Научные идеи, поиски, решения

Наука и люди

На острие луча

Несколько десятилетий насчитывает космическая эра. Мы видели десятки стартов к звездам, казалось, должны привыкнуть, но по-прежнему каждый из них вызывает у нас чувства восторга и удивления.

Но ученые и конструкторы, кажется, предпочитают, чтобы старт ракеты был менее эффектным. Нужна ли эта колоссальная, длиной в десятки метров несущая ракета? Ведь сам корабль, который она выводит на орбиту, куда скромнее по габаритам и весу. Это заполненная аппаратурой кабина, в которой живут и работают два-три космонавта, и хотя условия существования там вполне приемлемые, но ни одной вещи сверх абсолютно необходимых и ни сантиметра излишков «жилой площади» не допускается. Чем больше расходуется топлива, тем больше и требуется топлива для подъема самого топлива, тем более громоздки баки. Впрочем, в той или иной мере этим недостатком страдают не только ракеты, а почти все средства передвижения — наземные, водные, воздушные. Единственное исключение — транспорт на электрической тяге: трамваи, троллейбусы, электропоезда. Но они «привязаны» к проводам. Провода в космос, разумеется, не проложишь, но нет ли других, беспроводных средств транспортировки энергии? И первое, что приходит в голову,— это, конечно, лазер... Лазерный луч — мощный поток сконцентрированной в узком пучке электромагнитной энергии, а именно энергия нужна ракетному двигателю, чтобы создавать реактивную тягу и осуществлять движение.

Несколько лет назад советские физики Г. Аскарьян и Е, Мороз впервые обратили внимание на следующий факт. Если на какое-то твердое тело (назовем его мишенью) направить мощный луч лазера, столь мощный, что мишень не успевает плавиться, а сразу же начинает испаряться, то образующийся пар будет вырываться с огромной скоростью и мишень должна испытывать отдачу, подобно тому как ружье «отдает» в плечо при выстреле. Спустя несколько лет известный американский ученый А. Кантровиц предложил использовать это явление для разгона ракет при выводе на орбиту искусственных спутников Земли. Хотя идея Кантровица была чисто умозрительной, без строгих расчетов и опытных данных, она сразу же привлекла к себе внимание. Мнения, правда, были самыми противоречивыми — от горячего энтузиазма («будущее ракетной техники!») до ледяного скепсиса («утопия, фантастика!»). Однако определенные группы физиков и газодинамиков и у нас в стране и за рубежом решили тщательно и всесторонне изучить проблему, выяснить, насколько она жизнеспособна. В Советском Союзе теоретические и экспериментальные исследования возглавили, в частности, академик А. Прохоров и член-корреспондент АН СССР Ф. Бункин.

Как же возникает реактивная тяга под действием лазерного излучения?

Происходит это так: если интенсивность излучения превосходит некий порог (порядка ста киловатт на квадратный сантиметр, и если мишень достаточно массивна, так что луч не может прожечь ее насквозь, она мгновенно нагревается до высокой температуры (порядка 4000 градусов) и начинает испаряться. Быстрое образование большой массы пара резко повышает его давление; возникает перепад (сотни атмосфер) между этим участком и окружающей средой, и, если это происходит в сопле, струя пара вырывается наружу со сверхзвуковой скоростью. Обратная, так называемая реактивная сила давит на противоположную стенку сопла, являющуюся одновременно днищем ракеты, и возникает желанная сила тяги. Ракета устремляется ввысь. Но есть и Другая возможность.

В 1965 году профессор Ю. Райзер теоретически предсказал одно любопытное явление, которое вскоре было обнаружено и в опытах. Если в каком-то небольшом участке сконцентрировать чрезвычайно мощный поток лазерного излучения, то находящийся здесь воздух или любой другой газ нагреется до высокой температуры, атомы его ионизируются (образуется плазма), и произойдет пробой, своего рода микровзрыв. Как при всяком взрыве, даже миниатюрном, возникает ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью навстречу лазерному лучу. Но при этом неминуемо должна появиться и реакция отдачи, то есть реактивная сила. В момент ее действия лазерный луч не нужен, его можно погасить. А спустя некоторое время подается очередной импульс лазерного излучения, и процесс повторяется. Ракета получав! реактивную силу отдельными порциями, толчками, но из них складывается мощная тяга. В этом есть огромные преимущества. Во-первых, топливо не нужно запасать на борту, оно черпается из окружающего воздуха (если ракета движется в атмосфере), так что полезный груз ракеты близок к ее полному стартовому весу. Во-вторых, лазер работает в импульсном режиме, что позволяет снизить его среднюю мощность. Все это делает лазерный воздушно-реактивный двигатель (ЛВРД), по-видимому, наиболее перспективной моделью лазерного двигателя. Но на этом пути еще немало чисто конструктивных трудностей.

Зато какие могут открыться возможности! Оценки показывают, что лазерный двигатель, работающий на принципе испарения, по ряду важных параметров может в два-три раза превосходить наилучшие жидкостные двигатели, которые используются для запуска спутников и космических кораблей. Что же касается лазерного воздушно-реактивного двигателя, то его характеристики, видимо, еще выше. Особенно удобными (и, главное, дешевыми) лазерные ракеты могут оказаться для доставки сравнительно легких грузов на орбитальные космические станции.

Представим себе такую ситуацию. На орбите Земли находится космическая станция с экипажем на борту, и вышел из строя какой-нибудь прибор, требуется срочно заменить узел. С Земли отправляется небольшая ракета с посылкой, разгоняемая лазерным лучом и снабженная миниатюрным электрореактивным двигателем для дальнейших маневров при автоматическом сближении и стыковке с космической станцией. Это, видимо, проще и дешевле, чем отправлять мощную ракету на химическом топливе.

Между прочим, лазерные посылки можно будет доставлять не только в космос, но и в любой пункт Земли, причем за считанные минуты! Весьма полезными могут оказаться стационарные лазерные установки для запуска метеорологических ракет, которые, как правило, запускаются регулярно из одного пункта, вертикально вверх, на высоты, вполне доступные лазерному лучу, причем скорость этих ракет, не предназначенных для выведения спутников на орбиту, не должна достигать первой космической.

В будущем (сейчас рано говорить — далеком или близком) на околоземных орбитах будут строиться мощные обитаемые станции, даже не станции, а целые жилищно-производственные комплексы с энергосистемами и промышленными предприятиями. И для строительства, и для дальнейшего функционирования таких комплексов понадобится регулярно доставлять на них строительные материалы, сырье, различное оборудование. Очевидно, многое из этого можно будет направлять с Луны, здесь то и пригодятся лазерные ракеты. На Луне принципиально возможно смонтировать стационарные лазерные установки, получающие питание от солнечных электростанций; атмосферы на Луне нет, поэтому лазерный луч не будет «размываться» и сможет разгонять ракету на больших дистанциях: начнутся регулярные рейсы по маршруту Луна — орбитальная станция и обратно.

Фантастика? Ничуть. Ученые всерьез обдумывают и рассчитывают этот вариант. Конечно, пройдет немало времени, потребуется немало усилий со стороны ученых и инженеров, прежде чем на острие лазерного луча взлетит в космос первая ракета, но в том, что рано или поздно это произойдет, сомневаться не приходится.