Основная проблема освоения Внеземелья

   Александр  Шувалов

Основная проблема освоения Внеземелья.

"...главное, ... как ты распорядишься
временем, которое тебе отпущенно..."
Дж. Р. Р. Толкин

Недалек тот день, когда нас ждет очередной юбилей поистине эпохального для всего человечества события - полета Юрия Алексеевича Гагарина. За эти годы, безусловно, было достигнуто очень много. Человек побывал на поверхности Луны, на орбите Земли постоянно работает МКС с членами экипажа. Автоматические аппараты успешно работают на поверхности Луны и Марса, космические станции, отправленные к другим планетам, снимают и передают на Землю снимки поверхности планет и их спутников.
Вояджер 1 и 2 уже находятся почти на границе Солнечной системы. Телескопы, размещенные за пределами атмосферы, все глубже всматриваются в глубины Вселенной, помогая ученым постигать тайны мироздания, и, одновременно, задавая им все новые и новые вопросы. Космические технологии ежедневно совершенствуются. То, что еще вчера было просто невозможным, уже завтра может обрести контуры решения, а через несколько лет, возможно, станет делом свершенным.
Реализуется то, о чем более ста лет назад мечтал Константин Эдуардович Циолковский. И все полеты, свершенные за прошедшие годы и осуществленные в обозримом будущем, не обходились и не смогут обойтись без выведенной гениальным самоучкой формулы. Формулы, связывающей импульс, заставляющий лететь космический аппарат к намеченной цели и топливо, истекающее из сопла его двигателя. И, какие бы не использовались типы двигателей, - ЖРД; ЯРД; РДТТ; ЭРД; - все они работают, используя истекающее из них топливо. Расходуя так называемое "рабочее тело".
С одной стороны, для вывода любого аппарата на орбиту Земли (и любой другой планеты, тем более имеющей атмосферу), иного способа пока просто нет. В данном тексте мы не будем рассматривать гипотетические варианты "орбитальных лифтов" и прочих, пока недоступных для человечества вариантов преодоления гравитации планеты.
Однако, остановившись на одном, пусть и вполне оправдавшем себя, единственном способе космических полетов, человечество постепенно заходит в тупик.
И заключен этот тупик именно в необходимости огромного количества расходуемого "рабочего тела". Даже для того, чтобы достичь орбиты Марса, спуститься на его поверхность, потом вернуться на орбиту и совершить обратный полет к Земле, необходимо просто чудовищно огромное количество топлива. А еще необходимо учитывать строгие рамки  заранее рассчитанного "стартового окна", без которого придется еще больше увеличить расход драгоценного в полете топлива.
Иначе - невозможность вернуться вовремя, а значит - гарантированная гибель всего экипажа. Если для исследовательских экспедиций к Марсу, возможно к Венере, еще можно пойти на подобные затраты и риск, то пилотируемые полеты к другим планетам (и их спутникам) Солнечной системы в настоящее время представляются уже просто авантюрой. Хотя, спустя какое то время, возможно и выполнимой.

Однако мы с Вами, читатель, рассуждаем не о исследовательских полетах к другим планетам, а ОСВОЕНИИ иных миров. А для этого человеку необходимо не только долететь к нужному космическому объекту, выполнить там некую работу, вернуться (или продолжать жить в выбранной точке пространства - времени), но, самое главное, все эти действия должны быть ЭКОНОМИЧЕСКИ выгодны. И именно тут становиться понятно, что человечеству никогда не ОСВОИТЬ Солнечную систему, продолжая развивать космонавтику на тех же принципах, на которых это происходит в течении более чем 60 - и лет. У человечества никогда не будет возможности выводить необходимые для этого моря и океаны "рабочего тела", каким бы оно ни было, на орбиту, затрачивая при этом по 50 кг. топлива на 1 кг. груза.

Выход из этого, казалось бы непреодолимого тупика заключается в разделении ракетостроения на две отрасли. Первая - в какой то мере уже привычная нам отрасль доставки грузов с поверхности планеты на орбиту и обратно. Назовем ее "Атмосферной".
В ней, естественно, будущее за многоразовыми аппаратами, хотя они всегда будут обходится дороже при производстве. В этом направлении главным окажется оптимум между длительностью эксплуатации, экономичностью полетов и грузоподъемностью аппаратов "планета - орбита".
В качестве двигателей подобных кораблей представляются модификации ЯРД современных российских ракет "Буревестник". При условии возможности использования ими не только забортной атмосферы, но и сжиженой,(находящейся под высоким давлением) в внутренних баках. Объем баков должен быть достаточным для полета и маневрирования корабля в безвоздушном пространстве. Для уменьшения стартовой массы корабля, возможна установка на корабль оборудования для сжижения (нагнетания под высоким давлением) забортной атмосферы прямо во время полета аппарата.*

