Маленькие рассказы о большом космосе

Плазмой называют четвертое состояние вещества. В отличие от жидкого, твердого и газообразного, где атомы ведут себя пристойно, в состоянии плазмы они могут «оголиться» вплоть до ядер, а электроны начинают вести самостоятельную жизнь. Как в заурядной пьесе, в плазме отрицательного и положительного поровну. В электрическом смысле плазма нейтральна. Она может быть холодной и горячей. Миллионные температуры горячей плазмы привлекают физиков, осуществляющих термоядерную реакцию, а создатели космических двигателей «не брезгуют» и холодной. 3,5–10 тысяч градусов их пока удовлетворяют.

С такой плазмой вы сталкиваетесь гораздо чаще, чем думаете. Например, луч света в темном зале кино бросает угольная дуга — это между двумя электродами горит плазменный шнур.

Мощные электрические дуги дают температуры значительно большие, чем любая химическая реакция. Если разогревать газообразное рабочее тело в пламени такой дуги и выбрасывать через сопло космического двигателя, можно получить скорости истечения 15–20 километров в секунду. В пять раз больше, чем у самых совершенных химических ракет. Причем скорость выходящего из сопла газа у такого электродугового или электрического плазменного двигателя легко регулировать.

Гораздо больших скоростей истечения — до 100 километров в секунду — можно достичь в электромагнитных плазменных двигателях. Здесь конструкторы пользуются тем, что плазма — великолепный проводник тока. Как известно, проводник с током в магнитном поле получает ускорение. На этом принципе работают все электромоторы. Поэтому плазму помещают в магнитное поле, пропускают через нее электрический ток, а дальше все происходит по правилу «трех пальцев».

Ракеты с такими двигателями требуют значительной электрической мощности — примерно 100 киловатт на каждый килограмм тяги. Откуда ее взять? Можно использовать небольшие ядерные реакторы. Можно попытаться использовать энергию Солнца. Например, с помощью зеркал нагревать воду в каком-то котле и потом, пуская пар через турбину, получать электроэнергию или же обратиться к фотоэлементам, термоэлектрическим генераторам.

Использовать такие ракеты в Космосе очень заманчиво. Они требуют гораздо меньше горючего, чем химические, и, следовательно, гораздо легче их. И лететь могут дальше. Правда, стартовать с Земли плазменные корабли (как и ионные) должны все же с помощью химических ракет. Их собственная тяга мала.

Первое «крещение» плазменных двигателей состоялось на борту советской автоматической станции «Зонд-2» в декабре 1964 года. Эти двигатели использовали в качестве управляющих органов в системе ориентации, абсолютно необходимой для любого современного космического аппарата. Система ориентации обязана сохранять заданное положение аппарата в пространстве или изменять его, если в этом возникает необходимость. Она должна, например, следить за тем, чтобы на панели солнечных батарей попадало максимум энергии Солнца, иными словами, чтобы они всегда были перпендикулярны его лучам, направлять на Землю бортовую антенну во время сеанса связи.

Если вдруг автоматическая станция отклонится от курса, система ориентации должна повернуть аппарат, чтобы можно было включить двигатели системы коррекции и исправить ошибку.

Плазменные двигатели можно использовать также для перевода спутников с одной орбиты на другую, для выполнения различных маневров при сборке околоземных космических станций. Наконец, они могут служить и «маршевым двигателем» для межпланетных полетов. Возможно, грузовые межпланетные лайнеры будущего будут снабжены такими двигателями.

Ион! — и он туда же!

Самолеты, паровозы, теплоходы, электропоезда, автобусы… Пожалуй, не перечислить всех видов земного транспорта. В Космосе выбор более скромный. Точнее — выбора нет. Спутники, космические аппараты — это все подвиги известных жидкостных ракетных двигателей. Но скоро им придется потесниться. В двери уже стучатся молодые соперники — ионные двигатели.

Они настолько необычны, что даже трудно подобрать сравнение. Представьте себе, что громадина дубненского синхрофазотрона выброшена в Космос. Конечно, на Земле трудно вообразить силу, способную даже просто сдвинуть с места это сооружение размером со стадион в Лужниках. А вот в Космосе достаточно отдачи самих частиц, которые разгоняет этот ускоритель. Ведь там нет никакого сопротивления движению. (Это, разумеется, не означает, что и в самом деле нужно выбрасывать в Космос такие тяжести!).

В принципе любая ракета движется за счет того, что выбрасывает из сопла продукты сгорания топлива с какой-то скоростью; произведение их массы на эту скорость называется количеством движения. С точки зрения закона сохранения количества движения безразлично, выбросить ли много вещества с небольшой скоростью или немного, но сильно разогнав его. Естественно, что инженеры стараются увеличить скорости истечения газов, ведь тогда топлива потребуется меньше и будет гораздо больше полезного груза.