«Ненаписанный роман»
Вчера участвовал в lj-обсуждении очередного проекта термоядерного реактивного двигателя. В связи с чем пришлось изрядно гуглить. В результате нашел на не нашем языке замечательную статью о дополнительных изобретениях к термоядерному прямоточному двигателю Бассарда. А в этой статье дается описание проекта, который я рекомендовал Антону Первушину (в 2010 году) в качестве дополнительной вставки к его новому НФ-роману, в котором он собирался пропиарить пару моих проектов. Роман Антон так и не опубликовал - видимо не понравился мой доппроект в части относящейся к облету Солнца. А зря - знал бы он, что я переоткрыл т.е. переизобрёл метод запуска межзвездного корабля с термоядерным двигателем, то, наверное, наоборот, из этого факта параллелизма и дублирования ключевых изобретений сделал бы новый, ещё более крутой роман в духе какого-нибудь панк-эвереттизма. Дубль проекта здесь: A Fusion Runway to Nearby Stars.
Ниже я выкладываю фрагмент сего романа с моими правками и дополнениями и сокращениями текста Антона Первушина, в той части, где как мне кажется, должны сохраняться его авторские права. Будет на то воля Антона, то выложу весь фрагмент. А пока читайте текст с купюрами. То же, что я выкладываю в Сеть - это моё произведение с некоторыми остатками художественного текста Антона.
Привожу свой вариант текста с цифрами такими, какие они были на момент написания, хотя кое-что следовало бы подкорректировать и откоментировать. Но, не буду забегать вперед - предстоит ещё обсуждение, где и поясним темные места.
Предварительно поясню, что речь идет об использовании гравитационного поля Солнца, в сочетании с концепцией «подготовленной трассы», в которой на траекторию будущего полёта прямоточного корабля заблаговременно (посредством стационарных установок) выводится поток мелкодисперсного термоядерного горючего. Именно эту часть я предложил вставить в редактируемый фрагмент ненаписанного НФ-романа А.Первушина. А сам фрагмент был изначально посвящен популярному изложению другого похожего проекта прямоточного космического двигателя, в котором вместо использования кислорода из субкосмической части атмосферы, применяется окислитель (и часть горючего), специально размещенный на пути корабля перед его подлётом к этому участку с топливом.
Итак, читайте (с купюрами).
«Перебрав все возможные варианты аэрокосмических схем, российские конструкторы остановились на самом оригинальной - предложенной в начале века инженером Александром Майбородой. Если классическая многоступенчатая ракета всё необходимое для достижения орбитальной скорости везет с собой, то космоплан с «прямоточником» почти все необходимое для работы двигателя берет извне. Любые схемы воздушного старта, когда космоплан запускается с самолета-носителя, не позволяли достичь больших высот и скоростей. Комбинированная же схема «ракета-космоплан», примененная, кстати, на «Спейс Шаттле», заметно усложняла всю систему, делала ее громоздкой и чрезвычайно дорогой. Очень соблазнительным выглядело использование гиперзвуковых прямоточных двигателей - они позволяли тащить на космоплане только горючее, беря окислитель непосредственно из воздуха. Но снова проблема: где взять воздух в космосе? Майборода предложил разбить процесс вывода космоплана на орбиту на три независимых этапа и создать на пару минут на границе с космическим пространством окислительно-горючие «шнуры», которые заменили бы воздушную среду для «прямоточника», а заодно и большую часть несомого им горючего. В итоге возникла концепция «Astrojet Project», в русской традиции называемая романтично - «звездецом».
