Реферат: А. Барбараш

А. Барбараш


(Анатолий Никифорович БАРБАРАШ

E-mail: barbarash@farlep.net)




(Теории и гипотезы)

Новая редакция


Оглавление



ПРОБЛЕМЫ МЕЖЗВЁЗДНОГО ПОЛЁТА 2

4.4.1. Вопрос дальности полёта 2

4.4.2. Минусы фотонной ракеты 3

4.4.3. Электрореактивный двигатель 5

4.4.4. Энергетика корабля 7

4.4.5. Противометеорная защита 11

4.4.6. Проблема численности экипажа 14

4.4.7. Общая концепция корабля 16



Предыдущий раздел


Последующий раздел


Общее оглавление


^ ПРОБЛЕМЫ МЕЖЗВЁЗДНОГО ПОЛЁТА


„Искусство живёт вымыслом,

наука – осуществляет вымысел.”

А.М. Горький

4.4.1. Вопрос дальности полёта
Ниже будет рассматриваться возможность межзвёздных перелётов. Но оговоримся сразу – автор отнюдь не разрабатывает конкретный план полётов или конкретную схему, конкретные параметры межзвёздного корабля. Преследуется иная цель – показать, что межзвёздные перелёты принципиально возможны, что они в достаточно близкой перспективе станут доступными для земной цивилизации, а, значит, тем более осуществимы для более „взрослых” и развитых цивилизаций.

* * *

Мы не знаем цивилизации, предположительно занёсшей споры водорослей в древний Океан Земли. Трудно судить, что для неё технически выполнимо, а что – невыполнимо. Чтобы выйти из этого затруднения, используем простой логический ход. Будем считать, что их возможности не меньше наших, и если межзвёздный перелёт, хотя бы в отдалённом будущем, окажется возможен для нашей цивилизации – значит, он возможен и для предполагаемой цивилизации „Икс”.

Книга не ставит задачу указать реальные пути осуществления межзвёздных перелётов. Более того, автор уверен, что в действительности техника межзвёздных перелётов будет иной, не такой, как описывается ниже, а более эффективной. Книга стремится лишь показать, что наука уже создала необходимую теоретическую базу, и уже сегодня подобные перелёты представляют собой не столько научную, сколько инженерную и экономическую проблему. Понимание этого факта требуется, в частности, для того, чтобы при изучении ранних стадий биологической эволюции возможность направленной панспермии учитывалась биологами не менее скрупулёзно, чем геологические, климатические и др. условия на планете.

* * *

Ответ на вопрос, осуществим ли, в принципе, межзвёздный перелёт, складывается из ответов на ряд частных вопросов. Первый из них – при какой дальности полёта возникает возможность доставки Жизни от звезды к звезде?

Минимальную дальность перелёта, открывающую возможность целенаправленной доставки Жизни на Землю, разные специалисты оценивают по-разному. На оценку этого расстояния влияет ряд противоречивых соображений.

Есть, например, формула Дрейка, с помощью которой учёные пытаются оценить количество одновременно существующих цивилизаций n в нашей Галактике, способных и склонных контактировать с другими цивилизациями. Она выглядит так:

n = N · P1 · P2 · P3 · P4 · t1/T1;

где N – полное число звёзд в Галактике (оцениваемое как 1011); P1 – вероятность того, что звезда имеет планетную систему (порядка 0,5); P2 – вероятность наличия жизни хотя бы на одной из планет звезды (около 0,2); P3 – вероятность наличия на планете, где уже возникла жизнь, разумной жизни (близко к 1); P4 – вероятность возникновения на этой планете с разумной жизнью высокого технологического уровня, позволяющего установить контакт с другими цивилизациями (около 0,5); t1 – величина периода, в течение которого цивилизация находится на высокоразвитом уровне; T1 – возраст Галактики.

Полагают, что в процентном выражении величина n невелика. Если бы она была для нашей Галактики известна, можно было бы оценить среднее расстояние между цивилизациями, а значит, и минимальную дальность межзвёздного перелёта. Но оценить результат формулы Дрейка трудно и, кроме того, цивилизации могут быть очень неравномерно распределены внутри Галактики.

Нельзя не вспомнить и мысль И.С. Шкловского о возможной уникальности нашей цивилизации во Вселенной. По мнению И.С. Шкловского, дело даже не в том, что во Вселенной, кроме нашей цивилизации, может не существовать никаких других, а в том, что они расположены так редко, на таких огромных расстояниях одна от другой, что для нас в любом случае недоступны. В этом смысле мы можем считать их не существующими.

