Текст книги "Маленькие рассказы о большом космосе"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 19 страниц)

Если взглянуть на ураган свысока

По своей популярности среди остряков метеорологи, вероятно, не уступают управдомам. Над ними подшучивают все, кому не лень, начиная с туристов, укладывающих рюкзаки, и кончая конферансье, собирающимся на пенсию. И мало кто знает, сколь трудна их работа, которая в чем-то сродни труду криминалистов…

Преступник скрылся, почти не оставив следов. Его случайно видели несколько человек, чьи показания могут оказаться решающими. Каждый свидетель – в меру своей наблюдательности – опишет преступника, сообщив его приметы. Так возникнет словесный портрет, на основании которого профессионал художник воссоздает облик разыскиваемого лица. Нарисовать-то он нарисует, а вот будет ли сходство с оригиналом – это уж как повезет.

Метеорологи, к счастью, не имеют дела с преступлениями – неразумную природу не обвинишь в злонамеренных действиях. Их задача – если не предупредить (этого пока делать не научились), то по крайней мере предугадать, как поведет себя слепая стихия погоды. Но нелегко быть пророком, если не хватает информации. А ведь служба погоды имеет дело, по существу, с тем же всего лишь словесным портретом. Она получает сведения из разных мест и все-таки сидит на голодном пайке. Даже если бы метеостанции по всей планете отстояли бы друг от друга на расстоянии 100 километров (а такая сеть есть только в самых населенных районах), и тогда 90 процентов облачного покрова Земли оставались бы недоступны для наблюдения.

Авторитет пророков погоды сейчас начинает возрастать. Их предсказания теперь берутся с неба – в самом прямом и отнюдь не ироническом смысле слова. На орбиты выведены разведчики, собирающие сведения об облаках, – метеорологические спутники. Как и все рукотворное в Космосе, метеоспутники подчиняются закону: «Максимум возможностей на килограмм веса». Поэтому солидная «метеолаборатория плюс телецентр» напоминают изящную серебристую бабочку. Едва спутник выходит на орбиту, как раскрываются крылья солнечных батарей, которые все время стараются стать перпендикулярно солнечным лучам, чтобы обеспечить максимум электроэнергии. Солнечные батареи питают все бортовое оборудование спутника.

Телевизионные камеры включаются, как только Солнце покажется из-за горизонта, и работают весь «спутниковый» день. Отдыха спутнику не положено. Во время «спутниковой» ночи инфракрасная аппаратура дает изображение, которое потом с помощью особых систем преобразуется в карту облачности.

Кроме снежного покрова, облачности и ледовых полей, спутник обращает внимание и на потоки радиации, отраженной и излучаемой системой «Земля – атмосфера». В его бортовом хозяйстве множество электронных запоминающих и передающих устройств, которые помогают сохранить сведения и передать их наземным службам. И на все это им дается только полтора часа.

Когда спутник завершает очередной патрульный виток, информация, полученная во время предыдущего, уже должна быть обработана. После этого ее передают по прямым проводам всем заинтересованным районам и странам.

В Советском Союзе создана экспериментальная система «Метеор». Она состоит из находящихся на орбитах метеорологических спутников и пунктов сбора, обработки и распространения метеорологической информации, которая используется оперативной службой погоды в интересах народного хозяйства и для международного обмена.

Создание единой международной сети спутников погоды позволит давать точный прогноз всех метеоявлений. Это сохранит множество людских жизней и сэкономит немалые средства. Особенно ценны их сообщения из тех мест, где почти нет наземных метеостанций, но где зачастую и «готовится» погода (океаны, полярные области, пустынные и горные районы).

«Космос» №…

Рождение первенца помнят все. Фотография новорожденного обошла газетные полосы пяти континентов мира. Его тоненький голосок «бип-бип» слушали радиостанции всей планеты. Дату запуска второго и третьего назовет теперь не каждый. Привычными стали торжественные позывные Московского радио и ликующий голос диктора, читающего сообщение ТАСС. Сейчас рождение их младших братьев, которым дают имена «Космос» номер такой-то, можно заметить только по коротким информациям в газетах и по радио. Они рядовые труженики космического фронта. Трехзначной цифрой выражается номер очередного посланца Земли.

Одни из них прожили яркую, но короткую жизнь, выполнив все, что им было поручено. Другие еще десятки лет будут навивать околоземные витки, добывая научную информацию. Когда появилась возможность побывать в Космосе, специалисты по физике, химии, астрономии, биологии, кибернетике обнаружили, что для земных нужд этих наук необходимы исследования в лаборатории с названием «Вселенная».

