Принцип их работы основан на использовании так называемых приливных сил (рис. 14). Если две массы, связанные тросом, вращаются на орбите искусственного спутника Земли, то в целом такая система движется со скоростью, соответствующей орбите ее центра масс. В результате масса, наиболее удаленная от Земли, будет иметь большую скорость, чем нужно для ее равновесного движения, и поэтому на нее должна действовать избыточная центробежная сила. Для ближней к Земле массе, наоборот, скорость меньше равновесной и имеется избыточная гравитационная сила, равная и противоположно направленная сила, приложенной к верхней массе.
Эти силы называются приливными. Они натягивают трос, и, распуская трос с трением, мы заставим приливные силы совершать работу. Эта работа осуществляется за счет кинетической энергии системы, и в итоге центр тяжести ее будет переходить на более низкую орбиту. Подобным же образом приливные силы, действующие между планетами, вызывают их взаимное сближение. Например, океанские приливы, вызываемые Луной, в результате трения о поверхность Земли приводят к уменьшению расстояния между Луной и Землей.
И, наоборот, совершая работу против действия приливных сил, можно повысить орбиту центра тяжести системы. Для повторения цикла после полного сближения масс их нужно оттолкнуть при свободно распускающемся тросе. Но эффективность такой двигательной системы в околоземном пространстве очень мала.
Величина приливных сил равна произведению ускорения силы тяжести на орбите на отношение расстояния между массами к радиусу орбиты. На орбите высотой 350 км при расстоянии между массами 10 км она составляет 1,4 · 10–2 Н/кг, на геостанционарной орбите — 7 · 10–5 Н/кг. Работа, совершаемая за один цикл сближения, соответственно равна 7 · 10–2 и 3,5 · 10–4 Дж/кг. Чтобы перевести космический аппарат с орбиты высотой 350 км на геостационарную орбиту (35 880 км), потребуется около 108 циклов. Даже если допустить, что каждый цикл будет совершаться за 1 с, то на такое перемещение потребуется более 10 лет.
Рис. 14. Схема «гравитационного» двигателя (стрелками указано направление приливных сил): 1 — полезный груз, 2 — трос, 3 — устройства для намотки троса, 4 — Земля
Возможно, что когда человечество начнет создавать поселения в околоземном пространстве и потребуется транспортировка на высокие орбиты многих миллионов тонн грузов, такой тихоходный способ перемещения найдет свое применение. Преимущества его очевидны: полное отсутствие расходуемой массы и малые мощности двигательной системы.
Поскольку, в отличие от гравитационного взаимодействия, электромагнитным взаимодействием люди научились управлять, то возможно создание двигательных систем с использованием макротел на этой основе. В простейшем случае такой двигатель представляет собой ускоритель заряженных частиц. При пролете мимо космического тела его облучают заряженными частицами (например, электронами). В результате космическое тело и ракета оказываются носителями зарядов противоположных знаков.
Притяжение зарядов приводит к ускорению ракеты. После максимального сближения ракеты с космическим телом можно либо выключить ускоритель, и заряды быстро скомпенсируются плазмой космического пространства, либо, пока заряд на космическом теле сохраняется, произвести перезарядку ракеты, и тогда силы притяжения перейдут в силы отталкивания.
Прирост скорости ракеты за счет такого взаимодействия пропорционален разности потенциалов между ракетой и заряжаемым телом. Например, для космического аппарата массой 10 т при разности потенциалов 106 В скорость может быть увеличена на 1 м/с, а при 108 В — соответственно на 100 м/с. КПД такого способа ускорения растет с увеличением относительной скорости ракеты и заряжаемого тела и при скоростях, бóльших 10 км/с, может достигать 20 %.
Из-за малых приростов скорости за один цикл зарядки такие двигательные системы целесообразно применять в тех областях пространства, где встречи с космическими телами достаточно часты (например, в поясе астероидов). Кроме того, электростатический разгон ракет может оказаться полезным при больших грузопотоках между орбитами спутников Земли. Тогда может быть осуществлена следующая схема полета. На близкие друг к другу встречные орбиты (орбиты с противоположным вращением) выводится система спутников, часть из которых снабжена ускорителями заряженных частиц. Заряжая встречные спутники противоположного вращения, можно изменять параметры орбит всей системы. При этом удовлетворяются все условия эффективного применения такого способа ускорения: большая частота встреч и большие относительные скорости.
