Фотонные двигатели что это
Фотонные двигатели что это
ОСНОВЫ ФОТОННОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Михаил Пищулин
Первое место в ряду перспективных источников энергии занимает управляемый термоядерный синтез (УТС). Перспективы, которые обещает осуществление УТС, беспрецедентны по своим масштабам, и это заставляет ученых всего мира упорно штурмовать термоядерную крепость. Этот штурм продолжается более 50 лет, но, к сожалению, несмотря и на беспрецедентные финансовые затраты по этим проектам, человечество не получило еще ни одного ватта обещанной энергии.
Если гипотетически представить, что все трудности в каждом способе УТС (магнитном удержании плазмы, инерциальном синтезе, холодном ядерном синтезе) успешно преодолены и одна из глобальных задач человечества решена, то мы не достигнем главного. Мечта о межзвездных полетах и освоении ближнего и дальнего космоса останется мечтой. Кроме того, без фотонных ракетных двигателей, как средства доставки, наша планета останется слишком уязвимой для космических «странников» типа комет, астероидов.
О высокой эффективности УТС свидетельствует положительный баланс в извлечении энергии. При ядерных реакциях деления можно получить 0,1 % от всей энергии вещества, при ядерном синтезе — примерно 0,6 %. Но теорией не запрещено получение 100 % энергии, что становится возможным при аннигиляции вещества. Безусловно, получить 100 % энергии вещества на современном уровне технологий — не столь близкая перспектива, но о получении энергии в 2. 3 % в земных условиях следует задуматься уже в ближайшем будущем.
С появлением квантовых генераторов возникли новые направления в физике, были открыты ранее неизвестные эффекты. На основе некоторых из них можно создать устройство, позволяющее получить мощное локальное магнитное поле с индукцией 10 12 …10 13 Гс. Такие поля достигаются на стадиях эволюции звезд при быстром сжатии (коллапсе) их ядра с последующим образованием нейтронной звезды.
Создание магнитного поля с индукцией 10 13 Гс
Начиная с 70-х годов прошлого века группа ученых в составе А. Борисова, А. Боровского, В. Коробкина, А. Прохорова и других изучала явление самоканалирования мощных ультракоротких лазерных импульсов в веществе. Этот режим волноводного распространения света в веществе предсказал Г. Аскарьян в 1962 г. Критическая мощность, необходимая для релятивистско-скрикционного самоканалирования ультракороткого импульса, составляет величину Р
3·10 11 Вт. Как установлено, обнаруженный нелинейный режим, приводящий к сильной самоконцентрации оптической энергии в малой области, перемещающейся в веществе, открывает интересные перспективы. Одним из возможных приложений является генерация сверхсильных магнитных полей. В ходе экспериментов с конденсированными средами был обнаружен эффект возникновения лазерной ЭДС в металлах. Лазерная ЭДС проявлялась, когда один из торцов металлического кольца (аналог биттеровского) освещали ультракоротким импульсом лазера с мощностью 1…10 МДж. Выбитые лучом лазера с торца электроны переходили на противоположный торец, отчего возникал импульс тока в 50 кА. Возникающее магнитное поле было порядка 10 7 Гс. Диаметр металлического кольца был на уровне нескольких миллиметров (для уменьшения реактивного сопротивления), а длительность лазерного импульса — примерно t =10 -6 с. При большей длительности импульса кольцо расплавится или его разорвет магнитное поле. Но при импульсе в одну микросекунду в нем не возникали даже механические напряжения.