Но спутник не Ноев ковчег, его не сделаешь универсальным, чтобы поместить все приборы. Для одних исследований достаточно химического источника энергии, для других – более продолжительных, но требующих меньшей мощности, желательна установка солнечных батарей. Для решения некоторых задач нужна ориентация на Солнце или на Землю, то есть система ориентации Если необходимо сохранить научную аппаратуру, то не обойтись без тормозной двигательной установки и парашютной системы; «Космос-110» с животными – пример этому.

В общих чертах «Космосы» выглядят так. Их корпус похож на среднеазиатскую дыню, которая внутри разделена на три отсека. В них располагаются научные приборы, обслуживающая аппаратура и источники питания. Снаружи на корпус крепятся различные датчики. «Космосы» разведывают радиационную опасность, исследуют космическое излучение и радиационные пояса, изучают ионосферу. «Космос-5», например, зарегистрировал последствия американского высотного ядерного взрыва, в результате которого возник искусственный радиационный пояс.

Много нового узнали мы об атмосфере, о влиянии на нее солнечной активности. Интересно, что средняя плотность атмосферы с 1958 по 1964 год на высоте 300 километров уменьшилась в 3,5 раза. «Космосы» помогают предсказывать погоду, искать полезные ископаемые, позволяют уточнить форму Земли.

Внимание, метеоры!

Если бы существовал музей метеорной опасности, наверное, главным экспонатом там была бы… Луна. Бесчисленные кратеры и цирки, оспинками изъевшие лик Луны, по мнению многих ученых, не что иное, как следы бомбардировки метеорами. А диаметр этих «оспинок» достигает сотен километров.

Гигантская природная праща – силы тяготения – раскручивает метеоры до громадных скоростей (10–70 километров в секунду). Именно эти скорости превращают их в грозные снаряды. Встреча космического лайнера с куском железа размером со спичечный коробок окончится катастрофой.

Основная доля «твердой составляющей» межпланетной среды – микрометеоры – мельчайшие частицы, образующиеся при распаде комет и столкновениях астероидов. В дальних космических рейсах – скажем, к Марсу, Венере – эти «аборигены» Космоса очень опасны. Придется с ними считаться и при создании долгоживущих научных станций – спутников. Расчеты показывают, что уже примерно в течение десяти дней в каждый квадратный метр поверхности спутника или корабля обязательно ударит частица весом в миллионную долю грамма. Такая пылинка способна пробить стенку корабля и вызвать разгерметизацию кабины.

Конструктор космических аппаратов обязан знать все последствия метеорной бомбардировки. Поэтому космические материалы и конструкции еще на Земле подвергают метеорной атаке.

Метеорные частицы состоят из обыкновенных земных материалов, и, для того чтобы их «смоделировать», достаточно взять, например, железную дробинку. Но истинным метеором она станет только в том случае, если ее разогнать до космической скорости. В лабораториях разгоняют пылинки и дробинки до 10–15 километров в секунду. Делать это можно разными способами: взрывать специальные «многоступенчатые» заряды; применять хитроумные «газовые пушки», выстреливающие «метеор» в вакуум. Вся мощь арсенала современной науки брошена на борьбу с метеорной опасностью.

И ракеты потеют

Внизу, на Земле, была тропическая жара, а летчика пробирал адский холод. Толстая одежда полярника, обогрев кабины не помогали. Лишь ток, бегущий по вплетенным в костюм проволочкам, позволял размышлять и работать.

На высоте холодно…

Малькольм Скотт Карпентер понял, что система терморегулирования космического корабля несовершенна. На первом витке температура в скафандре повысилась почти до 30 градусов. Ее удалось снизить через полтора часа путем увеличения расхода воды в системе охлаждения. За время полета Карпентер потерял 3 килограмма веса.

На высоте страшная жара…

Герман Титов видел, что снаружи светится разноцветными огнями раскаленный воздух, обтекающий «Восток-2». В кабине же было как в комнате – плюс 22. «Знаю, ничего опасного не произойдет, – говорил космонавт. – Тепловая защита корабля надежна и неоднократно проверена в полетах».

На высоте нормально…

Тепловая защита. В жаркие дни жители Средней Азии неплохо себя чувствуют в шубах и папахах: тело защищено от вторжения свирепого Солнца – от 50, 60, 70 градусов. Шубу против тепла надевают и летательные аппараты. Сначала самолеты обшили себя покровом из титанового сплава – стал не страшен нагрев до 370 градусов (при скорости до 3600 километров в час!). Алюминиевая обшивка при такой температуре потеряла бы ⁴/ ₅прочности.