Наконец, в нашем случае речь идёт не о контакте между двумя цивилизациями, а о переносе Жизни от цивилизации к мёртвой планете другой звезды, а мёртвых планет намного больше, чем обжитых.

Можно также подойти к проблеме, исходя из нашего ближайшего окружения. Расстояние до ближайшей к нам тройной (с учётом Проксимы) звезды Альфы Центавра составляет 4,3 световых года. Если описать вокруг Земли сферу радиусом 10 световых лет, то в ней (вместе с Солнцем) окажется 9 звёзд. Если экстраполировать такую плотность звёзд на сферу радиусом 20 световых лет, то в ней, грубо говоря, должно оказаться более 70-ти звёзд, а при радиусе 30 св. лет – более 240.

Американский астроном Отто Струве обратил внимание на то, что Солнце делает один оборот вокруг собственной оси за 27 дней, а если бы вокруг него не было планет, то оно вращалось бы примерно в 50 раз быстрее. Высокая скорость вращения, в связи с эффектом Доплера (одна сторона звезды быстро приближается к наблюдателю, а другая – удаляется), изменяет профиль распределения энергии в каждой спектральной линии, что позволяет разделить наблюдаемые звёзды на две группы – с планетами и без них. Исследования звёзд до расстояний в несколько сот световых лет позволило Струве заключить, что примерно половина из них обладает планетами (отсюда в формуле Дрейка P1 ≈ 0,5). К тому же, в нашей Галактике около 2% звёзд, очень похожих на Солнце.

Для оценки возможной дальности межзвёздных перелётов важно также, что Солнечная система обращается вокруг центра Галактики. Данные об этом движении разноречивы, оценки периода вращения колеблются от 120 до 250 миллионов лет. Есть даже мнение, что орбита движения Солнца вокруг центра Галактики близка к круговой и тогда один оборот занимает миллиарды лет. Но большая часть исследователей считает, что вращение происходит по сильно вытянутой траектории, временами существенно приближающей нашу звезду к центру Галактики.

Если такие выводы верны, то каждые 120–250 миллионов лет Солнце оказывается в области Галактики с более высокой плотностью звёздного населения – средние расстояния между звёздами (и дальность перелётов) там примерно вдесятеро меньше, чем в сегодняшнем окружении. Если свет от Проксимы идёт к Земле 51 месяц, то в центральной части Галактики свет от ближайшей звезды достигал бы нас, скажем, за 5 месяцев.

Ясно, что „посев” Жизни на планеты других звёзд легче всего производить во время пребывания „отправителя” и „получателя” в центральной, густо населённой звёздами области Галактики, где расстояния между звёздами минимальны. При этом достаточно широкий выбор подходящих безжизненных планет для „посева” возникает уже в пределах расстояний порядка 1 светового года. Примем эту цифру за основу расчёта.

Конечно, если бы такую задачу мы поставили перед собой сегодня, то нужно было бы рассчитывать на дистанцию, хотя бы вдесятеро большую – 10 световых лет.


^ 4.4.2. Минусы фотонной ракеты
Многие учёные связывают возможность межзвёздных перелётов с использованием фотонных ракет [Зенгер, 1958; Соколовский, Шилов, 1960], в которых источником энергии служит процесс аннигиляции вещества и антивещества.

Продуктом аннигиляции становятся кванты излучения, которые могут отбрасываться параболическим зеркалом и создавать реактивную силу. Достоинством фотонных ракет является предельно высокая скорость истечения, что, теоретически, позволяет разгонять корабль до околосветовых скоростей.

На рис. 4.3 приведен эскиз фотонной ракеты, иллюстрирующий представление о таких аппаратах, сформировавшееся к концу 50-х годов 20-го столетия.






Рис. 4.3. Эскиз фотонной ракеты

[Соколовский, Шилов, 1960]


Этот эскиз соотносится с современными представлениями о фотонной ракете почти так же, как рисунок корабля Н.И. Кибальчича – с проектом шатла. Более поздние работы (например, [Бурдаков, Данилов, 1980]) показали, что, с учётом неизвестных ранее факторов, облик фотонной ракеты должен существенно усложниться. В частности, выяснилось, что аннигиляция протекает отнюдь не мгновенно, а это резко увеличивает размеры параболического зеркала

Стало ясно, что создание фотонной ракеты связано с очень большими трудностями.


