Данный винтажный материал выкладывается на сайт в честь Дня космонавтики.
МОРЕ НЕИСЧЕРПАЕМОЙ ЭНЕРГИИ
Высоко над нами, в верхних слоях атмосферы, скрыты неисчерпаемые запасы энергии. Использовать их особенно удобно для летательных аппаратов: трансконтинентальных самолетов, искусственных спутников Земли и межпланетных ракет.
Эту энергию доставляют на Землю излучения Солнца, звезд, космические лучи и метеоры. Пробиваясь сквозь атмосферу, они производят огромную работу. В безоблачный день чистый и сухой воздух поглощает все вредные для жизни излучения и регулирует поступающую на Землю энергию с величайшей точностью, пропуская около двух малых калорий излучения в минуту на 1 см² поверхности Земли. Пока энергия этих излучений велика, они от атомов азота и кислорода – основных газов атмосферы – отрывают по одному или по нескольку электронов (то есть ионизируют газы), а также расщепляют молекулы газов на атомы (диссоциируют их).
Как происходит диссоциация молекул? Обычно кислород состоит из молекул, имеющих размер около 0,0000003 миллиметра. В нижних, плотных слоях воздуха, куда проникают лучи только небольших энергий, два атома кислорода, крепко связавшись друг с другом внешними электронами, бесконечно кружатся один возле другого. Однако в верхних слоях атмосферы, куда доходят еще не ослабленные лучи, кислород в виде молекул находится только ночью. Первые косые лучи Солнца сначала заставляют атомы этого газа слегка отодвинуться друг от друга, а потом, когда интенсивность и энергия солнечного излучения увеличиваются, оно и вовсе отрывает атомы один от другого. При этом Солнце придает атомам кислорода весьма большую энергию и препятствует их обратному соединению в молекулу.
Ионизация кислорода под влиянием излучений происходит так. Нейтральный атом кислорода состоит из ядра, имеющего положительный заряд, и восьми отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. При достаточно сильном облучении один из электронов наружной электронной оболочки отрывается и покидает атом, который, таким образом, приобретает положительный заряд. Очень сильное облучение может оторвать от атома два, три и даже больше электронов. При этом атом поглощает каждый раз все больше и больше энергии.
Вот на эту-то работу, совершаемую по пути сквозь атмосферу, и затрачивается энергия излучений Солнца, космических частиц и метеоров. Если на высоте 250 км, где энергия излучений способна расщепить почти все молекулы, газы находятся только в атомарном виде, то ближе к Земле количество атомарных газов становится все меньше и меньше.
Чтобы ионизировать газы, надо затратить много больше энергии, чем на то, чтобы диссоциировать их. Например, чтобы от электронной оболочки кислорода оторвать один электрон, надо на каждый килограмм газа потравить около 9800 ккал (больших калорий) энергии, в то время как на диссоциацию этого же количества кислорода расходуется только около 3700 ккал. Таким образом, когда приходящее излучение уже потеряло столько энергии, что не может ионизировать газ, оно имеет еще достаточно энергии для его диссоциации.
В результате работы всех видов излучений в атмосфере образуются различные слои с разной степенью ионизации газов – ионосфера. На широтах от тропика Рака до тропика Козерога, где Солнце светит всего сильнее и воздух относительно более разрежен, слои диссоциированного кислорода в полдень могут находиться на высотах от 40–50 км над уровнем моря, причем чем ниже, тем меньший содержится в них процент диссоциированного кислорода.
Слои атмосферы непостоянны по степени ионизации и происходящим в них процессам. Когда Солнце стоит в зените, его лучи всего «сильнее» удерживают атомы и молекулы газов в ионизированном и диссоциированном состоянии. Когда же Солнце начинает опускаться к горизонту, путь его лучей в воздухе удлиняется, диссоциированные слои поднимаются выше, а в нижних слоях начинается так называемая рекомбинация: атомы снова соединяются друг с другом. При этом высвобождается та энергия, которую они получили от Солнца. Эта энергия выделяется теперь в виде тепла и света. Ионизированные атомы при рекомбинации жадно захватывают близ расположенные электроны и тоже выделяют энергию. Энергия эта огромна. Только при рекомбинации диссоциированного кислорода выделится 848 ккал на каждый кг воздуха. При быстрой рекомбинации этого количества было бы достаточно для того, чтобы нагреть весь воздух этого слоя более чем на 3000°С. Более того, если бы весь кислород вдобавок был еще хотя бы единожды ионизирован, то он выделил бы еще по 1960 ккал на 1 кг воздуха. Наконец, если в воздухе будет еще диссоциирован весь азот, то на 1 кг воздуха выделится еще по 4250 ккал.
И эта гигантская энергия пока что пропадает без пользы для человека.
НЕОБЫКНОВЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Мы уже видели, что днем лучи Солнца препятствуют диссоциированным атомам кислорода соединиться друг с другом. Однако имеются вещества, которые как бы «лишают» лучи Солнца этой способности. Эти вещества могут быть газообразными, жидкими, в виде пара или твердыми, в мелко распыленном состоянии. Все они действуют как катализаторы, то есть не соединяются с газом во время рекомбинации его атомов, а помогают реакции лишь своим участием и присутствием. Достаточно ввести в атомарный газ такой катализатор, и диссоциированный газ почти мгновенно превращается в молекулярный, выделяя всю заключенную в нем энергию. Катализатора при этом расходуется ничтожно малое количество. Если б он не разрушался под действием высоких температур, то даже небольшого его количества было бы достаточно, чтобы неограниченное количество диссоциированных газов соединилось в молекулы. Если катализатор вводить под большим давлением и придать ему еще и большую скорость, то газ рекомбинируется еще быстрее.
Оказывается, это явление можно использовать для разгона и торможения самолетов и ракет.
В 1954 году была предложена идея двигателя для самолетов и ракет, который мог бы использовать естественные атомарные газы атмосферы.
На рисунке ниже показана предположительная схема двигателя, использующего явление диссоциации атомов. Каково будет действительное его устройство и размеры, сказать еще очень трудно. Из схемы видны отличия этого двигателя от всех других и легко понятен принцип его действия.
Струя воздуха, содержащего на большой высоте почти чистый атомарный кислород, втекает в заборное отверстие двигателя, имеющее широкое сечение. Постепенно уплотняясь, он достигает участка с самым узким сечением. Здесь в рабочем пространстве в него впрыскивается катализатор, благодаря чему в струе воздуха происходит рекомбинация атомарного кислорода в молекулярный с выделением большого количества тепла. Сильно нагретый и расширившийся воздух затем устремляется по постепенно расширяющемуся каналу сопла и вылетает из него со скоростью, намного превосходящей ту, с которой он вошел в двигатель. Так возникает разница в скоростях входящего и выходящего воздуха – реактивная тяга, подталкивающая двигатель вперед.
Посредине двигателя расположено центральное тело – конический стержень, который может передвигаться как вперед, так и назад, причем в крайнем заднем положении он закрывает самое узкое сечение канала, перекрывая поток воздуха. На нем также располагаются форсунки для впрыскивания катализатора. При передвижении стержня вперед катализатор будет поступать в рабочую камеру со все большим опережением, а одновременно будет увеличиваться и проход для воздуха, благодаря чему возрастает и скорость потока воздуха.
Катализатор впрыскивается через два ряда отверстий – форсунок. Верхний ряд этих отверстий с помощью несложного механизма может работать лишь при крайнем заднем положении центрального тела, когда проход воздуха через двигатель наглухо закрыт. В таком положении реактивная сила от соединения атомарного кислорода будет направлена вперед, что позволяет использовать двигатель для торможения.
Впрыскивание катализатора производится частыми мельчайшими порциями, причем при разгоне продолжительность впрыскивания должна занимать от 1/500 до 1/10000 доли секунды. При торможении, а также при крейсерском полете на высоте в пределах атмосферы впрыскивание производится реже, примерно каждую 1/100 долю секунды. Порция катализатора во всех случаях подается одна и та же: доли грамма.
Так как в горле сопла развивается очень высокая температура, то для его охлаждения по кольцевому каналу, располагаемому вокруг сопла, должен непрерывно циркулировать жидкий металл или сплав. Внутри ракеты этот металл отдает свое тепло воде и превращает ее в перегретый пар. В свою очередь, циркулируя по замкнутому кругу, перегретый пар проходит сквозь турбину, отдает ей свою энергию и конденсируется снова в воду. Энергия турбины используется для выдвижения воздушных заслонок ракеты, вращения моторов, осуществляющих впрыскивание катализатора, работы насоса системы охлаждения жидким металлом и т. д.
Участок самого узкого сечения двигателя приходится делать чрезвычайно коротким. Это необходимо потому, что диссоциация газов может происходить не только при излучений, но и при высоких температурах. В этом случае если горло сопла сделать слишком длинным, то под действием высокой температуры кислород успеет снова диссоциироваться, даже несмотря на присутствие катализатора, и, естественно, никакого приращения движения не произойдет, так как при диссоциации кислорода в противоположность рекомбинации его энергия не. выделяется, а поглощается.
Если удастся найти твердый катализатор, то схема двигателя еще более упростится. Тогда за центральным телом достаточно будет поставить решетку (сетку) из такого твердого катализатора, и вся система впрыска окажется ненужной, как и запас жидкого катализатора. Примерно так же (с решеткой) может выглядеть и схема двигателя, использующего энергию только ионизированных, но не диссоциированных газов, только в этом случае сквозь решетку необходимо пропускать электрический ток.
ЛЕТАЮЩИЕ ПИРАМИДЫ
Подсчитано, что для разгона ракеты диаметром 27 м с описываемым двигателем со скорости 2 км/сек до скорости 11,2 км/сек расход катализатора – азотистого ангидрида – не превысит 1000 кг. При использовании же твердого катализатора его потребуется еще меньше.
