Идея электрического ракетного двигателя не является новой, она принадлежит Константину Эдуардовичу Циолковскому и высказана им в 1911 году.
В своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованной в 1911 году в журнале «Вестник воздухоплавания», Константин Эдуардович писал:
«Может быть, с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам. И сейчас известно, что катодные лучи в трубке Крукса, как и лучи радия, сопровождаются потоком электронов, масса каждого из которых, как мы говорили, в 4000 раз меньше массы атома гелия, а скорость достигает 30 — 100 тысяч километров в секунду, то есть она в 6 — 20 тысяч раз больше скорости обыкновенных продуктов горения, вылетающих из нашей реактивной трубы».
Рассматривалась эта идея электрического ракетного двигателя позднее и в трудах других основоположников астронавтики — француза Эно Пельтри, румына Оберта и др.
В настоящее время устройство электрического (ионного) двигателя можно представить себе следующим образом. На межпланетном корабле устанавливается мощный генератор электрического тока — динамо-машина. Энергия, необходимая для привода этого генератора, может быть получена с помощью атомной силовой установки или же за счет улавливаемой энергии Солнца.
Электрический ток, вырабатываемый генератором, используется для зарядки пластин гигантского конденсатора, представляющих собой, например, плоские тонкие проволочные сетки. В результате этого между пластинами конденсатора создается разность электрических потенциалов, которая и разгоняет электрически заряженные частицы вещества — ионы.
Космопорт будущего.В специальной ионизационной камере от обычных молекул отрываются электроны, и таким образом получаются положительно заряженные частицы — ионы. Предлагается, например, для получения ионов пропускать пары цезия или рубидия через раскаленную платиновую сетку (журнал «Флайт», март 1959 г., и др.). При этом атомы этих металлов будут превращаться в ионы. Затем образовавшиеся ионы пропускаются между пластинами конденсатора и вытекают наружу с большой скоростью, например, равной 100 километрам в секунду или даже более. При таком истечении и создается реактивная тяга, необходимая для полета корабля.
Можно представить себе ионный ракетный двигатель и в виде приспособленного для установки на ракете ускорителя заряженных частиц. Подобные ускорители давно уже поставлены на вооружение ядерной физики, с их помощью ученые разгадывают тайны строения атомных ядер.
В спиральном канале-трубопроводе такого ускорителя частицы будут разгоняться до огромных скоростей, а затем выпускаться через прямой участок трубы наружу. При этом будет возникать необходимая для полета корабля реактивная тяга. Недостатком подобного метода является, однако, малое число излучаемых частиц и, следовательно, малая величина тяги. Правда, развитие ионных двигателей такого рода могло бы в значительной мере устранить этот недостаток.
В частности, по одному из проектов ионный двигатель должен быть создан на принципе линейного ускорителя заряженных частиц, в котором эти частицы движутся только по прямым траекториям. В двигатель вводятся распыленные частицы рабочего вещества или же это вещество в виде газа. Под действием электронов, бомбардирующих частицы, они ионизируются, то есть превращаются в ионы. Те частицы, которые не стали ионами, отсасываются специальным вакуум-насосом, а ионы, имеющие положительный электрический заряд, проходят через ускоритель, где с помощью импульсов тока высокого напряжения разгоняются до больших скоростей. Вытекающий из двигателя поток ионов и создает реактивную тягу. Электроны, образовавшиеся при ионизации частиц, также выбрасываются из двигателя в том же направлении с помощью специальной «электронной пушки». Это необходимо для того, чтобы двигатель и ракета не заряжались в результате истечения ионов.
Схема устройства ионного реактивного двигателя.Конечно, ионы в таком двигателе разгоняются до несравненно меньших скоростей, чем в ускорителях элементарных частиц, — здесь нет необходимости в подобных скоростях. Все же скорость истечения ионов может быть гораздо больше, чем из обычных жидкостных ракетных двигателей. В этом несомненное преимущество ионных межорбитных кораблей.
