Космические двигатели будущего

Кошелев Владимир Алексеевич

При темплосъеме, использующем рабочее тело, скорость истечения снизится в 3 раза, и соответственно тяга возрастет до 30 000 тс. Для создания такой тяги потребуется расход рабочего тела в 1000 кг/с. Ракета массой 10 000 т с таким двигателем могла бы достичь скорости 100 км/с за время, немногим более 1 ч.

Более близкими к реализации, однако, представляются схемы двигателей с термоядерными микровзрывами. Эти двигатели довольно широко обсуждались в печати, опубликовано несколько концептуальных проектов этих двигателей. Суть термоядерных микровзрывов состоит в так называемом инерциальном удержании плазмы, когда реакция успеет произойти раньше, чем под воздействием высоких температур, необходимых для поджига термоядерной реакции, разлетится разогретое термоядерное горючее.

В упомянутой ранее схеме стационарного термоядерного реактора основная и до сих пор не решенная проблема состоит в удержании горячей плазмы магнитным полем. Для получения управляемой термоядерной реакции при температуре в несколько миллионов градусов должен выполняться критерий Лоусона n >=10¹⁴, где n — концентрация частиц (число атомов в 1 см³), а — время. При инерциальном удержании критерий Лоусона выполняется за счет резкого повышения концентрации, в результате на столько же сокращается время, необходимое для протекания термоядерной реакции.

Это достигается симметричным импульсным облучением небольшой мишени ядерного горючего, используя излучение мощного лазера или высокоинтенсивные потоки заряженных частиц (электроны и ионы). Причем поток энергии во время импульса должен резко нарастать. В результате облучения происходит интенсивное испарение поверхностного слоя мишени, так называемая абляция. Испаряющиеся частицы приобретают большую скорость и, подобно тому как это происходит в реактивных двигателях, создают импульс отдачи, что приводит к развитию громадного давления, достигающего многих миллиардов паскаль.

Эффект абляции многократно усиливается сходящейся ударной волной, в результате в центре мишени плотность горючего возрастает в несколько тысяч раз, а давление достигает величины, соответствующей давлению в центре звезд (около 10¹⁶ Па). При этом происходит разогрев термоядерного горючего и наступают условия для протекания термоядерной реакции.

Для осуществления микровзрыва достаточны мишени массой всего 0,001 — 0,01 г. Такой массе соответствует энергия микровзрыва 10⁸ — 10¹⁰ Дж. Около 80 % вещества мишени уносится в результате абляции и в реакции не участвует; кроме того выход реакции едва ли превысит 30 %. В результате предельная скорость истечения для термоядерных микровзрывов будет составлять около 6 · 10⁶ м/с, что соответствует удельной тяге 6 · 10⁵ с. Для взрывов, инициируемых пучками электронов, необходимо окружать мишень оболочкой из элементов с большим атомным весом, что еще более снизит предельную скорость истечения.

Схема двигателя с использованием термоядерных микровзрывов приведена на рис. 7, б. Принципиальное отличие таких двигателей от двигателей на трансурановых элементах состоит в наличии системы инициирования термоядерной реакции и источника электрической энергии для ее питания. Система инициирования представляет собой либо набор источников светового излучения, либо ускорителей заряженных частиц, расположенных таким образом, чтобы по возможности симметрично облучать мишень. В качестве источника излучения может использоваться один мощный лазер с разделением его луча на несколько или комбинацию лазеров.

Мишень выстреливается в пространство над отражателем, и в тот момент, когда она проходит точку фокусировки лучей, создается поджигающий импульс. Термоядерная плазма отражается от магнитного поля, создаваемого сверхпроводящими соленоидами, и выбрасывается во внешнее пространство, создавая реактивную тягу. Для выработки электроэнергии могут использоваться либо специальные соленоиды, либо те же соленоиды, которые являются источниками защитного магнитного поля. При взаимодействии движущейся плазмы с магнитным полем в соленоидах находится ЭДС, и вырабатываемая электроэнергия идет на генерацию последующего импульса.

В американском проекте термоядерного двигателя с лазерным поджигом реакции предполагается использовать лазер с энергией в импульсе 1 МДж, длительностью импульса 10 нс и частотой следования импульсов 500 Гц. Масса лазера оценивается в 150 т. При энергии, выделяемой в одном микровзрыве, 10⁸ Дж такой двигатель, по расчетам авторов проекта, может разогнать полезный груз массой 100 т до характеристической скорости 10 км/с за одни сутки. Для этого потребуется около 10⁸ микровзрывов.

Английские исследователи в проекте двигателя на термоядерных микровзрывах предлагают осуществлять инициирование термоядерной реакции с помощью электронных ускорителей. Частота следования «поджигающих» импульсов составляет 100 Гц, энергия в каждом микровзрыве 10¹¹ Дж. В двигателе для разгона полезного груза 100 т до скорости 0,15 скорости света сжигается несколько сотен тонн термоядерного горючего в течение года.

Основной трудностью при создании импульсных термоядерных двигателей является разработка системы инициирования реакции. Именно отсутствие соответствующих лазерных и ускорительных устройств определенным образом сказывается на том, что до сих пор не осуществлена управляемая термоядерная реакция. Масса инициирующей системы пропорциональна энергии микровзрыва, поэтому желательно иметь как можно меньшее энерговыделение в каждом взрыве. Но тогда при заданной тяге должна быть обеспечена высокая частота повторения импульсов, а для достижения заданной характеристической скорости — соответственно большее их количество. Допустимое же число импульсов ограничено ресурсом системы.

В связи с этим советские ученые Е. П. Велихов и В. В. Чернуха предложили способ каскадного поджига термоядерных мишеней. Суть способа состоит в том, что через время около 10^–6 с после поджига первой мишени в область взрыва подается более массивная мишень, на инициирование реакции в которой используется часть энергии первого взрыва. Потом подается мишень еще большей массы и т. д. Используя в каждом каскаде мишени с десятикратным увеличением выделения энергии, можно получить энергию взрыва 10¹⁰ — 10¹¹ Дж для системы инициирования с энерговыделением 10⁸ Дж.

При этом соответственно уменьшается частота повторения импульсов, но в то же время, конечно, увеличивается импульсная нагрузка на отражатель. В каскадной схеме появляется возможность использовать в последующих ступенях каскада более трудновоспламеняемое горючее (например, чистый дейтерий). Это резко сокращает потребность в тритии и одновременно уменьшает выход нейтронов.

Другой не менее важной задачей разработки импульсных термоядерных двигателей является отвод тепла, выделяющегося в конструкции. Как указывалось раньше, в дейтерий-тритиевой реакции до 80 % энергии уносится нейтронами, которые не задерживаются магнитным полем отражателя. Кардинальным решением проблемы было бы использование смеси обычного водорода с изотопом бор-11 в качестве термоядерного горючего. Хотя энерговыделение при сгорании этого горючего меньше, чем для дейтерий-тритиевой смеси, но зато полностью отсутствуют нейтроны. Однако эта реакция требует для своего инициирования более высокой температуры, и освоение ее является делом отдаленного будущего.