При экспериментальной работе была получена оценка величины магнитного поля в веществе в самоканалированном режиме: индукция составляет
Для получения более высоких показателей магнитного поля необходимо увеличить плотность электронов в среде (для металлов
10 23 см -3 ) или увеличить диаметр лазерного луча, сохранив интенсивность излучения. В связи с тем, что повышение интенсивности излучения связано с отдаленной перспективой развития лазерных технологий, целесообразно попытаться увеличить плотность электронов. Для этого необходимо разместить соленоиды, подобные биттеровскому, один за другим. При такой компоновке, если лазерный луч или два луча от разных лазеров будут иметь возможность последовательно и кратковременно освещать эмиссионные торцы соленоидов, то при освещении торца первого соленоида в нем возникнет мощный импульс магнитного поля, который по закону электромагнитной индукции произведет разделение зарядов в соседнем соленоиде. Разделение зарядов означает, что электронная компонента (валентные электроны) под действием пандеромоторной силы выталкиваются из объема металла соленоида на эмиссионный торец. Следовательно, на нем произойдет возрастание электронной плотности. Если в этот момент лазерный луч осветит эмиссионный торец соленоида, то значение лазерной ЭДС возрастет. Как следствие, возрастет и возникающее магнитное поле.
Численные расчеты пандеромоторной силы, действующей на свободные электроны во втором соленоиде вследствие влияния магнитного поля В = 10 7 Гс первого соленоида свидетельствуют о возрастании плотности электронной компоненты на эмиссионной поверхности второго соленоида на семь порядков, т.е. показатель плотности близок к значению 10 30 см -3 . Возросшая плотность будет наблюдаться в слое меньшем, чем глубина скин-эффекта для лазерного излучения. Повышение плотности электронной компоненты позволит подойти к значениям магнитного поля с индукцией порядка
Достижению таких значений магнитного поля будет способствовать и оптическое явление, связанное с перестройкой структуры конденсированной среды под воздействием мощного лазерного излучения.
Согласно теории, заряженные частицы при движении в магнитном поле могут изменять направление своего движения. Так, они могут вращаться по ларморовской окружности с определенной скоростью (поперечной скоростью), либо, в более сложном случае, центры ларморовских окружностей могут двигаться вдоль силовых линий.
В общем случае магнитные поля неоднородны, но в микромасштабах напряженность поля меняется очень мало.
Вакуумное рождение частиц
На основе фундаментальных соотношений неопределенности Гейзенберга построены современные квантово-полевые представления о физическом вакууме (ФВ), который не является пустым пространством. В квантовой электродинамике вакуум «мигает» появляющимися полями, «кипит» рождающимися на короткое время электрон-позитронными парами. Такие поля и частицы называются виртуальными. Прямым экспериментальным подтверждением существования ФВ являются такие тонкие физические эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, аномальный магнитный момент электрона, эффект Казимира и ускоренное космологическое расширение Вселенной. В ведущих лабораториях мира ученые пытаются вызвать вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях, основываясь на эффекте, качественно предсказанном еще в 30-х годах ХХ века.
Квантовая электродинамика описывает механизм рождения из вакуума электрон-позитронных пар следующим образом. В силу соотношения неопределенностей возможно кратковременное нарушение закона сохранения энергии и из вакуума может появиться виртуальная электрон-позитронная пара. Если внешнее электрическое поле способно произвести работу, то рождение пары из вакуума становится реальным процессом. Для этого поле должно быть порядка критического: Екр
3·10 16 В/см. В этих условиях вакуум становится неустойчивым и из него могут рождаться электрон-позитронные пары.
Для получения электрических полей с релятивистскими напряженностями используются мощные лазеры до 10 21 Вт/см 2 с высокой фокусировкой лучей и длительностью импульса порядка фемтосекунд, но пока не удается достичь Екр.
В соответствии с кинетическим уравнением (КУ), описывающим нестационарное вакуумное рождение частиц, которое было теоретически обосновано в 1997 г. физиками-теоретиками из разных стран, процессы соударения частиц и их ускорение зависит как от собственного электромагнитного поля, создаваемого частицами, так и внешнего создаваемого сильными полями. В результате КУ и уравнение Максвелла образуют замкнутую нелинейную систему интегродифференциальных уравнений, описывающих совместную эволюцию поля и частиц.
Это означает, что при некоторой плотности рожденных из вакуума частиц необходимо учитывать собственное внутреннее поле. Частицы из виртуального состояния перешли в реальный спектр времени, а это значит, реальным стало их общее электрон-позитронное поле. Это поле может стать равным или больше Екр. Поэтому после короткого импульса внешнего поля, вызвавшего рождение вакуумных частиц, система начнет эволюционировать самосогласованным образом даже после снятия этого поля.
