Конечно же, для такого разгона снова понадобится электроэнергия.
Экономия будет лишь за счет энергии, расходуемой на ионизацию рабочего вещества в обычных ионных двигателях. Доля этой энергии в общей затрате электроэнергии в ионном двигателе обычно очень невелика, так что и экономия в энергии будет сравнительно небольшой, но дело и не в ней. Главное в том, что рабочее вещество в этом случае уже не находится на борту летательного аппарата. Однако такие аппараты смогут летать лишь на относительно небольших высотах — в разреженной атмосфере, но не в космосе.
Правда, в космосе также встречаются заряженные частицы вещества — например, в космическом излучении. Испускает подобные корпускулярные потоки и Солнце. Но их использование еще более затруднительно, хотя принципиально и возможно.
Однако электромагнитная энергия космоса вовсе не ограничивается корпускулярным излучением Солнца и звезд.
Гораздо больше по величине другие виды этой энергии. В частности, известно, что в космосе существуют весьма мощные локальные магнитные поля. Ученые связывают с воздействием этих полей природу основной части космического излучения.
Предполагают, что заряженные частицы — главным образом протоны, а также ядра атомов гелия и в небольшом числе других, более тяжелых атомов, — выброшенные в космос звездами или в результате иных процессов, затем разгоняются в космических магнитных полях. Так в гигантских природных электромагнитных ускорителях рождаются космические лучи с их колоссальной энергией, в миллиарды раз большей, чем в самых мощных циклотронах современных лабораторий.
Нельзя ли воспользоваться энергией космических магнитных полей для того, чтобы вот так же разогнать до нужных огромных скоростей межпланетный корабль? Такая идея высказывалась рядом ученых, у нас в стране — профессором Г. И. Покровским. Однако практически для реализации такой идеи нужно прежде всего найти мощные магнитные поля в космосе, узнать их расположение, конфигурацию, интенсивность, чтобы умело управлять разгоном корабля.
Очевидно, что и на этот метод использования электромагнитной энергии космоса вряд ли можно всерьез рассчитывать в ближайшее время.
Правда, одно космическое магнитное поле нам хорошо известно, и его использование кажется вполне возможным и даже в ряде случаев выгодным. Речь идет о геомагнитном поле.
В свое время в США активно обсуждалась схема геомагнитного движителя, который позволяет использовать геомагнитное поле и разреженную плазму, заполняющую околоземное пространство в ионосфере, для создания полезной движущей силы. Движитель представляет собой по существу тонкую металлическую (из алюминия, магния, бериллия или лития) проволоку очень большой длины (от 1 до 50 километров) с расположенными на ее концах контакторами; такое устройство движителя позволяет использовать его одновременно и для так называемой гравитационной ориентации в пространстве. Если электрический проводник движется с некоторой скоростью поперек силовых линий магнитного поля в заряженной среде — плазме, то в нем, очевидно, начинает течь (индуцируется) ток; проводник вместе с плазмой образует своеобразный замкнутый контур. Но взаимодействие тока с магнитным полем связано с возникновением пондеромоторной силы, которая стремится уменьшить скорость проводника, тормозит его (если проводник перпендикулярен скорости). По существу, конечно, эта тормозящая сила представляет собой также силу реакции отбрасываемой плазмы — в принципе, почти такую же, как в случае авторотирующего воздушного винта самолета. И если торможение винтом оказывается весьма полезным в авиации (например, при посадке самолета), то «магнитное торможение» в космосе также может оказаться полезным для различных маневров по изменению орбиты и положения спутника. Расчеты показывают, что такое торможение является самым эффективным, ведь оно не требует затрат рабочего вещества. Но если вместо торможения нужно получить ускоряющую силу, то ток в проводнике должен возбуждаться искусственно, для чего нужен специальный электрический генератор.
Кстати сказать, на режиме торможения этот генератор сможет уже не расходовать электрическую энергию, а вырабатывать ее, например, для питания бортовых систем спутника.
Применение геомагнитного движителя оказывается тем выгоднее, чем больше длительность полета и меньше его высота — на высотах более 10 000 километров из-за ослабления геомагнитного поля он уже практически невыгоден.