Во-первых, трудно подготовить большое количество антивещества, необходимое для полёта. Даже при высоком коэффициенте полезного действия (КПД) процесса, на что трудно рассчитывать из-за физических ограничений, на его выработку требуется баснословное количество энергии. Исключительно трудно сохранять полученное антивещество и доставлять его к звездолёту, так как оно аннигилирует при соприкосновении с любыми молекулами обычного вещества.

Предположим, что твёрдое или жидкое антивещество удастся хранить, подвесив в вакууме с помощью волновых полей. Но даже то ничтожное количество газа, какое остаётся при наилучшем доступном современной технике вакууме, вызывает паразитную аннигиляцию хранимого антивещества, при которой уже не удаётся справиться с нагревом.

(Антивещество нельзя охлаждать никаким охлаждающим агентом, так как контакт с ним вызывает аннигиляцию. Возможно охлаждение за счёт теплового излучения, но это противоречит желанию использовать в качестве антивещества наиболее простые молекулы антиводорода или антигелия и хранить их при криогенных температурах, при которых тепловое излучение как раз предельно мало. Антивещество может охлаждаться и собственным испарением, но образовавшийся газ тут же будет аннигилировать от соприкосновения со стенками хранилища и вызывать сильнейший нагрев.)

Во-вторых, мешает многоступенчатость процесса аннигиляции и его заметная длительность. Протоны и антипротоны превращаются сначала в -мезоны, потом в -мезоны, в электронно-позитронные пары и, наконец, в кванты излучения. За время этих стадий процесса частицы успевают разлететься на несколько километров. При этом -мезоны и -мезоны временно образуют мезаатомы, которые, как и кванты излучения, не фокусируются магнитным полем. Их может фокусировать только зеркало многокилометрового размера.

В-третьих, проблематично создание для фотонной ракеты параболического зеркала с высоким коэффициентом отражения. Лучший из известных отражателей – полированный алюминий – при длине волны 0,2 мкм (характерной для излучения аннигиляции) поглощает 60% падающих лучей. Ожидают более высокого отражения от сверхплотного потока электронов [Бурдаков, Данилов, 1980], но проблематично формирование из него параболического зеркала соответствующего многокилометрового размера.

Чтобы сформировать подобное гигантское зеркало, нужны сверхмощные источники электронов. А, представьте, как сложно создать магнитные поля, способные придать многокилометровому зеркалу параболическую форму! Да ещё, сколько дополнительного вещества нужно взять с собой, чтобы компенсировать электрический заряд корпуса корабля, возникающий из-за сверхмощной электронной эмиссии?! Ведь эта компенсация должна осуществляться путём выброса столь же мощной в электрическом смысле (а по массе – в 1836 раз большей) струи протонов.


Учитывая трудности создания фотонной ракеты, ниже рассмотрен более простой и реалистичный вариант межзвёздного корабля, основанный на принципах, которые либо уже воплощены в действующие устройства, либо успешно осваиваются институтами разных стран.


^ 4.4.3. Электрореактивный двигатель
Если отойти от принципа фотонной ракеты с её предельной скоростью реактивной струи, равной скорости света, то ближайшим по этому параметру устройством окажется электрический реактивный двигатель, способный развивать околосветовую скорость вещества на выходе сопла [Гришин и др., 1975; Морозов, 1978]. В этом случае реальную скорость истечения лимитируют не параметры реактивного двигателя, а ресурсы используемого энергоносителя.

Идею создания электрического реактивного двигателя (ЭРД) впервые высказал в 1911 г. К.Э. Циолковский. Сущность её в том, что заряженные частицы (например, ионы) можно разгонять до очень высоких скоростей с помощью электрического поля. Это позволяет намного повысить скорость истечения вещества из сопла реактивного двигателя по сравнению с обычными ракетами, напрямую использующими энергию химических реакций. Эффективность двигателя зависит от скорости истечения реактивной струи, поэтому использование ЭРД является одним из важнейших направлений развития ракетной техники.

Большой шаг в практической разработке ЭРД сделал Валентин Петрович Глушко, памятник которому поставлен на родине, в г. Одессе. В 1929 г. он развил идею электрического реактивного двигателя в работе “Металл как взрывчатое вещество”. Параллельно В.П. Глушко создал и испытал (1929-1932 г.г.) первые наземные прототипы таких двигателей. Двигатели оказались удачными, но работы пришлось прекратить, т.к. известные в то время физические принципы не позволяли создать на борту ракеты источники электроэнергии необходимой мощности.