Для достижения той же цели рождение из вакуума электрон-позитронных пар частиц предлагается использовать критическое магнитное поле. Оно было рассчитано А.А. Соколовым, Н.П. Клепиковым и И.М. Терновым в 1953 г., Ю. Швингером в 1954 г. которые получили следующий результат для потребной магнитной индукции так называемого Швингеровского поля
Известно, что затормозить или разогнать частицу гораздо труднее, чем заставить свернуть с пути, не меняя ее скорости. Сила Лоренца не совершает работы, она направлена перпендикулярно вектору скорости частицы, в связи с чем появляется возможность использования порогового эффекта по частоте для виртуальных частиц, рождаемых в вакууме, поскольку при критическом значении магнитной индукции энергия кратковременно появляющихся вакуумных электрон-позитронных пар m·с 2 перейдет в энергию вращения по ларморовской окружности.
Установка на основе лазерной ЭДС создает локальное магнитное поле по порядку Вкр = 10 13 Гс. Следовательно, в таком поле энергия кратковременно появившихся из вакуума частиц m·c 2 перейдет в кинетическую энергию вращения по ларморовской окружности. В режиме «замагничивания» движение виртуальных частиц навстречу друг другу с целью дальнейшей аннигиляции станет невозможным. Поскольку время действия магнитного поля на много порядков превышает время кратковременного появления виртуальных вакуумных пар, то режим «замагничивания» позволяет перевести частицы в реальный спектр времени, т.е. стать наблюдаемыми частицами. В свою очередь, наблюдаемые частицы вызовут эффекты поляризации вакуума, характеризуемые множественным процессом рождения из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар, которые также подвергнутся «замагничиванию». Такой множественный и последовательный процесс рождения и «замагничивания» будет развиваться далее неудержимо и лавинообразно, что приведет к образованию плазменного сгустка.
Как предсказывает кинетическая теория, при определенной плотности рожденных из вакуума частиц их внутреннее электрон-позитронное поле превысит Екр. Следовательно, из вакуума возникнет мощная плазменная осцилляция. На находящуюся в магнитном поле плазму действует выталкивающая (пандеромоторная) сила. Расчет выталкивающей силы, действующую на каждую частицу рожденной электрон-позитронной плазмы в магнитном поле, по порядку равном Швингеровскому, составляет примерно 3·10 4 кг. На основе третьего закона Ньютона одинаковая по модулю, но противоположно направленная сила будет создавать реактивную тягу. Роль прохода для выброса плазмы из магнитного поля осуществляют разрезы в соленоидах. При выходе плазмы из разреза в соленоидах произойдет аннигиляция частиц с образованием гамма-квантов.
Устройство фотонного двигателя
Основой двигательной установки является вращающееся колесо, установленное в горизонтальной плоскости и имеющее жесткое крепление с валом электродвигателя. По периметру колеса установлены наборы биттеровских соленоидов. Каждый набор состоит из тысячи биттеровских соленоидов, объединенных в сегменты (маркерный соленоид и несколько усиливающих). Соленоиды в наборах ориентированы с возможностью освещения их торцов лазерными лучами от установленных по периметру двигателя лазерных пушек. Работа лазерных пушек синхронизирована с маркерными кольцами. С целью увеличения подъемной силы на двигателе можно разместить несколько дополнительных наборов соленоидов по такому же принципу.