Рассмотренные выше способы использования внешних ресурсов пригодны только для полетов в пределах Солнечной системы. Для межзвездных полетов они оказываются непригодными.
Однако даже в межзвездном пространстве имеется готовый к употреблению ресурс. Это — межзвездный водород, который теоретически можно использовать в прямоточном термоядерном двигателе.
Для предварительных расчетов можно принять, что межпланетная среда состоит из водорода, находящегося в молекулярном, атомарном и ионизованном состояниях. Таким образом, основой энергетического процесса двигателя можно считать получение на борту летательного аппарата термоядерной энергии, выделяемой в результате синтеза космического водорода.
Итак, внешний вид космической ракеты с термоядерным прямоточным двигателем необычен: навстречу полету, на большое расстояние от корабля вытянулся ярко-фиолетовый ионизирующий луч, выходящий из передней точки заостренного центрального тела геометрического конусообразного массозаборника. Этот луч может быть пучком ускоренных электронов, гамма-излучением, рентгеновским или ультрафиолетовым излучением. Предназначен он для ионизации встречного (набегающего) потока водорода или, если применяется пучок электронов, для предварительной фокусировки (стягивания ближе к оси пучка) этого водорода за счет сил электростатического взаимодействия.
По периметру геометрического массозаборника, имеющего довольно внушительные размеры (диаметр около 20 метров и длина около 25 метров), проложены в один-два слоя витки сверхпроводниковой катушки с током. Эта катушка представляет собой сложное инженерное сооружение.
При ее работе на витки действуют огромные разрывающие усилия и силы, прижимающие витки друг к другу. Материал витков должен быть весьма прочен при сверхнизких (гелиевых) температурах, иметь малую плотность и допускать высокие значения плотности электрического тока.
Конструкция витков должна предусматривать их интенсивное охлаждение жидким гелием (температура около 4°К), причем без выброса гелия в окружающее пространство.
Как известно, гелий весьма текуч, он просачивается не только сквозь мельчайшие зазоры в арматуре, но и проникает буквально «сквозь стенки», даже металлические. В крайнем случае эта неизбежная потеря должна восполняться посредством отбора части гелия, получаемого от термоядерного синтеза.
Только что описанная катушка нужна для формирования магнитного поля, фокусирующего набегающий поток.
Ионизированные частицы внешнего набегающего потока (в основном протоны и электроны) встречаются с магнитным полем и начинают двигаться вдоль магнитных силовых линий, вращаясь вокруг них по спиралям. Поскольку магнитные силовые линии сходятся у входа в геометрический массозаборник, частицы фокусируются этой своеобразной магнитной воронкой. Оказывается, что подобный способ фокусирования набегающих частиц позволяет значительно увеличить эффективную площадь входа массозаборника Такое входное устройство даже при весьма незначительной плотности межпланетной среды (10 в минус семьнадцатой степени кг/м³) будет весьма эффективным. Например, при полете со скоростью 100 км/с за одну секунду в массозаборник поступит около одного килограмма водорода. Если предположить, что 75 % поступившего водорода прореагирует в термоядерном устройстве, то выделение энергии будет равно 5*10¹¹ кДж/с.
Поскольку доля энергии, требуемая для обеспечения внутренних потребностей корабля (в частности, для создания магнитного фокусирующего поля и работы бортовых систем), весьма незначительна, будем считать, что вся выделяющаяся энергия идет на создание тяги.
Тяга прямоточного межпланетного двигателя создается за счет передачи выделившейся энергии, захваченной массозаборником, внешней массе. Численно тяга определяется приростом скорости захватываемого вещества, умноженным на массовый секундный расход этого вещества. Поскольку в нашем частном случае массовый секундный расход равен единице, тяга просто равна приращению скорости захватываемого потока, которое оказывается стократным. Соответственно, тяга такого идеального двигателя будет огромной — около 10¹¹ килограммов!
Рассмотренный в предыдущем разделе фотонный двигатель требует, как мы установили, размещения на борту космического корабля довольно большого запаса вещества и антивещества.
