Через огненную купель к звездам
Недавно комета Лавджоя (C/2011 W3 или The Great Christmas Comet of 2011) влетела в солнечную атмосферу, но не сгорела, к изумлению многих неастрономов, а выжила, пролетела сквозь пекло и унеслась обратно в звездные дали. Таких комет, скребущих Солнце, много. Не она первая, не она последняя. А вот теперь рассмотрим уникальную ситуацию: что было бы, если комету Лавджоя оснастили бы прямоточным двигателем Меркулова?
Двигатель Меркулова - это космический прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Выглядит просто - это профилированная труба в теле космического корабля. Начинает эффективно работать со скорости больше второй космической, т.е. больше 11 км/с. И.А. Меркулов исследовал его работоспособность до скорости 16-18 км/с, но его двигатель может работать и при намного больших скоростях полета, главное, что бы его конструкция могла противостоять высоким давлениям и температурам. А здесь есть обнадеживающие примеры в виде известного проекта ядерного пульсирующего двигателя и опыта кометы Лавджоя, выжившей при пролете сквозь солнечную корону. Для работы двигателя Меркулова не требуется химического или ядерного топлива - энергия извлекается из рабочего тела за счет его столкновения и смешения с потоком внешнего газа, протекающего через прямоточный двигатель.
Итак, что было бы с кометой после бреющего полета над Солнцем при её оснащении прямоточным двигателем Меркулова? Если кроме двигателя в виде сквозного отверстия в теле кометы ей была бы придана обтекаемая форма, и кроме того вещество кометы было бы удобно для использования в двигателе, то тогда комета Лавджоя разогналась бы до скорости в 1000 км/с или 0,33% скорости света. Этой скорости вполне достаточно для проникновения на окраины Солнечной системы. Такую скорость разовьет модернизированная комета при «сжигании» 91% своей массы в топке прямоточного двигателя.
С точки зрения фанатов межзвездных перелетов эта скорость не столь уж и велика для реализации их ожиданий. Однако здесь есть важная особенность - на такой скорости столкновения ядер вещества, впрыскиваемого в поток солнечной плазмы, с ядрами потока завершаются термоядерными реакциями. А это совсем уже другие мощности и скорости - по этой причине полет сквозь солнечную атмосферу с прямоточным двигателем может обеспечить достижение скорости в 30-40 тыс. км/с. Перегрузки правда здесь будут сверхчеловеческими, но проблема запуска звездолета с экипажем также решается, о чем будет отдельный разговор.
Комета Лавджоя приблизительно один час пролетала сквозь огненную купель. Диаметр её оценили в 500 метров. Этого размера оказалось достаточно, что бы она полностью не испарилась. Рассмотрим теперь, насколько обгорит наша комета, переоборудованная в звездолет. Если мощность солнечного излучения на расстоянии 1 а.е. составляет 1,38 кВт/м2, то на условной поверхности Солнца эта мощность равна приблизительно 64 тыс. кВт/м2. Вот такой поток обрушивается на корпус нашего корабля-кометы. И это без учета механического воздействия ионизированного газа, сквозь который пробивает свой путь комета.
Комета состоит в основном из углерода. Скрытая теплота испарения углерода достаточно большая - 45 МДж/кг. Это значит, что если вся энергия излучения поглощается поверхностью кометы, без учета частичного отражения, то для полноценной защиты в течение часа требуется испарить 5120 кг углерода (1,422 кг/с) на каждый 1 м2 поверхности. Вещество кометы довольно таки рыхлое, но если мы хорошо утрамбовали поверхность нашей кометы перед погружением в огненную купель, скажем до плотности близкой к графиту, что соответствует 2250 кг/м3, то толщина испарившегося слоя составит 2,3 м. Это при диаметре кометы около 500 м. Таким образом, комета обгорит на 1% своего диаметра при одночасовом пребывании в потоке максимально возможного солнечного излучения. Такой вот сферический конь в вакууме.
В качестве охлаждающего средства можно рассматривать и железно-никелевый сплав, из которого состоит до 10% некоторых астероидов, т.к. никто не мешает нам использовать астероиды вместо комет. Скрытая теплота испарения железа и никеля близки по значениям и в среднем равны - 6,1 МДж/кг. Тогда для охлаждения на 1 м2 требуется испарение 10,5 кг/с железно-никелевого слоя или 37770 кг/час. Плотность железа выше плотности углерода, поэтому астероид обгорит только на 2% своего первоначального диаметра.
Итак, мы предварительно установили, что солнечная корона не создает непреодолимых препятствий для полетов сквозь неё естественных и, самое главное, искусственных тел. Классическое абляционное охлаждение здесь вполне достаточно.
Если использовать охлаждение через пористую стенку, то вопрос об изменении диаметра корабля и его частей, например, прямоточного канала двигателя Меркулова, вообще может не возникать. Кроме того, двигатель Меркулова может быть выполнен по известной схеме наружного расположения «камеры сгорания». Такая схема удобна для варианта с впрыском в наружный поток термоядерного топлива. В этом варианте корабль представляет собой цилиндроконическое тело, максимально заостренное с головной стороны и полусферическое со стороны кормы. При таком строении ядерные реакции организуются вокруг кормовой части корабля. Но, об этом пока рано говорить, необходимо разобраться с использованием кинетического двигателя для разгона кораблей в солнечной атмосфере. А здесь и так замечательные результаты - 1000 км/с в перигелии орбиты кометы, превращенной в космический корабль.
Продолжение следует.
В одной из статей я уже рассматривал вопрос о торможении межзвездных кораблей в атмосфере Солнца.
Так что здесь продолжение темы использования звездных корон в утилитарных целях.