После запуска первых спутников Земли интерес к электрическим реактивным двигателям возродился. Возникли принципиально новые источники энергии – солнечные батареи и длительно работающие электрогенераторы на основе расщепляющихся ядерных материалов. Это позволило применить электрические реактивные двигатели в длительно функционирующих космических аппаратах.





Рис. 4.4. Общий вид одной из моделей импульсного ЭРД.


Впервые ЭРД были практически использованы в СССР в системе ориентации аппарата „Зонд-2”. Появился ряд разнообразных типов таких двигателей. Они были использованы, например, в аппаратах „Янтарь”, „Метеор”, „ВЗА”, в ряде зарубежных моделей.

На рис. 4.4 показан общий вид импульсного, так называемого „пинчевого” ЭРД1, разработанного в США. Каждый импульс реактивной струи получает энергию от разряда одного из двенадцати конденсаторов, окружающих на рисунке расположенное в центре сопло. У этой модели скорость реактивной струи на выходе сопла достигла 70 км/с (скорость газов на выходе сопел обычных ракет, сжигающих химическое топливо, обычно не превышает 5 км/с).

Конечно, для межзвёздного корабля нужны иные модели двигателей – намного более мощные, надёжные и эффективные, с более высокими скоростями истечения вещества. В конструкциях сегодняшних двигателей улучшение параметров лимитировано длиной траектории разгона ионов и мощностью энергетической установки, т.е. ограничениями, вполне преодолимыми у звездолёта.

Создание звездолётных ЭРД – сегодня уже задача не столько научная, сколько инженерная [Гришин и др., 1975; Морозов, 1978]. В нескольких разработках опыты подтвердили возможность разгона вещества реактивной струи до скоростей, близких к скорости света.


Вещество, истекающее из сопла ЭРД, обычно представляет собой положительно заряженные ионы, а в пределе – положительно заряженные ядра атомов, лишённые электронных оболочек. Как и при эмиссии электронов, создающих параболическое зеркало фотонного звездолёта, должна предусматриваться компенсация электрического заряда корпуса корабля. Выбрасывание космическим кораблём только лишь положительных ионов создало бы на его корпусе отрицательный потенциал, тормозящий реактивную струю. Поэтому одновременно с формированием струи положительных ионов конструкторами ЭРД всегда предусматривается и другая операция – создание струи отрицательно заряженных электронов.

Серьёзной реактивной силы струя электронов не создаёт, поскольку они обладают, по сравнению с ионами, в тысячи раз меньшей массой. С другой стороны, формирование электронного пучка не вызывает трудностей. Схема электронного ЭРД в общих чертах напоминает электронный прожектор хорошо известного кинескопа, с той лишь разницей, что высокие градиенты электрического поля и высокая плотность тока создают условия для автоэмиссии электронов, так что подогрев катода становится ненужным.


В разработках ЭРД получили распространение так называемые мегаамперные ускорители. Подобные устройства потенциально являются мощным оружием, из-за чего журнальные публикации не отражают истинного уровня современных разработок. Однако известно, что давно и намного превзойдены токи в пучке порядка 3·105 А при мощности 1012–1013 Вт в импульсе.

Среди наиболее перспективных разработок ЭРД привлекают внимание двигатели на основе так называемых коллективных методов ускорения. Например, внутри кольцевого пучка электронов, разогнанных до высоких скоростей, формируется более медленный поток положительных ионов. Такая структура реактивной струи устраняет мешающее воздействие заряда ионов на фокусировку ионного пучка, что позволяет сохранять его компактность и увеличивает реальную скорость истечения. В опытном образце двигателя поток ионов азота разгонялся до энергии в 60 МэВ внутри кольцевого удерживающего пучка электронов, разогнанных до субсветовой скорости [Бурдаков, Данилов, 1980].

Интересно, что в названных экспериментах скорость ионов уже превысила реальные потребности реактивных двигателей межзвёздных кораблей, поскольку удельное энергосодержание наилучших энергоносителей (кроме антивещества) не позволяет разгонять 100% продуктов их сгорания до столь высоких скоростей.


Естественно, что параметры двигателя должны оптимизироваться в соответствии с общей концепцией полёта. Желательно использовать в качестве вещества реактивной струи сами продукты „сгорания” энергоносителя, а это определяет величину отбрасываемой массы. Скорость струи должна быть такой, чтобы на выходе реактивного сопла кинетическая энергия продуктов „сгорания” энергоносителя равнялась (с учётом потерь) выделившейся энергии.


