На ракете или под парусом?

Представим себе, что в один прекрасный день мы получим телеграмму со звезд: братья по разуму зовут нас в гости. На чем, как мы к ним отправимся? Нынешние ракеты на химическом или даже атомном топливе явно не годятся. Фантасты и инженеры обычно предлагают фотонные корабли или светолеты.

Оседлавшие луч. Космолеты будущего будут выходить на орбиту, не тратя ни грамма топлива! С таким сенсационным заявлением выступили специалисты НАСА и Пентагона после осуществления на ракетном полигоне «Уайт-сандс» (Белые пески) испытаний прототипа нового летательного аппарата, аналоги которого до сих пор встречались лишь на страницах научно-фантастических книг.

Впрочем, первое испытание выглядело на редкость скромно: луч пульсирующего газового лазера мощностью 10 кВт был направлен снизу вверх на отражательное зеркало миниатюрного летательного аппарата весом всего около 60 г и длиной чуть больше 15 см, который поднялся над землей всего на 2 с небольшим метра…

Тем не менее американский изобретатель Франклин Мид и его коллеги полагают, что с экспериментов с моделью «Светолета», сделанной из алюминиевой фольги, начинается новый этап в освоении космического пространства. Отраженные от зеркальной поверхности параболического зеркала лучи фокусировались в одной точке, где излучение достигало такой мощности, что воспламеняло воздух, преобразуя его в высокотемпературную плазму. Происходил как бы мини-взрыв, который подбрасывал летательный аппарат вверх. Поначалу, как уже говорилось, на 1,5-2 м, потом — на 15 м…

Руководители программы Лейк Мирабо и Франклин Мид полагают, что к концу нынешнего, 1998 года лазер «подбросит» летательный аппарат нового типа на высоту в километр, а еще через несколько лет «Светолет» поднимется и на 100 км.

Впрочем, изобретатели понимают, что на пути в открытый космос им предстоит решить на практике еще одну важную проблему. Обогнав в 5 раз скорость звука и поднявшись на высоту более 30 км, «Светолет» попадет в разреженные слои стратосферы, и тяга двигателя резко упадет — ведь превращать в плазму будет уже практически нечего.

Чтобы компенсировать недостачу рабочего тела, Мирабо предлагает впрыскивать в фокус зеркала жидкий водород или азот, который будет находиться на борту корабля в специальном баке. Так что, как видите, хоть какое-то топливо, но «Светолету» все же понадобится.

Кроме того, изобретатель надеется облегчить взлет корабля с помощью эффекта «воздушного гвоздя». Идея тут заложена настолько любопытная, что о ней стоит поговорить особо…

Строим «летающую тарелку»? Еще в 60-х годах, работая на кафедре инженерной механики Ресселаровского политехнического института (г. Троя, штат Нью-Йорк), Лейк Мирабо придумал способ, как резко уменьшить аэродинамическое сопротивление взлетающих космических кораблей. Впрочем, сам профессор не скрывает, что зарождению и развитию проекта в немалой степени способствовали его контакты как с американскими, так и с российскими коллегами, в частности, с Юрием Райзером.

Основной узел такого космического аппарата двигатель с комбинированным циклом. Он фактически занимает собой весь объем «летающей тарелки», на которую весьма похож этот перспективный летательный аппарат. При этом внешнее сопло двигателя в кормовой части послужит и тепловым экраном при возвращении аппарата в плотные слои атмосферы.

При запуске и разгоне до скорости 1М (М — скорость звука в воздухе, округленно равная 330 м/с) двигатель работает в роторном режиме с детонационной волной. По мере ускорения аппарата большие порции ненагретого воздуха поступают в двигатель с трансзвуковой скоростью. Последний при этом переходит в режим импульсной реактивной тяги, обеспечивающий достижение скорости 5-6 М. Затем аппарат переходит в ракетный режим полета и выходит на круговую орбиту вокруг планеты.

Мирабо надеется вскоре построить демонстрационный образец нового двигателя диаметром 1,4 м и массой около 120 кг. В нем будут использованы модифицированные компоненты существующих жидкостных ракетных двигателей, а также перспективные композиционные материалы и сегменты зеркал от высокоэнергетичных лазеров.

В случае положительных результатов на испытаниях затем предполагается постройка пилотируемых одно-, двух— и пятиместных аппаратов, которым по традиции дадут те же имена, что и их предшественникам, — «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон».

Наибольшую трудность в настоящее время представляет изготовление зеркал. Впрочем, на существующих станках с ЧПУ и алмазными резцами специалисты Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса уже изготовляют зеркала диаметром 1,6 м, пригодные для перспективных космических аппаратов класса «Меркурий». Нанесение же на поверхность зеркала многослойного диэлектрического покрытия позволяет достичь коэффициента отражения более 99,9 процента.

Практически аппараты с лазерными двигателями предполагается использовать в виде небольших модулей вместимостью до 5 человек, которые смогут обеспечивать кругосветный перелет всего за 45 мин. Считается, что такие аппараты будут успешно конкурировать со сверхзвуковым самолетом, разрабатываемым для замены нынешнего сверхзвукового «конкорда», а также гиперзвуковым воздушно-космическим самолетом следующего поколения.

Для обеспечения 120 тыс. полетов в сутки (примерно столько делает современная коммерческая авиация) аппаратам с лазерными двигателями потребуется около 500 космических солнечных электростанций. С учетом нынешнего развития необходимых технологий начало таких пассажирских перевозок ожидается не ранее чем через 20-25 лет.

Энтузиасты нового способа доставки грузов на околоземную орбиту полагают, что он намного улучшит экологию запусков и сделает их примерно на порядок более экономичными. Ведь сегодня транспортировка 1 кг полезной нагрузки в космос обходится примерно в 20 тыс. долларов.