Но даже титановое или бериллиевое одеяние не задержит нагрев, возникающий при полете современных летательных аппаратов. На помощь спешат керметы, как называют новые материалы, рожденные союзом керамики и металла. Они не боятся нагрева.

Увы, космическим кораблям, особенно при возвращении их на Землю, и этого мало. Конструкторам приходится идти на новые ухищрения: защитную обмазку и потеющую обшивку.

Защитная обмазка – это шуба многослойная: керамическое покрытие, оплавляющееся и обгорающее при входе в плотные слои атмосферы.

Иначе выглядит другой вид термической брони – потеющая обшивка: металлокерамические пористые материалы: через поры выдавливается вода. Под действием высоких температур вода закипает, образовавшийся пар уносится прочь, отводя с собой значительную часть тепла. В общем почти то же, что происходит с нашей кожей в жаркий денек…

Их рацион

Вначале было дерево. И огонь первобытных костров. И неровный жар каминов. И слабое усилие парового котла.

А потом был уголь. И маленькие солнца вспыхивали под потолками. И стальная паутина железных дорог опутывала Землю.

И еще была нефть. С ней появились двигатель внутреннего сгорания и реактивный двигатель. И машины, пожирающие километры, и самолеты, сократившие расстояния.

Энергия, запасенная в ископаемом топливе и освобожденная человеком, несла ему независимость и власть над силами природы. Топливо помогало человеку преображать Землю, завоевывать пространство и время.

Но только на Земле. Только у себя. Не дальше порога земного притяжения.

А взоры людей устремлялись вверх. К чужим мирам. В неизведанное. Так рождалась мечта. Она двигала людьми, но не могла двигать ракеты. Нужно было новое топливо. Мощное, чтобы преодолеть земное притяжение. Энергоемкое, чтобы ракета была как можно легче. Плотное, чтобы в баках помещалось его как можно больше.

Мечта двигала людьми. В лабораториях ученые воплощали ее в реальность. Они рассчитывали и проверяли тысячи вариантов. Постепенно круг поисков сужался. В кольце изысканий остались четыре группы:

Топлива, выделяющие энергию при окислении.

Эндотермические вещества, выделяющие энергию при распаде на элементы или группы атомов.

Свободные радикалы – химически активные «осколки» молекул.

Наконец, ядерные топлива.

Первая группа самая большая. И самая старая. Но химия внесла в нее много нового.

Обычное топливо, сжигаемое на Земле, окисляется кислородом воздуха. А ракета, летящая в космическом пространстве, не может рассчитывать на даровое окисление. И часть баков ракеты заполняют специальные химические вещества – окислители.

Некоторые из них – со стажем. Кислород, сжиженный для уменьшения объема. Азотная кислота выгодно отличается от других окислителей: в смеси с четырехокисью азота способна долгое время храниться, не меняя своего химического состава. Поэтому окислителями на основе азотной кислоты можно заполнять ракеты, постоянно готовые к запуску. Например, зенитные.

Некоторые выступают в окислительном амплуа впервые. Озон «солиднее» кислорода на один атом. Фтор – очень сильный окислитель. Второй по силе – три-фторид хлора. Он настолько активен, что легко поджигает даже стеклянную вату, из которой обычно делают огнепреградительные средства. Перекись водорода – знакомое всем по домашней аптечке кровоостанавливающее и дезинфицирующее вещество. Еще во время второй мировой войны она использовалась немцами в реактивных истребителях-перехватчиках «мессершмитт-163».

Однако новизна есть и в том, что окисляется. В самих горючих. Помимо керосина, спирта, примененного немцами в ФАУ-2, жидкого водорода – наиболее теплотворного химического элемента, но, к сожалению, «вспыльчивого», ракетная техника осваивает новые классы химических соединений. Те, которые раньше в качестве горючих не применялись.

Вот некоторые из них. Диметилгидразин, у которого два атома водорода поменялись на две метиловые группы. Гидразин-гидрат – сосед перекиси водорода по «мессершмитту-163». Бораны – соединения водорода с бором – третьего по теплотворности элемента. Наконец, как это ни покажется странным, металлы. Точнее – взвеси порошкообразных металлов, лучше всего магния, в углеводородах, например в керосине. Это очень скромные по своим окислительным аппетитам виды топлива. Они расходуют на сгорание в четыре-пять раз меньше кислорода, чем керосин.

Последние три группы – в основном будущее ракетной техники. Можно по-разному оценивать сроки технического осуществления этих проектов, но успехи химии и физики делают их вполне соизмеримыми с нашим терпением.