Выглядит это так. Сначала в воздух поднимается группа двухфюзеляжных транспортных самолетов «Витязь», на внешней подвеске каждого размещен серийный «Май-БП» - беспилотный космоплан, снабженный ракетным двигателем и большими топливными баками. На высоте двадцати двух километров «Май-БП» отделяется и совершает суборбитальный прыжок - то есть разгоняется по-ракетному вертикально вверх до 1173 метров в секунду, и с высоты 50 километров (после отсечки двигателей) проникает в космическое пространство, поднимаясь по инерции до высоты в 120 км,. Взлет происходит ночью, для предотвращения нагрева солнечным светом криогенного шнура. Начиная с высоты в 80 километров беспилотник начинает выпускать из баков стабилизированную нитями кевлара и волокнами парациана струю переохлажденного кислорода с мельчайшими частицами алюминия и добавками субнитрида углерода и цианоэтина. Топливная струя выбрасывается параллельно поверхности Земли. Возникает трек, цепочка (пунктир) топливных «шнуров» (каждый фрагмент в 10-20 километров) с общей длиной в 464 километров. Это трасса предстоящего разгона космоплана, трек в форме мирового змея, раскинувшегося в небесах почти на полтысячи километров. Он по инерции вместе с беспилотниками продолжает подниматься с замедлением в почти безвоздушном пространстве до потолка в 120 километров. Там обессилев от долгого подъема к границам земного мира, топливная трасса как бы застывает на пару секунд в зоне высотой 5 метров, и затем начинает падение со всё возрастающим ускорением обратно на Землю, но долететь до конца пропасти ему не суждено …
Вместе с тем, двигатели коррекции, подобно гаишникам на правительственной трассе, короткими импульсами отгоняют опустошённые беспилотные аэротанкеры в разные стороны на обочину от летящей вместе с ними топливного трека - надо освободить путь для приближающегося космоплана. Одновременно с группой аэротанкеров, с космодрома «Свободный» взлетает еще один «Витязь», но на этот раз он тащит на себе пилотируемый космоплан «Май-П» или «Май-Г», то есть пассажирский или грузовой. Этот космоплан снабжен гиперзвуковым «прямоточником» класса «Astrojet» и водородным баком. Он также отделяется от носителя и, поднимаясь синхронно с группой беспилотников, одновременно разгоняется горизонтально по направлению к одному из ближайших концов «шнура», находясь, все это время с ним на одной общей линии.
Начинается третий этап, - скрытый огонь небесного змея вырывается наружу, - «Май» настигает хвост небесного змея и кусает его, - кислородный трек улавливается специальным заборником и поступает в двигатель «Astrojet», частично смешиваясь там с водородом, сгорает и нагревает другую, большую часть водорода. Эта часть не успела смешаться с воспламененным кислородно-алюминиевым коктейлем, а осталось вокруг раскаленного потока, разогреваемая его тепловым излучением, примерно так же как в опытных газофазных ядерных двигателях (с прозрачной перегородкой), с тем отличием, что здесь вместо урановой плазмы водород поджаривается раскаленными частицами оксида алюминия. Температура в середине «Astrojet» становится почти такой же, как на поверхности Солнца - более 5000 градусов (при особых условиях может быть поднята до 5700°C). Это работа азотных соединений - парациана, цианоэтина, и субнитрида углерода.
Для увеличения теплопередачи к водороду добавляются парообразные литий или гексан. В зоне с водородом температура устанавливается на уровне не менее 4200°C. При расширении водорода с такой температурой в сопле скорость истечения составляет 11000 м/с. Такая скорость истечения позволяет разогнать летательный аппарат «Май» до первой космической скорости при расходе водорода на уровне 50 процентов стартовой массы. В результате доля полезной нагрузки поднимается до 30-40 процентов стартовой массы вместо обычных 3-4 процентов для классических многоступенчатых ракет.
Проглотив все 464 километра топливного шнура, пилотируемый «Май» за 125 секунд при перегрузках 6 g выходит на орбиту, где пристыковывается к одной из постоянно действующих станций, а, освободившись от груза, возвращается на Землю подобно «Шаттлу» и третий этап считается завершенным. Еще раньше, суборбитальные «Май-БП» завершая первый этап, садятся на свои аэродромы.
Схема полета «Astrojet» только дилетантам кажется переусложненной и затратной. На самом деле она весьма изящна и обладает рядом преимуществ по сравнению с «классикой». В ней почти нет одноразовых элементов - все космопланы возвращаются, могут стартовать снова и снова, проходить капитальный ремонт и так далее. Использование воздуха как окислителя на двух этапах из трех позволяет инженерам уменьшить конструкцию и повысить коэффициент соотношения полезной нагрузки и топлива. Разумеется, для создания подобной системы потребны высочайшие технологии, но и сама идея появилась не в средние века. …
Что касается идеи Александра Майбороды, то воспринимаемая поначалу скептически она находила всё более широкое применение … Но когда-нибудь - N не сомневалась в этом - схема Майбороды будет применяться повсеместно. Если, конечно, не придумают что-нибудь еще - более красивое и эффективное». N знала, что на орбите Юпитера без излишнего шума готовится запуск первого поколения термоядерного астроджета.