Таким образом, на многих космических аппаратах уже сейчас широко используются маломощные электрореактивные двигатели разных моделей, а в лабораториях и на испытательных стендах, хотя и для других (военных) целей, отрабатываются прототипы особо мощных двигателей будущих межзвёздных кораблей.


^ 4.4.4. Энергетика корабля
Но что даст двигателям корабля нужную энергию, если не ориентироваться на использование антивещества?

Известно, что при термоядерной реакции синтеза гелия из водорода [Кравцов, 1974; Ситенко, 1983] на 1 кг гелия выделяется 6,45•1011 кДж энергии [Бурдаков, Данилов, 1980]. Этот источник энергии настойчиво и достаточно успешно осваивается международными научными коллективами, поскольку в недалёкой перспективе именно он должен спасти Землю от энергетического голода.


Одной из положительных сторон процессов термоядерного синтеза, по сравнению с расщеплением урана, является меньшее порождение радиоактивных веществ. При расщеплении урана значительная часть выделяющейся энергии приходится на радиоактивные осколки атомных ядер. В противоположность этому, обычный термоядерный синтез гелия из водорода рождает только быстрые нейтроны и -частицы (ядра гелия), которые не радиоактивны. В смысле возникновения новой радиоактивности, при термоядерном синтезе на первый план выходит второстепенная причина – наведенная радиоактивность конструкционных материалов реактора, возникающая из-за трансмутаций ядер под воздействием быстрых нейтронов. Однако исследования показали, что правильный подбор веществ позволяет свести эту радиоактивность к очень низкому уровню.


Для протекания реакции термоядерного синтеза нужна температура вещества порядка 50–100 миллионов кельвинов и высокая плотность. Совместно, эти параметры должны обеспечить сближение и столкновение ядер атомов вопреки их электростатическому отталкиванию. Разрабатываются два главных пути реализации термоядерного синтеза:

– нагрев плазмы электрическим током с одновременным сжатием её магнитным полем и

– сжатие (с одновременным нагревом) таблетки вещества сфокусированными лучами лазера.

Первый способ более удобен для генерирования электроэнергии, отчего ему уделяется больше внимания (хотя для космического корабля ничуть не хуже и второй путь).

На рис. 4.5 показана схема реактора-токамака (токамак – тороидальная камера с магнитным полем), реализующего один из вариантов первого способа. Идею подобного реактора предложили в 1950 г. А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм. Позднее значительные усовершенствования внесли Л.А. Арцимович и его коллеги из Института атомной энергии им. И.В. Курчатова. После опубликования этих (ранее секретных) работ к ним присоединились исследователи других стран.





Рис. 4.5. Схема реактора-токамака

для управляемого термоядерного синтеза.


Кольцеобразный плазменный шнур, в котором протекает реакция, находится внутри тороидальной камеры токамака и разогревается током, индуцируемым с помощью трансформатора, расположенного в центре тора. Магниты тороидального поля удерживают плазму в сжатом состоянии, а магниты вертикального поля обеспечивают устойчивое положение шнура относительно тороидальной камеры.

За прошлые десятилетия конструкция токамаков интенсивно совершенствовалась. В разных странах создавались исследовательские реакторы со всё более высокими параметрами.

Главной трудностью, которую пришлось преодолевать, явилось нестабильное поведение сжатой плазмы при высоких температурах (возникает турбулентный перенос частиц поперёк силовых линий магнитного поля). Поэтому можно понять чувства исследователей, работавших на мощном экспериментальном реакторе JET (Joint European Torus), когда, наконец, оказалось, что „полученный результат полностью соответствует ожидаемым расчётным характеристикам” [Конн и др., 1992].

Это, конечно, не означало, что исследователями была получена устойчивая самоподдерживающаяся термоядерная реакция с высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Однако можно, как минимум, сказать, что был пройден этап неуверенных поисков правильного пути, и исследование стало всё больше переходить в область инженерных разработок.

По сообщениям прессы, в 2005 г. должен вступить в строй международный исследовательский реактор-токамак ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), разрез которого показан на рис. 4.6. Он должен стать „предпоследним шагом к освоению термоядерного синтеза”. Предполагается, что исследования на нём займут 13–15 лет, после чего, если не встретятся новые трудности, можно будет приступить к созданию первого промышленного реактора.