Сама ракета должна быть по меньшей мере двухступенчатая. Первой ступенью могут быть особо мощные жидкостно-реактивные или какие-то другие двигатели, например использующие для разгона атомарный водород, взятый с собой с Земли. Назначение первой ступени – поднять ракету к слою атомарных газов атмосферы и сообщить там летательному аппарату нужную для работы его двигателей скорость.
Наиболее приемлемой формой для такой ракеты была бы пирамида. Для самолета, имеющего крылья, возможен также фюзеляж в виде конуса. Но пирамида лучше. В самом деле, при монтаже она очень устойчива. В наибольшем квадратном сечении такой ракеты можно расположить много двигателей первой ступени, что позволит ракете иметь при взлете большую суммарную тягу их. Вместо рулей на такой ракете могут быть применены воздушные заслонки, которые, во-первых, занимают мало места, а во-вторых, при закрытом положении служат дополнительной защитой фюзеляжа. При вертикальном подъеме такой ракеты можно регулировать направление также изменением силы тяги двигателей первой ступени. При ракете в форме конуса она, если не будет иметь крыльев, начнет вращаться вокруг оси, чего не произойдет при пирамидальной форме. В то же время при опорожненных баках первой ступени относительный вес, приходящийся на 1 м² наибольшего сечения ракеты, будет столь невелик, что она при разгоне быстро приобретет нужную скорость, а при движении в атмосфере в положении широкой частью вперед начнет парашютировать, что облегчит посадку.
На пирамидальной ракете двигатели располагаются в самом ее основании по краям. Чтобы не увеличивать сопротивление воздуха при движении ракеты в плотных слоях, двигатели при подъеме спрятаны в теле ракеты и выдвигаются только в рабочем слое. После выдвижения двигатели сплошным квадратом без каких-либо промежутков или щелей опоясывают самую широкую часть ракеты. Это происходит при ее движении по линии, почти концентричной поверхности Земли. В это время все топливо первой ступени, заполнявшее баки ракеты при подъеме, будет израсходовано. От ракеты останется, по существу, только каркас, обтянутый тонкой металлической оболочкой, двигатели, бак с катализатором и полезный груз, так как все остальное (двигатели первой ступени, баки или часть их и т. д.) может быть сброшено на землю на парашютах. В то же время сквозь двигатели на такой облегченной ракете будет проходить почти весь воздух с большой поверхности всей ракеты.
Тяга такой ракеты будет в идеальном случае равна (при использовании только атомарного кислорода) приблизительно 120 кг с каждого 1 м² лобового сечения ракеты (на высоте 60 км над экватором в полдень при средней активности Солнца). Это значит, что при длине стороны в 5 м тяга будет равна 3 т, а температура нагрева воздуха в двигателях составит от 840 до 1400°С. Это не так уж много при столь больших размерах ракеты. Однако при огромных размерах ракеты – длина ее стороны должна быть около 60 м! – мыслится возможным полет на Марс с пассажирами. При скорости 2 км/сек и максимальной диссоциации 50%, при плотности 1/1000 от плотности у Земли такая ракета соберет со всей площади энергию, равную почти 1,6 млрд. кгм или 1,6 млн. тонна-метров в секунду при весе в 340 т.
Само собой разумеется, подобная ракета будет построена не сразу.
Прежде следует провести экспериментальные полеты самолета с двигателями на концах крыльев. Будет проверена их работа и уточнена величина диссоциации кислорода на высотах 50–60 км. Затем двигатели могут служить только для поддержания максимальной скорости больших трансконтинентальных самолетов и больших искусственных спутников Земли, а разгоняться эти спутники и самолеты будут другими двигателями. Наконец эти двигатели можно использовать для разгона большого искусственного спутника Земли и создания на большой высоте постоянной астрономической и геофизической лаборатории, обслуживаемой людьми. Только после этого станет возможным создание ракеты и для полета на другие планеты.
При возвращении в атмосферу Земли такая ракета влетает в положении широкой частью, а следовательно, и двигателями вперед. Центральное тело закрывает «горло» канала, взрывы направляются вперед, что помогает гасить скорость в слое атомарных газов. Кроме того, ракета в промежутках между взрывами парашютирует.
Максимальная скорость, которая может быть достигнута с помощью двигателей, как показывают расчеты, приближается к 17 км/сек. До Марса при скорости 16 км/сек можно добраться за три месяца.
Атомарные газы есть не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах Венеры и Марса. Это делает возможным в отдаленном будущем совершить посадку и на эти планеты.
Вопрос практической осуществимости ПАРДа предстоит решить науке завтрашнего дня, а идея его весьма заманчива. Ведь так может быть использована энергия, которую рождают лучи Солнца высоко над Землей.
источник: А. ЮРЬЕВ, инженер; Рис. Ю. СЛУЧЕВСКОГО и А. КАТКОВСКОГО «Окно в будущее. ПАРД — сердце планетолетов» «Техника-молодежи» 12/1958