Одним из существенных недостатков электростатического ускорения космических аппаратов является бомбардировка их поверхности частицами космической плазмы, ускоренными до высоких энергий электрическим полем аппарата. В результате возникает проникающее излучение гамма- и рентгеновского диапазонов. Этот недостаток будет отсутствовать при использовании магнитного взаимодействия.
Если ракету снабдить источником магнитного поля, она будет взаимодействовать с магнитными полями Земли, планет и железоникелевыми астероидами. Напряженность космических магнитных полей на несколько порядков превосходит в сопоставимых единицах напряженность электрических полей. Но, к сожалению, магнитное поле имеет дипольный характер, и его силовое взаимодействие проявляется лишь при наличии неоднородностей (градиента). Градиент космических полей очень мал: для того чтобы получить силу взаимодействия, например 0,1 кгс, с магнитным полем Земли, нужен соленоид, имеющий более 106 ампер-витков и диаметр 100 м. При существующих способах получения магнитного поля ракета с таким соленоидом, даже если пренебречь массой полезного груза, будет иметь ускорение всего 10–6 м/с2.
Более перспективным является применение магнитных систем в описанном ранее межорбитальном транспорте при транспортировке групп спутников, вращающихся на встречных орбитах. За счет взаимного притяжения или отталкивания таких аппаратов можно изменять их орбитальную скорость. Однако поскольку магнитное поле из-за его дипольного характера спадает пропорционально кубу расстояния, а электрическое — квадрату, такие двигательные системы будут уступать электростатическим по своим массовым характеристикам.
Современная теория электромагнетизма допускает существование магнитных монополей — аналогов электрических зарядов. Если такие монополи будут обнаружены и их можно будет получать в достаточном количестве, перед космической техникой откроются огромные возможности. Ракета, имеющая монопольный магнитный заряд, могла бы стартовать с поверхности Земли без всяких затрат бортового запаса массы, только лишь за счет взаимодействия с ее магнитным полем, и далее продолжать разгоняться в межзвездных и межпланетных полях.
О ПРАВЕ РОДИТЬСЯ И ВЫЖИТЬ
Путь к реализации новых типов двигательных систем долог и труден, и создаются они, как правило, лишь в том случае, когда их преимущества по отношению к существующим выражаются не в единицах процентов, а существенно меняют ситуацию. Либо при этом кардинально улучшаются экономические показатели транспортных операций, либо они позволяют решить задачи, которые не решаются уже имеющимися средствами.
Каковы же возможности различных двигательных систем при решении проблем, наиболее остро стоящих перед космонавтикой?
Организация больших грузопотоков с поверхности Земли на низкие орбиты. Задача решается только с применением двигателей большой тяги, поэтому целесообразно рассматривать такие средства ее решения, как химические двигатели, тепловые ядерные и термоядерные и двигатели большой тяги с дистанционной передачей энергии. Из указанных двигателей основная роль в решении задачи вывода на низкую орбиту принадлежит и долгое время будет принадлежать химическим двигателям. По энергетическим и тяговым характеристикам для решения этой задачи подходят газофазные ядерные двигатели и термоядерные двигатели, однако опасность радиоактивного заражения атмосферы при этом слишком велика.
Вообще следует отметить, что по мере интенсификации грузопотоков с поверхности Земли на низкие орбиты вопросы минимизации воздействия на природные процессы со стороны средств выведения будут приобретать все большее значение. При достаточно низкой интенсивности пусков и относительной «маломощности» средств выведения естественные процессы в атмосфере и ионосфере в состоянии компенсировать локальные возмущения параметров, образующиеся при пусках ракет. В качестве примера можно привести процесс затягивания «окна», возникающего в слое озона при взаимодействии последнего с факелом ракеты. Однако компенсирующие возможности природной среды не безграничны, и с этим нельзя не считаться.