Фабрика на борту

Алексей Осокин
(по материалам журнала "Техника Молодежи" № 4'2000)

Из всех известных химических реакций наибольшим энерговыделением сопровождаются процессы окисления водорода (118 тыс. кДж/кг) и стоящая уже между химическими и ядерными реакция рекомбинации атомарного водорода - 224 тыс. кДж/кг. Теплоемкость атомарного водорода почти в 2 раза выше, чем у гремучей смеси, молекулярная масса в 9 раз меньше, а, значит, для ракеты-носителя «на атомарном водороде» масса топлива почти равна массе конструкции, тогда как у традиционных ракет - даже лучших из них - она минимум в 10 раз больше. То есть современный истребитель, используй он атомарный водород как топливо, может не только выйти на орбиту, но и совершить полет к Луне и обратно!..

Эти фантастические выводы хорошо известны («ТМ» писала об атомарном ракетном топливе еще в 1958 г. - Ред.), и давно бы уже не было проблем с самым широким освоением космоса, да вот беда - время существования атомарного водорода в обычных условиях не превышает полусекунды, и даже сверхнизкие температуры не сильно изменяют эту цифру. Однако нам ведь не нужно иметь на борту ракеты именно ЗАПАС атомарного водорода - нам требуется его энергоемкость В МОМЕНТ РЕАКЦИИ в ракетном двигателе. Поэтому проще ПОЛУЧАТЬ атомарный водород непосредственно перед его использованием, в ракете, а точнее - прямо в двигателе.

В самом деле, чтобы получить атомарный водород, надо сообщить ту же энергию (224 тыс. кДж/кг) молекулам обычного водорода. Разумеется, источник этой энергии должен быть вне ракеты. Но как раз это-то и не проблема после изобретения Басовым лазера и освоения СВЧ-излучения. Таким образом, энергию для полета ракета получает извне, а хранение на борту молекулярного водорода - вполне решаемая техническая задача.

Рассмотрим, как это может реализоваться на практике. Атомарный водород получают обычно двумя способами: при накаливании металлов - катализаторов (платины, палладия, вольфрама и др.) в сильно разреженном (менее 0,01 атм.) водороде - и при пропускании водорода через вольтову дугу. Первый метод (рис. 1б) очень хорошо подходит для полетов за пределами атмосферы. При этом энергию для нагрева металлов - катализаторов могут поставлять орбитальные энергостанции.

Сложнее при старте с Земли, когда в плотной атмосфере надо пропускать водород через вольтову дугу. Это, конечно, возможно, но КПД преобразования лазерного излучения в постоянный разряд будет очень мал. Лучше подобрать такую частоту лазерного излучения, чтобы оно более полно поглощалась молекулами водорода, а энергия квантов была бы равна энергии связи атомов в водороде. Длина волны тогда должна быть немногим более 3000 ангстрем - далекий ультрафиолет, еще пропускаемый земной атмосферой. Возможно, придется использовать вещество - посредник (рис. 1а), например - жгут сильно ионизированной плазмы, поддерживаемой лазерным излучением, энергии которой достаточно для диссоциации водорода. Вероятно, удобнее всего будет стартовать обычным, «самолетным» образом, благо масса такой - «лазер - атомарно-водородной» ракеты не очень отличается от среднего реактивного самолета. Дальнейший разгон должен происходить по спирали над местом расположения лазерной станции.

Конечно, идея применения лазеров для полета не нова (этим занимаются, например, в МФТИ), но до сих пор предлагалось использовать в качестве рабочего тела часть ракеты, испаряемую лазерным излучением. Понятно, что при этом большая часть энергии идет на разогревание и испарение, а самое главное - образовавшиеся газообразные продукты не имеют и не могут иметь необходимой скорости истечения. Это, кстати, толкает исследователей на применение в такой лазерной ракете материалов со все большей плотностью (металлического урана, например), для увеличения импульса, передаваемого ракете испаряющимся веществом.

Описанная же комбинация атомарно-водородного двигателя и лазерного энергоснабжения дает самое важное - РЕАЛЬНОЕ достижение необычайно высокой скорости истечения вещества. Причем использование атомарного водорода как топлива требует не отказа от ракетных двигателей, а их модернизации на основе существующих разработок. Крайне полезными при создании описанных аппаратов окажутся также полученные в ходе реализации программ СОИ и контр-СОИ достижения в лазерной технике.

Вообще, сегодня в развитии космической техники во главу угла ставится рентабельность запусков, возросли требования к экологической безопасности, но, с другой стороны, необходимы новшества, влияющие на умы и сердца людей (и правительств, финансирующих космонавтику). Предлагаемая концепция удовлетворяет этим требованиям и, можно надеяться, ее разработка станет важным стимулом подъема в ракетно-космической технике.