Дорог золотник, но мал

Людям нужна энергия. Не только каждому человеку в отдельности (в конце концов это его личное дело), но и всему человечеству. И ее ищут уже много веков. Обшарили земной шар, проникли в его недра и раздобыли уголь и нефть, построили плотины и даже ветряные мельницы, чью силу испробовали на себе некоторые всемирно прославленные герои.

Но аппетит приходит во время еды. Человечество решило воспользоваться жизненным опытом известной старухи и тоже стало подумывать о том, как бы приручить золотую рыбку, чтоб она сама ему служила и была б у него на посылках, благо перспектива разбитого корыта ему не грозила. И люди стали эксплуатировать Солнце.

Говорят, что впервые это сделал 22 века назад Архимед, который сжег римские корабли с помощью солнечных зайчиков от сотен маленьких ручных зеркал. Сейчас столь однобокое использование солнечных способностей удовлетворить уже не может. На повестке дня – применение солнечной энергии для нужд человека на Земле и в Космосе.

Чем же привлечь Солнце? «Приманкой» служит один из самых распространенных элементов – кремний, который мы буквально каждый день топчем ногами. Правда, он чересчур общителен и попадается, как правило, в виде соединений. Для солнечных же батарей требуется кремний исключительной чистоты. Этот золотник дорог, зато мал, а ведь в Космосе котируется единственная валютная единица – грамм. Поэтому у солнечных батарей, которые гораздо легче других аккумуляторов, большое будущее.

Конечно, и кремниевые батареи не без греха: коэффициент полезного действия не очень-то высок, да к тому же он понижается при нагревании: солнечные батареи боятся Солнца, вернее – инфракрасной части его спектра.

Но оказалось, что можно использовать и эту самую горячую часть – нужно лишь обратиться к другим солнечным батареям – термоионным. Еще Томас Эдисон обнаружил эффект диода, то есть эффект эмиссии электронов из электрода и протекание слабого тока за счет этой эмиссии, к.п.д. у такого диода – одна стотысячная процента. Однако ученые, подобрав специальные материалы и тепловые режимы, сумели повысить к.п.д. в 2 миллиона раз, а 20 процентов – это уже совсем другой разговор.

Солнечным и несолнечным преобразователям энергии найдется место под Солнцем.

А если плазму!

Плазмой называют четвертое состояние вещества. В отличие от жидкого, твердого и газообразного, где атомы ведут себя пристойно, в состоянии плазмы они могут «оголиться» вплоть до ядер, а электроны начинают вести самостоятельную жизнь. Как в заурядной пьесе, в плазме отрицательного и положительного поровну. В электрическом смысле плазма нейтральна. Она может быть холодной и горячей. Миллионные температуры горячей плазмы привлекают физиков, осуществляющих термоядерную реакцию, а создатели космических двигателей «не брезгуют» и холодной. 3,5–10 тысяч градусов их пока удовлетворяют.

С такой плазмой вы сталкиваетесь гораздо чаще, чем думаете. Например, луч света в темном зале кино бросает угольная дуга – это между двумя электродами горит плазменный шнур.

Мощные электрические дуги дают температуры значительно большие, чем любая химическая реакция. Если разогревать газообразное рабочее тело в пламени такой дуги и выбрасывать через сопло космического двигателя, можно получить скорости истечения 15–20 километров в секунду. В пять раз больше, чем у самых совершенных химических ракет. Причем скорость выходящего из сопла газа у такого электродугового или электрического плазменного двигателя легко регулировать.

Гораздо больших скоростей истечения – до 100 километров в секунду – можно достичь в электромагнитных плазменных двигателях. Здесь конструкторы пользуются тем, что плазма – великолепный проводник тока. Как известно, проводник с током в магнитном поле получает ускорение. На этом принципе работают все электромоторы. Поэтому плазму помещают в магнитное поле, пропускают через нее электрический ток, а дальше все происходит по правилу «трех пальцев».

Ракеты с такими двигателями требуют значительной электрической мощности – примерно 100 киловатт на каждый килограмм тяги. Откуда ее взять? Можно использовать небольшие ядерные реакторы. Можно попытаться использовать энергию Солнца. Например, с помощью зеркал нагревать воду в каком-то котле и потом, пуская пар через турбину, получать электроэнергию или же обратиться к фотоэлементам, термоэлектрическим генераторам.

Использовать такие ракеты в Космосе очень заманчиво. Они требуют гораздо меньше горючего, чем химические, и, следовательно, гораздо легче их. И лететь могут дальше. Правда, стартовать с Земли плазменные корабли (как и ионные) должны все же с помощью химических ракет. Их собственная тяга мала.