Звездные «зонтики». На этом перспективные разработки для освоения ближнего и дальнего космоса вовсе не заканчиваются. Еще одна идея была в свое время подсказана тем же А. Кларком, который сумел осуществить уже немало технических предсказаний.

«Снасти дрожали от натуги: межпланетный ветер уже наполнил круглый парус» — так начинает он свое повествование о межпланетных гонках по трассе Земля-Луна-Земля на солнечных яхтах, то есть аппаратах, которые приводятся в движение давлением света. Кларк пишет, что парящему в невесомости командиру одной из яхт Джонгу Мертону не зря показалось, что «парус заполнил все небо»: 50 млн квадратных футов было соединено с его капсулой чуть не сотней миль такелажа. «Если сшить вместе паруса всех клиперов, которые в прошлом белыми тучками летали над Индийским океаном, то и тогда они бы не сравнялись с парусом, в который „Диана“ ловила солнечный ветер. А вещества в нем чуть больше, чем в мыльном пузыре; толщина алюминированного пластика — всего лишь несколько миллионных дюйма».

Работа над первыми солнечными яхтами идет полным ходом. В нашей стране одна из первых прикидок, например, была осуществлена в рамках проекта на лучший солнечный парусник, объявленного конгрессом США. В 1992 году должна была состояться международная космическая регата «Колумбус-500» в честь 500-летия открытия Нового Света экспедицией Колумба. Планировалось запустить как минимум три парусника, представляющих соответственно Америку, Европу и Азию. Из европейцев в конкурсе участвовали итальянские специалисты, группа британских разработчиков, франко-испанский альянс и два российских коллектива.

И хотя по разным (прежде всего финансовым) причинам гонки не состоялись, подготовка к регате «Колумбус-500» вызвала небывалый всплеск идей. Причем справедливости ради надо отметить, что А. Кларк довольно точно описал возможные варианты космических летательных аппаратов с солнечными парусами (КЛАСП). Среди них вполне могут быть и парусники-"зонтики", и «баллоны», и «парашюты», и «роторы»… К последнему виду, например, относился наш «Витязь», разработанный командой конструкторов под руководством Александра Лавренева. Две пленочные бескаркасные лопасти, каждая длиной 845 и шириной 7,1 м, должны были стабилизироваться за счет центробежных сил, неизбежно возникших бы при вращении лопастей вокруг центра.

А вот американцы из Университета им. Дж. Гопкинса отдали предпочтение зонтичной структуре, которая, подобно «Витязю», должна была развернуться из компактной упаковки уже в космосе.

Совершив гравитационный маневр в поле тяготения Луны, КЛАСПы должны были полететь дальше, к Марсу и затем — к окраинам Солнечной системы. Да вот не получилось…

А жаль, ведь такой полет можно было бы рассматривать как предпосылку к созданию более совершенных КЛАСПов, способных выполнять роль межорбитальных буксиров и даже разведчиков дальнего космоса. Например, в журнале «Нью Сайнтист» недавно был опубликован проект создания космического корабля «Старвисп» — «звездный пучок». Он будет представлять собой парус-сетку шестиугольной формы около 1 км в поперечнике и массой всего-навсего… 20 г! Сетка будет сплетена из множества шестиугольных ячеек, в пересечениях которых расположатся микросхемы, обладающие развитой логикой и образующие в целом суперкомпьютер. Кроме того, каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как фотоэлемент.

Двигать такой КЛАСП будет уже не Солнце — его свет слишком малодейственен за пределами Солнечной системы, — а мощный мазер (лазер, излучающий в невидимой части электромагнитного спектра), расположенный на околоземном спутнике. Луч, посылаемый таким генератором, будет дополнительно фокусироваться и направляться на парус специальной системой — линзой Френеля. Размер ее — около 50 км в поперечнике.

Сфокусированный на парусе луч позволит развить ускорение в 155 раз больше земного. За неделю корабль достигнет скорости 60 тыс. км/с. Затем мазер будет выключен и движение продолжится по инерции.

Когда корабль пройдет три четверти пути до ближайшей к нам звезды Проксима Центавра, расстояние до которой составляет 4,3 световых года, центр управления включит мазер и переключит все 10 трлн микросхем зонда в режим фотоприемников. Таким образом получится огромный «глаз», который увидит все, что происходит в окрестностях звезды. По мере накопления информации парус выполнит и еще одну функцию — передающей антенны: все сведения будут переправлены на Землю.

Если полученные данные окажутся интересными, а сам проект успешным, вслед за «Старвиспом» в путь отправятся другие парусники, в том числе и с экипажем на борту. Но экипажу ведь нужно возвращаться назад, и авторы проекта рассчитали все до мелочей. В конце пути от «зонтика» отделится его внешняя кольцевая часть; она-то и послужит зеркалом-ретранслятором, которое развернет излучение на 180 градусов и сфокусирует его, чтобы можно было сначала затормозить центральную часть «зонта», где расположена кабина экипажа, а потом разогнать ее снова в обратном направлении.

При подлете к Земле мазер сработает еще один раз и притормозит корабль путешественников. Авторы проекта утверждают, что полет к ближайшей звезде, а также возвращение домой может занять не так уж много времени — 51 год по земному летосчислению. Причем вследствие того что корабль будет двигаться с околосветовыми скоростями, члены экипажа, согласно теории Эйнштейна, состарятся за это время на 46 лет.

…Перечисленные идеи показались специалистам настолько интересными, что НАСА и Ассоциация университетских космических программ ныне финансируют проект «Аполлон Лайткрафт», в рамках которого изучаются возможности вывода в космос различных аппаратов, работающих на солнечной энергии. Однако подводные камни ждут строителей таких кораблей вовсе не там, где их можно было бы ожидать.