Второе направление, которое придется создавать, - отрасль "Внеатмосферников". Каким бы это не казалось фантастическим сейчас, но без этого человечеству в освоении Внеземелья просто не обойтись. Внеатмосферные космические корабли никогда не смогут опускаться и взлетать с поверхности планетоидов. За исключением, разве, крупных астероидов.
Собираться они будут непосредственно на орбите Земли, а весь срок эксплуатации пройдет между орбитами планет. Подобные типы космических кораблей можно назвать "Пилигримами", "Путниками", "Странниками" или "Скитальцами", - им суждено всегда находится в движении между орбитами планет. Основным предназначением подобных аппаратов будет перемещение грузов между планетами Солнечной системы. И для них необходимо разработать движители, основанные на иных принципах, чем принцип истечения "рабочего тела" для создания необходимого импульса.

Думаю, все читатели, добравшись до этого места с гневом скажут :" Фантазер!". И далее читать не станут. Однако, давайте предположим, что удалось создать атомный реактор, способный работать (вырабатывать электроэнергию) в вакууме. Основная проблема, конечно же заключается в охлаждении реактора. Можно попробовать использование теплоемкости массивных плит, (к примеру использовать их одновременно как бронеплиты обшивки "внеатмосферника"), при условии, что выход тепла из зоны реактора, даже во время пиковых нагрузок, гарантированно будет меньше, чем суммарная поглощающая способность плит охладителей на единицу времени. (Плиты должны остывать быстрее, чем их будет прогревать реактор).
Часть энергии можно пустить на регулируемый подогрев охладителя реактора, с целью оптимизации  температуры охлаждающей жидкости на входе в реактор.
Толщина плит обшивки, а так же радиация охладителя будут, в какой то мере, защищать экипаж от проникающей радиации космического пространства. Если при движении корабля будет использован принцип, отличающийся от принципа истечения "рабочего тела", и движение не будет иметь периодов инерционного полета, то постоянное ускорение можно будет рассматривать как "заменитель" гравитации, что упростит работу реактора. (Хотя бы поможет циркуляции охлаждающей жидкости.)

Приняв саму возможность создания работающего в условиях вакуума атомного реактора, и возможность энерговооруженности космического корабля в пределах хотя бы нескольких мегаватт, можно предложить по крайней мере два типа движителя, не использующих "рабочее тело" для создания необходимого в условиях вакуума импульса.

Во первых - движители кинетического типа. Можно назвать их "Ньютоновскими", так как их действие основано на использовании второго и третьего законов, сформулированных сэром Исааком Ньютоном.
Рассмотрим вариант "рельсотрона", закрепленного "выходным стволом" на некой массивной, прочной плите, которая будет являться "двигательной платформой" преобразователя кинетической энергии некоего "снаряда" в поступательный импульс.
Сам "рельсотрон" будет представлять из себя длинную трубу, в которой находятся электромагниты, разгоняющие "снаряд", - массивную металлическую болванку. Постоянно набегающие магнитные поля должны будут вначале погасить импульс болванки, оставшийся  после соударения снаряда с плитой, а потом вновь разогнать "снаряд" в сторону плиты основания.
Осталось представить, что к плите крепиться не одна, а десятки (или даже сотни) труб "рельсотронов", при отключении необходимых секторов которых, в таком случае, будет возможным изменение вектора движения всего аппарата, а значит, полет будет управляем.

Конечно, подобный движитель будет создавать немало проблем: возможность возникновения резонансных колебаний, вплоть до нарушения прочности конструкции, деформация "снаряда", в том числе из за перегрева, может вызвать заклинивание в "канале ствола", постоянная вибрация корпуса будет приводить к "усталости" металла вплоть до разгерметизации, экипаж будет страдать от непрекращающегося шума и вибрации. Однако, несмотря на все эти недостатки, подобные "Ньютоновские" движители смогут сделать перелеты внутри Солнечной системы экономически выгодными, а значит и ОСВОЕНИЕ Внеземелья, хотя бы в границах Солнечной системы, вполне возможным.

