с труднейшими температурными проблемами, а также потому, что он дает новые возможности увеличения скорости отбрасываемых масс, а следовательно, и тяги. Кроме того, такой способ для ракет с людьми не требует каких-либо сложных мер в отношении их защиты от радиации.

Для получения значительной тяги ионно-реактивных двигателей требуется мощный источник электроэнергии, необходимый для ускорения большой массы ионов «посредника». Получение больших мощностей электроэнергии с помощью фотоэлементов, улавливающих радиацию Солнца, не представляется практически возможным. Поэтому представляет большой интерес сочетание двух двигателей — атомного, энергия которого затрачивается на работу электрического генератора, и ионно-реактивного, создающего тягу ракеты. В условиях ракеты запасы веществ должны быть ограничены, и непроизводительная их потеря не допускается, поэтому атомный двигатель должен работать по «замкнутому циклу». При этом рабочее вещество — теплоноситель, воспринимающее тепловую энергию в атомном реакторе, переносится в турбореактивный двигатель (например, паровую турбину). Здесь тепловая энергия, накопляемая теплоносителем, превращается в механическую энергию. Затем теплоноситель направляется обратно в атомный реактор, совершая процесс передачи энергии атомной реакции по замкнутому контуру без потери вещества — теплоносителя.

Турбореактивный двигатель приводит во вращение электрический генератор, энергия которого направляется в ускоритель ионов «посредника». Ионы «посредника», вылетающие из ускорителя с большой конечной скоростью, выбрасываются сопловым аппаратом наружу в окружающее ракету пространство, создавая тем самым реактивную тягу. По существу атомно-ионный двигатель представляет собой сочетание атомной электростанции с ионным реактивным двигателем. Реализация подобной системы вполне возможна, о чем убедительно говорят достижения в области создания атомных двигателей для подводных лодок, кораблей и самолетов. Однако здесь встречаются огромные технические трудности, связанные с необходимостью существенного сокращения веса и габаритов атомной электростанции для ракет. Существующие атомные электростанции еще слишком громоздки, имеют ряд сложных переходных устройств для превращения одних видов энергии в другие, а коэффициент полезного действия этих станций еще низок.

Другой проект атомно-ионного двигателя, основанного на принципе местного ускорителя элементарных частиц (рис. 14), был предложен сотрудником американской авиационной фирмы «Гудиебр эйркрафт» Даррелом Ромиком [17].

По принципу Ромика в двигатель вводятся распыленные частицы (газ), где они подвергаются бомбардировке электронами из электронной пушки. Неионизированные частицы газа непрерывно удаляются из двигателя вакуум-насосом, а ионы посредством электродов и сеток электронной пушки направляются в ускоритель. Здесь мощные электроды, питаемые током высокого напряжения, до момента выхода ионов из двигателя разгоняют их несколькими последовательными толчками. Размещение электродов и фазы тока подобраны так, чтобы скорость частиц непрерывно возрастала. Истекающий из двигателя поток ионов и создает реактивную тягу.

Для того чтобы заряд, возникающий в пространстве при истечении ионов, не нейтрализовал тягу, рядом с основным соплом расположена электронная пушка, которая выбрасывает назад электроны, полученные при образовании ионов. Источником энергии для работы ускорителя может служить ядерный реактор или Солнце. Для полетов в пределах орбит, близких к Солнцу, вплоть до Марса можно использовать лучистую энергию Солнца; это значительно облегчит двигатель, так как при получении энергии от ядерного реактора требуется система защиты с большим весом. Как уже говорилось выше, ионный двигатель очень мало расходует распыленных частичек газа. Так, например, подсчитано, что для межпланетной ракеты общим весом в 1000 т потребуется расходовать 5,25 кг газа в час. Развиваемая номинальная тяга в 91 кг достаточна, чтобы при продолжительной работе двигателя (в течение 500 суток) максимальная скорость полета могла достигать 42 км/сек, или 3 650 000 км/сутки. Взлет и разгон ракеты с ионным двигателем будет обеспечиваться ракетными ускорителями с ЖРД на химическом топливе. Причем возможно по окончании их работы использовать те же камеры сгорания и для истечения частиц, нагретых ядерным реактором.