Первое «крещение» плазменных двигателей состоялось на борту советской автоматической станции «Зонд-2» в декабре 1964 года. Эти двигатели использовали в качестве управляющих органов в системе ориентации, абсолютно необходимой для любого современного космического аппарата. Система ориентации обязана сохранять заданное положение аппарата в пространстве или изменять его, если в этом возникает необходимость. Она должна, например, следить за тем, чтобы на панели солнечных батарей попадало максимум энергии Солнца, иными словами, чтобы они всегда были перпендикулярны его лучам, направлять на Землю бортовую антенну во время сеанса связи.

Если вдруг автоматическая станция отклонится от курса, система ориентации должна повернуть аппарат, чтобы можно было включить двигатели системы коррекции и исправить ошибку.

Плазменные двигатели можно использовать также для перевода спутников с одной орбиты на другую, для выполнения различных маневров при сборке околоземных космических станций. Наконец, они могут служить и «маршевым двигателем» для межпланетных полетов. Возможно, грузовые межпланетные лайнеры будущего будут снабжены такими двигателями.

Ион! – и он туда же!

Самолеты, паровозы, теплоходы, электропоезда, автобусы… Пожалуй, не перечислить всех видов земного транспорта. В Космосе выбор более скромный. Точнее – выбора нет. Спутники, космические аппараты – это все подвиги известных жидкостных ракетных двигателей. Но скоро им придется потесниться. В двери уже стучатся молодые соперники – ионные двигатели.

Они настолько необычны, что даже трудно подобрать сравнение. Представьте себе, что громадина дубненского синхрофазотрона выброшена в Космос. Конечно, на Земле трудно вообразить силу, способную даже просто сдвинуть с места это сооружение размером со стадион в Лужниках. А вот в Космосе достаточно отдачи самих частиц, которые разгоняет этот ускоритель. Ведь там нет никакого сопротивления движению. (Это, разумеется, не означает, что и в самом деле нужно выбрасывать в Космос такие тяжести!).

В принципе любая ракета движется за счет того, что выбрасывает из сопла продукты сгорания топлива с какой-то скоростью; произведение их массы на эту скорость называется количеством движения. С точки зрения закона сохранения количества движения безразлично, выбросить ли много вещества с небольшой скоростью или немного, но сильно разогнав его. Естественно, что инженеры стараются увеличить скорости истечения газов, ведь тогда топлива потребуется меньше и будет гораздо больше полезного груза.

Химические ракеты в этом отношении уже почти достигли своего потолка. Несколько километров в секунду – большего из них не выжмешь. В ионных ракетах скорость истечения принципиально ограничена только скоростью света: быстрее не может двигаться ни одно материальное тело. Поэтому идея превратить ускоритель частиц в космический двигатель не удивит физика.

Основными элементами ионного двигателя являются рабочее тело, ионизационная камера, источник энергии, ускоритель ионов. Задача очень простая: получить заряженные частицы и их разогнать.

В камере – пары цезия или рубидия. Такие «экстравагантные» материалы выбраны в качестве рабочего тела по двум причинам. Во-первых, они массивны, их выгодно отбрасывать; во-вторых, это очень щедрые элементы – легко ионизируются, то есть легко отдают единственный электрон с внешней оболочки своего атома и становятся положительно заряженными ионами…

Электрическое поле кольцевых, вытягивающих электродов непрерывно извлекает из ионного облака узкий пучок и швыряет его на ускоряющие электроды. Один за другим они как бы подхватывают пучок и разгоняют частицы до очень большой скорости. Остается только выбросить их через сопло в космическую пустоту.

Но тут приходится возвращать ионному пучку электроны. «Грабеж» не проходит безнаказанно. Если не вернуть электроны, то образующееся на выходе облако положительных ионов своим пространственным зарядом «запрет» двигатель. Ведь одноименные заряды отталкиваются, и небольшое количество вылетевших ионов будет загонять назад следующие за ними. Так что тот же синхрофазотрон в Космосе уехал бы не дальше, чем на Земле. Поэтому на выходе поток нейтрализуют – добавляют к ионам равное количество электронов. Осуществить это нетрудно: например, просто поставить сетку из вольфрамовой проволоки и раскалять ее электрическим током. С поверхности вольфрама будут срываться электроны и смешиваться с ионами. Невидимый поток частиц бесшумно ускоряет ракету и быстро приближает к цели. Будущее ионных ракет большое.

Небольшие ионные двигатели будут использоваться на спутниках для ориентации, для перехода с одной орбиты на другую. При полетах на ближние планеты ионные ракеты, скорее всего, будут применяться как грузовые.