Рис. 4.6. Международный проект реактора-токамака ITER.


Существенным дополнением к работам по управляемому термоядерному синтезу стали успехи по реализации высокотемпературной сверхпроводимости, обещающие существенно повысить КПД энергетических установок. Это важно потому, что для космического корабля утилизация или отвод в пространство значительных количеств отходов низкотемпературного тепла может представить собой довольно неприятную задачу.


* * *

Чтобы узнать крейсерскую скорость межзвёздного корабля, нужно сначала прояснить ряд других вопросов. Какую схему имеет корабль как ракета? Если он является многоступенчатой ракетой, то сколько у него ступеней? На сколько разгонов и торможений должен быть рассчитан запас горючего? Какой процент стартовой массы корабля отведен на горючее и каков итоговый КПД его использования? Какой процент стартовой массы корабля должен вернуться на родину (и должен ли вернуться)?

Может быть и так, что экспедиция предусматривает возвращение корабля на родину, и тем ни менее, корабль не берёт с собой горючее для обратного пути. Посылая межзвёздную экспедицию, высокоразвитая цивилизация заранее изучит планетную систему, куда полетит корабль. Если подготавливалась экспедиция в Солнечную систему, то организаторы должны были знать о планетах-гигантах с их сверхмощными атмосферами. Ведь достаточно кораблю описать несколько витков на низкой орбите спутника Юпитера, Урана или Нептуна, чтобы вдоволь запастись водородом для термоядерного реактора. Атмосферы этих планет содержат молекулярный водород, а также метан, из которого можно выделять водород химическим путём.

Наконец, можно запастись водородом даже в атмосферах Венеры или Земли. В земной атмосфере с высотой увеличивается процентное содержание молекулярного водорода. В атмосфере Венеры содержится приблизительно по 0,1% аммиака и паров воды, из которых легко может быть выделен водород. Это, конечно, не столь сказочные, как на Юпитере, но вполне достаточные для космических полётов запасы термоядерного горючего. Причём, такую ситуацию нельзя считать уникальной. Планеты других звёзд, вероятно, обеспечены водородом примерно в такой же степени.

Исходя из подобных соображений, не станем и мы учитывать горючее для обратного пути. Примем, что корабль является одноступенчатой ракетой, что он несёт горючее на один разгон и одно торможение, и что в сумме оно составляет 50% от стартовой массы корабля. Тогда на разгон должно быть потрачено горючего 29,3% от стартовой массы, а на торможение – оставшиеся 20,7% (или 29,3% от массы корабля к началу торможения).


Применение многоступенчатой схемы и увеличение доли горючего повысило бы скорость полёта. Поэтому нужно пояснить, почему автор ориентируется на одноступенчатую ракету и отводит под горючее всего половину стартовой массы корабля, тогда как в существующих ракетах горючее в несколько раз превышает вес „сухой” ракеты.

При двухступенчатом разгоне необходимо также и двухступенчатое торможение. Иначе говоря, только для полёта в одну сторону нужны четыре ступени, а с учётом обратного пути – восемь ступеней. Это сильно затруднило бы организацию обратного полёта, что и определяет целесообразность одноступенчатой ракеты. Тем более, что, с учётом трудоёмких работ по подготовке мёртвой планеты к „посеву” Жизни, повышение скорости полёта при двухступенчатой ракете ещё не избавляет от смены поколений экипажа и лишь несколько уменьшает их число.

Малая доля горючего в стартовой массе корабля объясняется наличием у него мощной броневой защиты от метеоритов.


Сегодня нет достаточных сведений для вычисления КПД силовой установки межзвёздного корабля. Главную энергию термоядерного синтеза (гелия из водорода) несут возникающие ядра гелия и часть (участвовавших в реакции и возвращающихся в неё) протонов. Предполагается, что их энергия используется достаточно полно. Значительной энергией обладают -кванты излучения. Энергию этих квантов тоже желательно использовать, но пока не ясно, в какой мере это удастся. Около 9% энергии безвозвратно уносится образующимся потоком нейтрино. Хорошо уже, что нейтрино практически не взаимодействуют с веществом корабля, и их энергия не переходит в тепло, которое нужно было бы отводить или утилизировать.

В перспективе, общий КПД преобразования энергии термоядерного горючего в энергию реактивной струи межзвёздного корабля можно оценить в 80%. Конечно, при существующей технике такой высокий КПД недостижим. Но ведь рассматриваются не наши, а принципиальные возможности! Недавно и высокотемпературная сверхпроводимость выглядела элементом фантастики, а сейчас уже ждём появления сверхпроводников в продаже!