Устройство работает следующим образом. Аккумуляторы подают питание на электродвигатель. Происходит разгон колеса до заданной частоты вращения с последующей ее стабилизацией. Через преобразователи накачиваются лазерные пушки, которые работают в импульсном режиме. Синхронно с пространственным положением колеса обеспечивается подача первых импульсов на маркерные соленоиды, которые инициируют начальное магнитное поле, а затем — на следующие за ними. Возникает мощное магнитное поле по рассмотренному ранее механизму. Магнитное поле «замагничивает» виртуальные вакуумные частицы, которые в виде плазменного образования под действием пандеромоторной силы выбрасываются из магнитного поля соленоидов. Для прохода частиц плазмы служат разрезы в соленоидах. При выходе плазмы из магнитного поля соленоидов происходит аннигиляция частиц, т.е. выделяются гамма-кванты. При работе установки накачка лазеров осуществляется от образующихся гамма-квантов. За счет вращения наборов соленоидов и импульсной работы лазеров обеспечивается смена сегментов, попадающих под лазерные лучи, т. е. обеспечивается режим охлаждения.
Такой способ получения энергии имеет огромные преимущества:
Учебно-научный центр фотонной энергетики
Краткая справка
Фотонные энергетические и технологические установки и системы сегодня – это солнечные электростанции и установки теплоснабжения и кондиционирования, солнечные электростанции в космосе и на Земле, это – солнечные тепловые и лазерные ракетные двигатели и энергодвигательные системы космических аппаратов, фотохимические реакторы производства новых конструкционных материалов, фотонные технологические установки наноразмерной обработки и модификации свойств вещества, установки разделения изотопов и утилизации промышленных отходов, фотосинтеза и производства водорода и др.
Основные направления исследований в области фотонной энергетики и фотонных технологий, связаны с разработкой и промышленным применением преобразователей солнечной энергии, лазерного и плазменного излучения в тепловую, электрическую и механическую энергию. Спектр промышленных применений фотонных энергетических и технологических установок и систем непрерывно расширяется.
Оборудование
Основой стендовой базы УНЦ ФЭ является уникальная научная установка (УНУ) «Кластер экспериментально-диагностических электрофизических модулей «Пучок-М» (http://usu—beam.bmstu.ru), предназначенная для исследования экстремальных состояний вещества при многофакторном воздействии высокой плотности мощности (когерентное и широкополосное излучение, пучки заряженных и нейтральных частиц, ускоренные плазменные потоки, сильные ударные волны) на вещество различных агрегатных состояний, в том числе в поле лазерных импульсов ультракороткой длительности, которая входит в каталог центров коллективного пользования, уникальных стендов и установок Министерства образования и науки РФ ( http://ckp—rf.ru/usu/200975/ ).
Развитие УНУ «Пучок-М» поддержано государством в лице Минобрнауки РФ по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы» (уникальный идентификатор работы RFMEFI59014X0001), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (Государственный контракт № 14.518.11.7009).
Кластер «Пучок-М», является экспериментальной установкой, предназначенной для решения широкого спектра задач и фундаментальных и прикладных исследований опто-теплофизических и опто-механических многофакторных процессов взаимодействия когерентного и широкополосного излучения ИК-ВУФ диапазона спектра, потоков нейтральных и заряженных частиц, ускоренных плазменных потоков, сильных ударных волн и комбинированных многофакторных воздействий с конденсированными, газо-плазменными активными средами и конструкционными материалами в газо-вакуумных условиях.
Как объект научной инфраструктуры – уникальность стендовой базы УНЦ ФЭ характеризуется возможностью достижения научных результатов мирового уровня в области радиационной плазмодинамики, физической электроники высокой плотности мощности, экстремальных состояний вещества, непрерывным совершенствованием комплекса приборного и научно-методического обеспечения прецизионных измерений сверхвысокого пространственно-временного разрешения.
Многоуровневый поликанальный лазерный комплекс с источником возбуждения лазерной плазмы
Модуль многофакторного пучкового воздействия высокой плотности мощности
Фотоэлектронный анализатор энергии заряженных частиц с детектором Линке SPECS Themis-600
Научный руководитель
Протасов Юрий Степанович,
д.ф.-м.н., профессор кафедры «Плазменные энергетические установки», заслуженный деятель науки РСФСР, лауреат Государственной Премии СССР, Премий Совета Министров СССР, Премии правительства России в области образования.
Зав. лабораторией
Локтионов Егор Юрьевич,
к.т.н.