Второй тип движителя можно охарактеризовать как "аннигиляционный". Я бы назвал его "ДиракоЛом". Не спешите считать автора безграмотным, - это сложно составное слово, в основе которого лежат фамилии ученых: П. Дирак, с его "... Море вещества, с отрицательной энергией..." И Н. Лобачевский с "...паралельные сходятся!"

Общеизвестно, что гамма кванты с энергией более 1,35 МЭВ "выбивают" электрон - позитронные пары, которые из - за того, что являются разно заряженными, тут же притягиваются друг к другу и аннигилируют. Но, помещенные в достаточно мощное магнитное поле, электроны и позитроны ведут себя как обычные заряженные частицы, и начинают двигаться к противоположным полюсам магнита, не успев аннигилировать.
Имея мощный источник гамма квантов высоких энергий и мощное постоянное магнитное поле, можно получить направленные потоки электронов и позитронов. У современных** атомных реакторов количество делений ядер топлива составляет примерно три на десять в шестнадцатой степени делений в секунду на каждый мегаватт мощности реактора. Количество гамма квантов составляет в среднем три целых, шесть десятых на десять в тринадцатой степени на квадратный миллиметр в секунду. Правда, основная "масса" - излучение до 3 МЭВ.
Проходя через металл стенок реактора  количество гамма квантов будет увеличиваться, а их энергия уменьшаться. Однако, из за достаточно большого количества гамма квантов, мы все таки можем на выходе рассчитывать на достаточные потоки электронов и позитронов, необходимых для достижения импульса движения.

Представим себе поверхность, подобную "спутниковой тарелке". На двух противоположных концах которой заглублены корпуса атомных реакторов, над которыми, на регулируемых опорах, расположены цилиндры мощных соленоидов. Полюса соленоидов, обращенные друг к другу, имеют разную полярность.
При определенном расстоянии между концами соленоидов, линии одинаковой напряженности магнитного поля создадут своеобразную "воронку Лобачевского", в которой движущиеся к своим полюсам потоки электронов и позитронов станут аннигилировать.
Изменяя положение соленоидов относительно поверхности отражателя, можно менять конфигурацию и фокус "воронки аннигиляции", управляя вектором тяги.

Второй поток позитронов будет аннигилировать на корпусе соленоида, и, в конце концов, неизбежно выведет его из строя. К тому же образуется вторая, "паразитная" зона аннигиляции, что приведет к появлению дополнительного, "паразитного" вектора тяги.
С первой (и основной) проблемой можно будет бороться с помощью защитного кольца из материала с высокой плотностью электронов. Кольцо должно будет вращаться в магнитных полях соленоидов, чтобы, поочередно проходя через потоки позитронов и электронов, могло восстанавливаться, возможно дольше сопротивляясь "выгоранию".

Решение второй проблемы заключается в расположении на отражающей поверхности преобразователя не менее 3 пар реакторов (6;12;24...), для того, чтобы "паразитные" зоны аннигиляции были разнесены на 120°(60°;30°;...) в пространстве плоскости среза отражателя. (Если смотреть на преобразователь со стороны "выхлопа", то "паразитные" зоны аннигиляции будут представляться в виде углов равностороннего треугольника (шестиугольника, двеннадцатиугольника...)).

Для наиболее эффективной работы подобного движителя оптимальной была бы не менее 12 - и реакторная схема. В случае необходимости замены топливных стержней или планового (внепланового) ремонта, можно будет отключить 6 (12) реакторов, и продолжить движение на остальных, не переходя в режим инерциального полета.

Несмотря на мизерный КПД, за счет того, что ускорение будет линейным, а продолжительность работы преобразователя может исчисляться десятилетиями, на подобных движителях вполне можно рискнуть на полеты не только внутри Солнечной системы, но и к другим звездным системам.

Конечно, вполне возможны и другие движители, не использующие в своей работе "рабочее тело", однако основанные на уже известных человечеству физических законах и принципах. Так может стоит заняться разработкой и проектированием подобных движителей, и не ждать открытия "червоточин"?
Стоит ли упоминать, что то государство, которое первым разработает и осуществит в металле подобный движитель, будет иметь приоритет в ОСВОЕНИИ богатств  Солнечной системы, и, как минимум, - ближайших звездных систем.


*Автор знает о радиоактивном "выхлопе"при работе данного типа ЯРД. Однако из за соображений экономического характера с этим, скорее всего, придется мириться. Для других планет экологический вред от использования подобных ЯРД, на первых порах, можно не принимать во внимание, а для Земли разрабатывать более экологичные варианты двигателей.

**Автор использовал данные из интернета и Большой Советской Энциклопедии