Автоматическая накопительная станция «Space Drag», работающая по схеме изобретенной Димитриадисом еще в 1959 году, за год накопила 600 тонн 3He изъятого путем фильтрации атмосферы планеты-гиганта. Но дело даже не в этих запасах драгоценного изотопа, термоядерные реакции которого свободны от нейтронного излучения (уносящего львиную долю энергии реакции синтеза). Юпитер, благодаря мощному гравитационному полю, позволяет достигать на орбитах с предельно низким перийо́вием (перицентром Юпитера) скоростей до 59,5 км/с. На встречных курсах спутников, соответственно, достигалась скорость почти в 120 км/с. А при таких скоростях столкновений, организованных по схеме «Astrojet», выполняется условие запуска термоядерной реакции - для ряда изотопов водорода выполняется критерий тройного произведения «nTt» (плотность на температуру на время удержания). Таким образом, Юпитер становился трамплином для освоения ресурсов пояса Э́джворта-Койпера и почти беспредельного облака Орта. Но и это было не самым главным, N намекнули, что готовится пробная отправка пары аппаратов «Astrojet» на встречных курсах от орбиты Юпитера к Солнцу, с тем, что бы в перигелии можно было бы организовать столкновение фрагментов потока от одного аппарата с мишенями-капсулам другого аппарата для безядерной инициации «безнейтронных» реакций не только с гелием, но так же элементами следующего уровня - с литием и бором. Вторая космическая скорость у поверхности светила - 617,7 км/с, что при достаточном удалении от поверхности позволяет достичь скорости каждого аппарата до 500 км/с и создать вещественные треки из тяжелых металлов для столкновения с мишенями с термоядерным горючим на относительной скорости в 1000 км/с и обеспечения работы термоядерного астроджета. Цель - достижение скорости в 30 тыс. км/с и отправка первого звездолета в центр Галактики. В первый полет отправят корабль-исследователь с ИИ. Во второй - людей. Отбор претендентов начался».
Справочные материалы:
Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.
По мнению американских физиков, потребуется скорость 200 км/с прямоточного звездолета, что бы запустить термоядерную реакцию при ударах таблеток (капсул, пелет) с термоядерным топливом. Космический корабль, сделав облёт близко около Солнца (практически касаясь солнечной поверхности) может достичь 600 километров в секунду, при этом топливные таблетки выстроились так, что корабль может начать использовать их сразу после прохождения околосолнечной части траектории.
В действительности, если пелеты с термоядерным горючим будут выполнены по схеме кумулятивных устройств, концентрирующих ударную волну столкновения капсул с мишенью в двигателе (или наоборот), то скорость корабля, при которой начинается термоядерная реакция может быть значительно меньше, например, равной двойной второй космической скорости у поверхности Юпитера. А по мнению разработчиков космической техники из ДАЗ (КБ "Южное"), требуемую скорость можно получить даже в окрестностях Земли.
Предполагаемое расстояние до внешних границ облака Оорта от Солнца составляет от 50 000 до 100 000 а. е.- почти световой год.
Длина трека из капсул с термоядерным топливом зависит от типа межзвёздного корабля. Беспилотный роботизированный зонд, который мог выдержать большие перегрузки потребует гораздо меньшей "взлетно-посадочной полосы" из термоядерных зарядов, чем для пилотируемого корабля. Заряды должны быть растянуты на одну десятую светового года, чтобы позволить зонду достичь крейсерской скорости 30 000 километров в секунду. Что выливается в сорок с лишним лет, путешествия на звезду Альфа Центавра.
Вариант кинетического прямоточного реактивного двигателя, использующего энергию встречного входящего потока рабочего вещества для получения реактивной тяги (для понимания достаточен курс физики 8 класса средней школы СССР):
UPD. Анимацию к рассказу о космическом термохимическом прямоточнике смотрите здесь, промотав ленту до отметки времени 3:30 и созерцая далее процесс полета в космос 50 секунд до отметки 4:20.