Фотонные двигатели что это
Фотонные энергетические и технологические установки и системы сегодня – это солнечные электростанции в космосе и на Земле, солнечные тепловые и лазерные ракетные двигатели и энергодвигательные системы космических аппаратов, фотохимические реакторы производства новых конструкционных материалов, фотонные технологические установки наноразмерной обработки модификации свойств вещества, установки разделения изотопов и утилизации промышленных отходов, фотосинтеза и производства водорода, солнечные электростанции и установки теплоснабжения и кондиционирования, и др.
Основные разделы фотонной энергетики и лучевых технологий (в разрезе учебного цикла):
- основы квантовой электроники и промышленные лазерные установки;
- физико-технические основы прямого преобразования фотонной энергии;
- физическая электроника преобразователей энергии;
- физико-технические основы фотонных энергетических установок;
- диагностика и метрология радиационно-газодинамических процессов взаимодействия излучения с веществом;
- конверторы фотонной энергии в другие виды и формы энергии;
По этому направлению с участием студентов и аспирантов выполняется целый ряд фундаментальных и поисковых НИР по федеральным целевым программам – «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», грантам Российского фонда фундаментальных исследований, президента РФ. Основная тематика выполняемых НИР связана с фундаментальными и прикладными исследованиями динамики оптических, теплофизических, транспортных свойств экстремальных состояний вещества в условиях многофакторного воздействия (когерентное и тепловое коротковолновое излучение, гиперзвуковые потоки излучающей плазмы, потоки заряженных и нейтральных частиц), новых методов коллективного ускорения излучающей плазмы и нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия плазменных потоков и излучения с конденсированными, газовыми и плазменными средами.
ЗАДАЧИ
– Исследование нелинейных оптических, теплофизических и радиационно-газодинамических явлений в ускоренных газово-плазменных потоках сложного химического и ионизационного состава и светоиндуцированных фазовых переходов (конденсированное вещество – газ – плазма), транспортных свойств газово-плазменных сред при многофакторных воздействиях (пучки заряженных и нейтральных частиц, потоки интенсивного теплового и когерентного излучения)
- Исследование эффективности комбинированных (фототермических, ударно-волновых и коллективных) процессов и механизмов ускорения газоплазменных потоков высокой плотности мощности в интенсивных световых полях, в том числе – и в «кильватерных волнах» при фемтосекундном лазерном воздействии (Есв >107 В/см)
- Исследование процессов генерации мощного высокоэнергетичного когерентного и широкополосного излучения БИК–УФ-диапазона спектра, спектрально-яркостных характеристик источников излучения высокой спектральной яркости; диагностика и метрология потоков мощного теплового и когерентного излучения в зоне воздействия
- Экспериментальные исследования термодинамических, оптических, переносных (транспортных) характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в неисследованной области экстремально высоких параметров и плотностей вводимых в среду энергий, в том числе – в условиях интенсивных радиационных и ударно-волновых нагрузок и создание баз и банков экспериментальных данных термодинамических, оптических и транспортных характеристик конструкционных материалов и газово-плазменных активных сред фотонных энергодвигательных установок
Солнечное излучение – экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,051018 кВтч, из них 21017 кВтч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,621016 кВтч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 21012 т условного топлива (т у.т.) в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре (34,2 млрд т у.т.), поэтому преобразование солнечной энергии – перспективный путь развития энергетики.
От ракеты до космического корабля (продолжение)
Пожалуй, надо сказать несколько слов еще об одной веточке, отходящей от газотурбинной ветви, — о турбовинтовых двигателях. Эти двигатели по существу не реактивные, хотя очень похожи на турбореактивные. Основная тяга создается здесь иначе — с помощью воздушного винта, как в обычных поршневых самолетах. А струя вытекающих из двигателя газов тоже дает тягу, но она значительно меньше тяги винта.
Турбовинтовые двигатели очень выгодны при скоростях полета, с какими сейчас летают пассажирские самолеты. При этих скоростях они расходуют меньше топлива, чем турбореактивные двигатели. Вот почему они широко применяются в гражданской авиации на самолетах ТУ-114, ИЛ-18, АН-10.
