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.
Согласно основному постулату теории относительности максимально возможная скорость в природе есть скорость света — 300 000 км/с. Естественно, эта скорость будет предельной и для скорости истечения в ракетных двигателях. Скорости, близкие к скорости света, можно получить в электрических двигателях, например в электронных или ионных ускорителях. Однако, как это следует из общефизических соображений, в этом случае энергию, затрачиваемую на ускорение частиц, более целесообразно с точки зрения получения максимальной характеристической скорости использовать для создания тяги с помощью электромагнитного излучения.
Известно, что электромагнитное излучение, к которому относится и видимый свет, оказывает давление на материальные тела. Соответственно этому излучающее тело испытывает импульс отдачи фотонов электромагнитного поля. Поэтому каждое направленно излучающее тело может являться фотонным двигателем. Реактивная тяга направленного излучения равна мощности излучения, деленной на скорость света, т. е. каждый 1 кВт излучаемой мощности создает тягу 3,3· 10–7 кгс.
Простейшим фотонным двигателем может быть заэкранированный с одной стороны холодильник-излучатель. Поскольку в энергию струи электрореактивного двигателя переходит около 10 % энергии, вырабатываемой бортовой энергоустановкой, то при скорости истечения, равной 0,1 скорости света, тяга, создаваемая холодильником-излучателем, становится сравнимой с тягой двигателя.
Несмотря на относительную простоту фотонных двигателей, их нецелесообразно применять с любыми, используемыми в настоящее время источниками энергии, включая термоядерные. Обычно в энергию переходит лишь часть массы источника: для ядерных реакций деления — 0,5 %, для термоядерных — 0,15 %. Если в качестве рабочего тела использовать лишь фотоны, то одновременно с полезным грузом придется разгонять до конечной скорости и продукты реакции. Поэтому фотонные двигатели имеет смысл использовать лишь в сочетании с источниками энергии, в которых вся масса или по крайней мере ее большая часть преобразуется в энергию. Таким источником по современным представлениям может быть лишь реакция аннигиляции, т. е. взаимодействие частиц и античастиц.
Для синтеза античастиц (например, антипротонов) необходимы мощные ускорители, причем выход античастиц в реакции очень мал. Считается, что для получения энергии в 1 Дж, заключенной в антипротонах, потребуется затратить электроэнергии не менее 100 кДж. Таким образом, накопление сколь-нибудь значительного количества антивещества находится за пределами возможностей современной техники.
Другой проблемой, возникающей при реализации фотонных двигателей, является хранение антивещества. Поскольку материал конструкции ракеты является обычным веществом, то должен быть исключен всякий контакт антивещества со стенками баков. Поэтому антивещество может быть «подвешено» в электрических или магнитных полях.
Требования к системе теплосъема в фотонных двигателях будут чрезвычайно жесткими. Реализуемые в настоящее время системы теплоотвода, включая холодильник-излучатель, имеют массу не менее 0,01 кг на 1 кВт сбрасываемой мощности. В этом случае, даже если пренебречь другими составляющими ракеты, она будет иметь ускорение не более 2 · 10–4 м/с2, и разгон такой ракеты до скорости всего 10 км/с будет продолжаться более года.
Из всего сказанного следует, что создание фотонного двигателя дело чрезвычайно отдаленного будущего. Ряд исследователей подвергают сомнению рациональность и даже принципиальную возможность его создания, другие прямо относят фотонный двигатель к области научной фантастики.
ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ВНЕШНИМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
Выше были рассмотрены требования, предъявляемые к перспективным космическим двигательным системам автономного типа, и показано, как эти требования определяют направления развития автономных двигательных систем. В автономных системах энергия и масса, необходимые для создания тяги и разгона космического аппарата, находятся на самом аппарате. Поэтому прогресс в развитии таких двигателей связан с улучшением удельных энергетических характеристик, т. е. с увеличением количества энергии, запасенной на единицу массы рабочего тела.
Ситуация меняется, если источник энергии, с помощью которой создается тяга, находится вне аппарата. В этом случае указанная характеристика теряет смысл. Однако по-прежнему важно, какое количество энергии поступает в двигательную установку и насколько — поступающая энергия пригодна для разгона рабочего тела.
Если на время отвлечься от вопросов преобразования поступающей извне энергии в кинетическую энергию истекающего с высокой скоростью рабочего тела, основным фактором становится количество энергии, подводимой к двигательной установке в единицу времени. Отсюда следует, что характеристики двигательной установки космического аппарата не зависят от массы и удельных характеристик источника энергии, а определяются мощностью внешнего источника и эффективностью передачи энергии от источника в двигательную установку космического аппарата.
Как и в случае автономных двигателей с разделенными источниками энергии и массы, в двигателях с внешним источником энергии с увеличением мощности, вводимой в двигательную установку, уменьшается и расход массы рабочего тела на создание единицы тяги, поскольку растет скорость истечения рабочего тела. Если скорость истечения становится выше 4,5–5 км/с, ракета или космический аппарат, оснащенный двигательной системой с внешним источником, начинает превосходить аппараты с ЖРД по такой важной характеристике, как отношение массы полезной нагрузки к: стартовой массе.