Но ни на минуту нельзя забывать и о недостатках ионных двигателей, связанных, главным образом, с требованиями, которые предъявляются к электрическим силовым установкам ионных ракет. Эти установки должны генерировать электрический ток очень большой силы, а их мощность при сколько-нибудь значительной тяге двигателя становится колоссальной. Так, если ионный двигатель рассчитан на такую тягу, какую развивают двигатели современных реактивных самолетов, то его мощность будет большей, чем самой крупной из существующих гигантских гидроэлектростанций! Вот почему ионные двигатели могут быть применены лишь в тех случаях, когда их тяга невелика, как, например, в случае межорбитных космических кораблей.
Вот как может выглядеть проект экспедиции на Марс, совершаемой по методу тройного прыжка с использованием ионных ракет. Вся экспедиция совершается на 10 ионных межпланетных кораблях, которые собираются на искусственных спутниках Земли из частей, доставляемых на грузовых ракетах с Земли. Для доставки этих частей и экипажа кораблей используется целый флот из 50 грузовых трехступенчатых ракет, которым придется совершить около 1000 полетов. Каждая ракета весит при взлете примерно 6500 тонн; две первые ступени каждой ракеты возвращаются на Землю на парашютах, третья — в планирующем полете, для чего она делается крылатой.
Вес каждого межорбитного ионного корабля, на котором астронавты достигнут орбиты Марса, будет больше 3500 тонн. На трех небольших кораблях, весом по 200 тонн, 50 человек смогут совершить посадку на Марс. Один из этих трех кораблей останется на Марсе, а на двух остальных счастливчики, побывавшие на Марсе, возвратятся ко всей межпланетной армаде, поджидающей их на орбите у Марса. Три межпланетных ионных корабля вместе с двумя посадочными останутся на орбите у Марса, превратившись в искусственных спутников Марса, а на семи остальных кораблях участники экспедиции возвратятся на орбиту искусственного спутника Земли, откуда с помощью ракет будут доставлены на Землю.
По расчетам, вся эта экспедиция продлится около трех лет и потребует, конечно, больших средств. Так, например, на операции по снабжению, то есть на полеты грузовых ракет, придется затратить около 5 миллионов тонн топлива, а на полет межпланетных ионных кораблей — примерно 40 тысяч тонн.
Межпланетный ионный корабль для полетов в слабом поле тяготения.Этот же автор (проект принадлежит Брауну) предложил затем более простой план организации экспедиции на Марс, требующий значительно меньших затрат. По новому проекту экспедиция состоит уже только из 12 человек, из которых 9 человек совершают посадку на планету. На орбите у Земли, в Космосе, собираются два межпланетных ионных корабля, один — с пассажирами, другой — с грузом, в том числе с небольшим кораблем, на котором будет совершена посадка на Марс. Вес каждого из этих кораблей при отлете с земной орбиты — 1700 тонн. Для переброски всего необходимого на орбиту у Земли, на которой будут строиться и снаряжаться межпланетные корабли, на этот раз понадобится 335 полетов трехступенчатых ракет взлетным весом 1280 тонн, имеющих на борту 10 тонн полезной нагрузки. Общий расход топлива на эту «упрощенную» экспедицию составит 445 тысяч тонн. История уже знает воздушные операции, потребовавшие больших затрат топлива для самолетов.
Для того чтобы можно было организовать подобную экспедицию, нужны еще годы (если не десятилетия) настойчивых исследований, нужна совместная работа многих ученых, конструкторов, инженеров, рабочих, должны быть решены сложнейшие научно-технические задачи. Но зато как велико будет значение этой победы, одержанной людьми в борьбе с природой!
Часть пятая
ЧЕЛОВЕК И МИРОВОЕ ПРОСТРАНСТВО
Глава 19
ВСЕЛЕННАЯ НА СЛУЖБЕ ЧЕЛОВЕКУ
Близится день, когда посланцы Земли впервые в истории вступит на поверхность Луны, Марса, Венеры. Промелькнут годы, наполненные необычностью первых впечатлений, новизной первых открытий, и перед человечеством станет вопрос, что делать с освоенными небесными телами, как их использовать на благо человечеству.