Вернемся теперь к бескомпрессорным воздушно-реактивным двигателям. Как показывает само их название, у них нет компрессора. И тем не менее они способны развивать тягу. Как же осуществляется в них сжатие воздуха?
Оказывается, это возможно, и даже не одним способом. Вот, например, так называемый пульсирующий двигатель. В нем нет ни компрессора, ни турбины, только одна решетка клапанов перегораживает внутренний канал — тракт. Воздух здесь сжимается потому, что течет через двигатель с перерывами.
Осевой компрессор турбореактивного двигателя.
Пусть произошла вспышка очередной порции топлива. Давление в камере сгорания повысилось, и клапаны в решетке закрылись — они открываются внутрь. Под действием повышенного давления газы с большой скоростью вытекают через сопло наружу. Теперь давление в двигателе понизилось, поэтому клапаны открываются и через них поступает свежий воздух. Затем в камеру сгорания снова подается топливо, снова вспышка, и все идет сначала.
Правда, такой двигатель не очень выгоден: он расходует слишком много топлива. Это и не удивительно: сжатие воздуха в нем все же небольшое. Поэтому пульсирующие двигатели применяются там, где особенно важны простота и малый вес конструкции, а не экономичность.
Иное дело прямоточные двигатели! У них тоже нет компрессора, нет даже решетки клапанов, как у пульсирующих. Это, по существу, пустая внутри труба. Работает она не периодически, а непрерывно, как и газотурбинные двигатели. И все же в ней происходит сжатие воздуха.
Здесь мы встречаемся с явлением, играющим огромную роль во всей современной реактивной технике. Оказывается, когда скорость полета начинает значительно превышать скорость звука, входящий в двигатель воздух в результате торможения сжимается до весьма большого давления. Этот, как его называют, скоростной напор сказывается и при меньших скоростях полета. Он помогает, в частности, компрессору турбореактивного двигателя сжимать воздух. Однако лишь при очень больших скоростях полета давление воздуха в двигателе получается настолько большое, что он начинает хорошо работать без всякого компрессора. Вот поэтому прямоточный двигатель может развивать при огромной сверхзвуковой скорости полета большую тягу и расходовать при этом меньше топлива, чем любой другой реактивный двигатель.
А при малых скоростях и на стоянке он не способен развивать тягу. Поэтому летательные аппараты с прямоточным двигателем должны иметь еще какой-нибудь двигатель, который предварительно разгонял бы их до очень большой скорости.
Вот почему появился своеобразный «гибрид» двигателей обоих типов. На нашем дереве он украшает веточку, соединяющую обе уже известные нам ветви — турбореактивных и бескомпрессорных двигателей. Такие «гибриды» бывают разных типов. Они играют большую роль в реактивной технике. Наш гибрид называется турбопрямоточным. Само название показывает, от каких двигателей он произошел. Это, по существу, два двигателя, поставленные друг за другом: впереди — турбореактивный, за ним — прямоточный. Здесь прямоточный двигатель называют форсажной камерой турбореактивного, так как он используется, лишь когда нужно кратковременно увеличить тягу двигателя — «форсировать» его, например при взлете.
Форсажная камера стала обязательной частью почти всех современных мощных турбореактивных двигателей. Именно с ее помощью достигаются рекордные для современной реактивной авиации скорости полета. Но конструкторов уже не устраивает такое простое сочетание этих двигателей. Они мечтают о более полном использовании преимуществ обоих типов. Хорошо бы, например, на большой скорости полета, когда прямоточный двигатель становится более выгодным, совсем отключать турбореактивный. Пока еще таких конструкций нет, но, безусловно, они появятся.
Обратимся теперь ко второй главной ветви — к ракетным двигателям. Она также делится на две большие ветви и несколько отростков. Одна из этих ветвей — пороховые ракетные двигатели, или двигатели твердого топлива, другая — жидкостные ракетные двигатели. Различие между ними сводится лишь к состоянию топлива, на котором они работают.
