Механика космического полета в элементарном изложении - Левантовский В.И.
Скачать (прямая ссылка):
на нее давление, равное р0= =0,464» 10~в кгс/м2, т. е. около 0,5 мгс на квадратный метр, или 4,55-10"6 Н/м2.
Представим себе теперь развернутую в мировом пространстве очень тонкую пластмассовую пленку большой площади (сотни метров в поперечнике), покрытую тонким слоем отражающего материала (например, алюминия или серебра). Такая двигательная система, не являющаяся ракетной, называется солнечным парусом.
Допустим, что парус — плоский, имеет площадь S и солнечные лучи падают на него под некоторым углом 0 (рис. 14). Тогда падающий лучевой поток создает тягу F'=p0S cos 0, направленную в ту же сторону, что и солнечные лучи. Если парус полностью отражает лучевой поток, то отраженный поток создает допол-
Рис. 14. Схема плоского солнечного паруса. § 8. ПАРУСНЫЕ СИСТЕМЫ
47
йительную тягучі", в точности равную F' по величине и отклоненную от перпендикуляра к парусу на тот же угол 0 (так как «угол падения равен углу отражения»). Из параллелограмма (точнее ромба) сил легко находится полная тяга: она равна F—2p0S cos20 и направлена перпендикулярно к плоскости паруса. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света, то на расстоянии R от Солнца тяга плоского паруса при полном отражении равна F=2p0S (R0/R)2 cos20, где R0 — радиус орбиты Земли, а остальные обозначения — прежние Если парус не является плоским, то необходимо найти отдельные («элементарные») векторы тяги на разных участках поверхности и определить их общую векторную сумму («интегрирование по поверхности»).
При неполном отражении вектор тяги отклонен ближе к направлению солнечных лучей. При полном поглощении солнечных лучей тяга будет направлена в ту же сторону, что и солнечный свет (как бы ни был расположен и какую бы форму ни имел парус). При полном или частичном поглощении возникают проблемы, связанные с нагревом паруса.
Ожидается, что солнечный парус сможет сообщить ускорения порядка 10~Ч-10~3 g [1.20, 1.30]. С удалением от Солнца ускорение будет быстро падать. Специфической особенностью солнечного паруса является зависимость величины создаваемой им тяги от ее направления.
По американским данным в середине 80-х гг. станет возможным создание пленок толщиной 2 мкм и меньше [1.31]. Опасность перегрева пленки считается разрешимой проблемой. Очень серьезной проблемой является выбор метода разворачивания паруса и его формы. В США рассматриваются две возможных конструкции паруса: квадратная пленка, натянутая на развернутый трубчатый каркас, и так называемый роторный парус (эквивалентный по площади квадратному), нечто вроде вращающего мельничного колеса, 12 лопастей которого имеют каждая 7500 м в длину и 8 м в ширину. Лопасти натянуты с помощью центробежных сил, что и гарантирует устойчивость конструкции [1.31, 1.32]. Главное препятствие для перехода к завершающему этапу разработки солнечного паруса — финансовый риск, связанный с невозможностью проведения наземных испытаний: сила тяжести разрушит любую пригодную конструкцию и даже не позволит развернуть парус.
Можно, однако, создать некое подобие парусной двигательной системы, которая будет свободна от указанного недостатка. Покроем пластмассовую пленку с одной стороны тонким слоем радиоактивного изотопа полония, излучающего альфа-частицы (протоны) [1.9].
*) Дополнительное давление, составляющее примерно 2% от светового (точнее, электромагнитного) излучения Солнца, оказывает его корпускулярное излучение. 48 ГЛ. 1. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
Мы получим парус, не отражающий постороннее излучение, а обладающий своим собственным односторонним излучением (излучение в противоположную сторону поглощается материалом пленки). По существу, такой изотопный парус представляет собой ракетный двигатель с почти постоянной тягой и практически не расходующейся массой.
Для нейтрализации реактивной струи, как и у ионного двигателя, придется подводить к ней электроны. Скорость истечения для изотопного паруса может составить 80 ООО км/с, причем с каждого квадратного метра площади может быть получена тяга 2,6«Ю-6 кгс [1.9].
§ 9. Фотонный (квантовый) ракетный двигатель
Солнечный парус называют иногда «фотонным двигателем», так как солнечные лучи представляют собой поток фотонов. Но может быть создан фотонный двигатель, отличающийся от солнечного паруса тем, что источник электромагнитного излучения находится на борту космического аппарата (поэтому такой двигатель является действительно ракетным двигателем, в отличие от солнечного паруса).
Простейшей «фотонной ракетой» может служить обыкновенный карманный фонарик. Будучи включен, он, находясь вдали от небесных тел, по истечении некоторого промежутка времени приобрел бы определенную скорость в направлении, противоположном отбрасываемому лучу. Если угодно, может рассматриваться в качестве фотонного двигателя и параболическая антенна бортового радиопередатчика или радиолокатор космического аппарата, также дающие направленное излучение.
Фотонный двигатель имеет смысл рассматривать, по-видимому, в основном как средство межзвездных перелетов. Межзвездная фотонная ракета, если она когда-нибудь сможет быть создана, будет, вероятно, отбрасывать луч света за счет превращения вещества в излучение. Возможно, что это будет происходить посредством соединения вещества и антивещества [1.33].