При таком КПД весь гелий, образовавшийся из водорода, может быть разогнан в сопле электрореактивного двигателя до 10,7% от скорости света, т.е. до

Wc = 32000 км/с.


Разгон нейтральных атомов гелия до 32˙000 км/с для современной техники невозможен. (Правда, нейтральные атомы можно разогнать до высоких скоростей лазерным излучением, но этот метод пока мало изучен.) В электрореактивных двигателях атомы разгоняются до нужных скоростей электрическим полем, для чего они предварительно должны быть ионизированы, например, частично или полностью лишены электронных оболочек. Превращение атомов гелия в ионы тоже требует интенсивных электрических полей, так как электронные оболочки атомов гелия очень устойчивы. Но на межзвёздном корабле такая проблема не возникнет, так как термоядерный синтез создаёт не атомы, а лишь ядра атомов гелия, которые как раз и представляют собой максимально заряженные положительные ионы.

Поскольку периоды работы двигателей межзвёздного корабля составляют лишь единицы процентов от продолжительности полёта, общее энергоснабжение корабля нет смысла связывать с работой двигателей. Поэтому генератор энергии (реактор термоядерного синтеза), обслуживающий электрореактивный двигатель, может быть слит с ним в единый агрегат. Надо думать, между реактором и двигателем, в схему агрегата войдёт и некий сепаратор в виде грубого масс-спектрографа, отделяющего синтезированные ядра гелия от других частиц плазмы. На вход агрегата должно поступать термоядерное горючее – водород, а на выходе должна формироваться мощная струя ядер гелия в окружении кольцевого пучка электронов.

Таким образом, движущая установка межзвёздного корабля, вероятнее всего, будет представлять собой агрегат, объединяющий три устройства – реактор термоядерного синтеза, масс-спектрограф, отделяющий от „новорождённых” ядер гелия непрореагировавшие ядра водорода, с возвратом их в зону термоядерной реакции, а также собственно электрореактивный двигатель. Для создания возможности маневрирования, агрегат может включать в себя не один, а, скажем, пять автоматически переключаемых электрореактивных двигателей – один центральный и четыре крестообразно расположенных боковых двигателя.


Скорость корабля, достигнутая в конце разгона (без учёта пренебрежимо малых в данном случае эффектов теории относительности), определяется известной формулой:

Vk = 2,303·Wc·lg Mo/Mk ;

где Vk – скорость корабля в конце разгона;

Wc – скорость истечения вещества из сопла двигателя;

Mo/Mk – отношение стартовой массы корабля к его массе в конце разгона.

Отсюда для нашего случая:

Vk = 2,303·32'000·lg 1/0,707 = 11'000 км/с.

Следовательно, крейсерская скорость корабля составит 3,67% от скорости света. Один световой год соответствует расстоянию в 9,4605·1015 м. Будем считать, что на разгон и торможение корабля затрачивается дополнительно 5% времени. Тогда, с учётом указанной крейсерской скорости, полёт в одну сторону на расстояние в 1 световой год займёт 28,6 лет.


^ 4.4.5. Противометеорная защита
При постоянстве ускорения, если на разгон и торможение корабля, как нами принято в расчёте, дополнительно затрачивается 5% от 27,27 лет или 1,36 года, то каждая из этих операций в отдельности тоже занимает по 1,36 года (т.е. по пройденному пути за время разгона и торможения теряется 50%). Следовательно, разгон от нуля до крейсерской скорости Vk = 11'000 км/с произойдёт за 1,36 года или за 4,29·107 с. Отсюда ускорение разгона корабля составит всего 0,256 м/с2. На Земле ускорение свободного падения тел равно около 9,8 м/с2. Другими словами, ускорение разгона корабля окажется в 38 раз меньше знакомого нам ускорения свободного падения.

Такая ситуация складывается оттого, что тяга электрореактивных двигателей межзвёздного корабля мала по сравнению с массой корабля. На основных параметрах экспедиции этот факт сказывается слабо, продолжительность полёта на расстояние в 1 световой год увеличивается по этой причине всего на 5%. Правда, малая тяга двигателей на единицу массы корабля не позволяет опускаться на поверхность крупной планеты и стартовать с неё. Но эту трудность легко обойти, имея космические „шлюпки”. Что, действительно, плохо – малая тяга двигателей по сравнению с массой корабля сильно уменьшает возможности корабля уклоняться от ударов метеоритов.