Пороховые — самые старые из всех реактивных двигателей. Но их значение теперь снова возрастает. Устройство их очень простое. В камере сгорания помещают заряд твердого топлива. При запуске двигателя оно воспламеняется и сгорает, раскаленные газы вытекают через сопло в атмосферу и создают реактивную тягу. Простота и постоянная готовность к действию — вот положительные качества этих двигателей.
Но есть у них и серьезные недостатки. Главный из них — это то, что остановить уже начавший работать двигатель и вновь запустить его потом невозможно или по крайней мере очень трудно. Понятно, что это ограничивает применение пороховых двигателей в авиации, зато для ракет их используют широко.
Этого недостатка совершенно нет у жидкостного ракетного двигателя. Жидкое топливо позволяет легко управлять двигателем — останавливать его, снова включать, менять тягу,— достаточно изменить количество подаваемого в камеру сгорания топлива.
Жидкостные ракетные двигатели делятся на две ветви по способу подачи топлива в камеру сгорания двигателя. При газобалонной системе в топливные баки подается под давлением газ, который и выдавливает топливо в камеру сгорания. При турбонасосной системе топливо подается насосами, которые действуют при помощи специальной турбины.
Есть и так называемые гидрореактивные двигатели, специально предназначенные для работы под водой, например в водометном катере.
Конструкторы постепенно совершенствуют реактивные двигатели, создают новые их типы. Особенно интересны предположения ученых, относящиеся к двум типам двигателей, пока еще не существующим, но вполне возможно, что будущее принадлежит именно им.
Один из них — ионный. Его принципиальное отличие от всех упоминавшихся выше двигателей заключается в том, что газы из него вытекают наружу не в результате повышенного давления, а под действием электрических сил. Это — электрический ракетный двигатель.
Еще более непохож на обычные так называемый фотонный двигатель. Во всех уже известных нам двигателях наружу вытекают частицы вещества — молекулы газов или ионы. В фотонном двигателе, как показывает само название, реактивную тягу создают фотоны, т. е. кванты света. Таким образом, фотонный двигатель — это, по существу, чудовищной силы прожектор, который будет передвигаться силой отдачи отбрасываемого им сверхмощного пучка света. Космический корабль с фотонным двигателем мог бы донести человека до дальних звезд — ведь теоретически он может развить скорость, близкую к скорости света. Идея фотонного двигателя очень проста, но технологическое ее воплощение связано с громадными трудностями.
Прогресс, достигнутый с возникновением реактивной техники в авиации, огромен. Со старыми, поршневыми двигателями было невозможно преодолеть «звуковой барьер» или хотя бы приблизиться к скорости звука (примерно 1225 км/час). А самолеты с турбореактивными двигателями летают быстрее звука — скорости наиболее совершенных из них значительно больше скорости звука; высота полета достигает десятков километров, а дальность — десятков тысяч километров. Газотурбинные двигатели все шире применяются и на вертолетах.
Большое значение в авиации приобретают ракетные двигатели.
Но особенно велико значение ракетных двигателей для различных беспилотных управляемых летательных аппаратов. В частности, в настоящее время широко распространены ракеты для исследования атмосферы на больших высотах и для других научных работ. Применяются ракеты и в военной технике.
Самые большие и совершенные ракеты — так называемые межконтинентальные баллистические. Это — вершина развития современной ракетной техники, и она достигнута в нашей стране. Как показывает само название, такие ракеты способны перелетать с континента на континент, на расстояние в 8-10 тыс. км и даже более.
Двигатель ракеты работает лишь считанные минуты, при взлете, но разгоняет ее до огромной скорости — в б-7 км/сек. За это время он успевает израсходовать весь запас топлива, который составляет большую часть общего веса ракеты. После остановки двигателя ракета летит по так называемой баллистической кривой, т. е. как артиллерийский снаряд. Поэтому ее и называют баллистической. Она забирается на высоту в тысячу километров и выше, а затем обрушивается на цель. Сверхточные, тонкие, умные приборы управления полетом обеспечивают попадание практически в любую цель на земном шаре. Весь полет ракеты длится примерно 20-30 мин.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