При ускорении 0,256 м/с2, чтобы сместить корабль на 1 км, нужно затратить 125 секунд. Следовательно, команда на резкое смещение корабля должна быть подана, и двигатели должны быть переориентированы и включены на полную мощность тогда, когда опасный объект ещё находится на расстоянии, примерно:

11'000 км/с • 125 с = 1'375'000 км.

В действительности, учитывая реальные размеры корабля, чтобы он уклонился от метеорита, нужно сместиться много больше, чем на 1 км.

Между тем, на каждый квадратный метр лобовой поверхности корабля, за время полета на расстояние в 1 световой год, обрушивается всё вещество, содержащееся в десяти миллионах кубических километров космического пространства! И на соседний квадратный метр – столько же. Пренебрежём атомами, молекулами и ионами, содержащимися в этом объёме и порождающими при столкновении с кораблём далеко не безобидные эффекты. Но при такой скорости столкновения невозможно пренебречь микрометеоритами, не говоря уже о более крупных телах.

Представим себе электропоезд весом 500 тонн, движущийся со скоростью 120 км/час и налетевший на скалу. Кинетическая энергия удара составит:

Е = M·V2/2 = 5,0·105 кг·33,32·0,5 м2/с2 = 2,77·108 Дж.

Аналогично, при столкновении неподвижного метеорита весом в 1 г с кораблём, летящим со скоростью 11'000 км/с, энергия удара составит 6·1010 Дж, что в 217 раз больше предыдущего. Другими словами, даже подобный миниатюрный метеорит произведёт на корабле разрушения, сопоставимые с катастрофой двухсот идущих на полном ходу поездов!

Представим себе, что межзвёздный корабль способен без повреждений выдержать удар, по энергии эквивалентный катастрофе одного поезда. Если поперечный размер корабля не превышает 2 км (в действительности он, как увидим, намного больше), чтобы не превысить такую норму, нужен локатор, способный обнаружить камешек массой в 5 миллиграмм за 125 секунд до столкновения, т.е. на расстоянии, вчетверо большем, чем от Земли до Луны! Но даже такая фантастически изощрённая аппаратура не позволит избежать столкновения при встрече с роем, скажем, из десятка микрометеоритов. Отсюда можно заключить, что столкновения корабля с мелкими метеоритами, практически, неизбежны.

Риск катастроф, подстерегающих межзвёздный корабль, имеет очень высокую цену. Ведь подготовка экспедиции такого масштаба требует максимального напряжения усилий пославшей его цивилизации, и повторить экспедицию непросто. Гибель корабля не только вычеркнет из жизни находящийся на борту экипаж, но оставит безжизненной планетную систему, в которую экспедиция несла Жизнь. Поэтому надо думать, что конструкторы постараются обеспечить очень высокий уровень безопасности корабля.

Сегодняшнее состояние астрономии, к сожалению, обуславливает неопределённость в оценке степени метеоритной опасности. Дело в том, что различные методы исследований дружно говорят о существовании во Вселенной некой скрытой массы, намного превышающей массу известного астрономам вещества, но не раскрывают природу этой скрытой массы.

„Даже для совокупности звёзд в окрестностях Солнца – число таких звёзд близко к исчерпанию – динамическая масса оказывается вдвое больше суммы масс индивидуальных звёзд. В этом случае можно гадать о планетных системах, или о тёмных звёздах с массой меньше 0,05 (массы Солнца), или о массивных чёрных дырах.” [Мартынов, 1988]

Обычно, в поисках скрытой массы, астрономы предполагают, что она заключена в каком-то одном виде материи или небесных объектов. Но ведь нельзя исключить и другую возможность – что она включает в себя несколько типов образований. Часть скрытой массы может быть представлена метеоритами, в том числе, микрометеоритами, заполняющими межзвёздное пространство.

Природа астрономических приборов такова, что они регистрируют несветящееся вещество Вселенной тем лучше, чем сильнее оно рассеяно. Например, хорошо изучено, сколько атомов и ионов водорода приходится на кубометр пространства в далёких от нас зонах космической пустоты. А вот разглядеть скопление многих миллионов таких крупных тел, как кометы в облаке Оорта, на окраине нашей собственной Солнечной системы – астрономы не могут, и облако фигурирует лишь как результат теоретич