Текст книги "Юный техник, 1956 № 04"
Автор книги: Юный техник Журнал
Жанры:
Технические науки
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 7 страниц)
Завод, который производит космические частицы
Доктор технических наук Г. БАБАТ
Каждую минуту завод выпускает несколько партий готовой продукции. Единиц готового продукта в каждой партии 10 тысяч миллионов (10 10). Вес всей продукции, вырабатываемой в течение целого года при круглосуточной работе, около одной миллионной доли грамма. Вся продукция за миллион лет работы такого завода могла бы уместиться в наперстке. Применяется эта продукция для физических исследований – для изучения строения ядер атомов.
Когда прежде говорили «физический прибор», то подразумевали нечто такое, что можно разместить на обыкновенном столе.
В современной ядерной физике применяются приборы, в которых одна только деталь – сердечник электромагнита – весит десятки тысяч тонн.
Чтобы исследовать строение атомных ядер, их заставляют сталкиваться друг с другом. Применяют обычно потоки быстро летящих водородных ядер – протонов. Их движение ускоряют при помощи электрических и магнитных сил. Ускорители атомных частиц – важнейшие приборы для исследований ядра. Мощные современные ускорители сообщают атомным частицам такие же высокие энергии, какими обладают частицы в космических лучах. Поэтому физики назвали один из ускорителей – «космотрон».
Водородные ядра с энергией в миллиарды электрон-вольт – такова продукция современных ускорителей. Подобно большому заводу, такой ускоритель состоит из многих «цехов» (см. цветную вкладку).
Самая тяжелая, громоздкая часть установки – это кольцевой электромагнит, который можно было бы назвать «цехом магнитного поля». Здесь создаются те незримые магнитные стены, которые ограждают кольцевой путь заряженных частиц.
Магнитный поток в сердечнике электромагнита (1) не постоянен. Магнитный поток нарастает в каждый рабочий цикл от нуля до максимума, а затем снова падает до нуля. Если бы сердечник был изготовлен в виде стального массива, то пульсирующий магнитный поток возбуждал бы в этом массиве вредные вихревые токи. Для ослабления вихревых токов сердечник составлен из отдельных пластин мягкой стали, изолированных одна от другой.
На рисунке представлен ускоритель, у которого магнит состоит из четырех квадрантов. В одном из промежутков между квадрантами расположена система ввода ускоряемых частиц (10).
В другом промежутке производится вывод готовой продукции – ускоренных частиц. В третьем показан ускоряющий высокочастотный контур (11). Обмотка электромагнита обозначена цифрой «2».
«Цех питания».Энергия в обмотки электромагнита подается от силовой установки, показанной в верхнем правом углу схемы.
В быстро вращающихся роторах генераторов переменного тока накапливается кинетическая энергия. За счет энергии роторов питается электромагнитное поле в течение периода ускорения.
Ток от генераторов подается к электрическим вентилям – игнитронам (3). На рисунке показана одна группа из 6 вентилей. В установке может быть несколько таких групп. В начале каждого рабочего цикла вентили работают как выпрямители – превращают переменный ток генераторов в постоянный ток, который затем посылают в обмотку (2) кольцевого электромагнита (1).
Обмотка электромагнита обладает большой самоиндукцией – электрической инерцией. Поэтому в начале рабочего цикла, в первые моменты ускорения частиц, ток, идущий через обмотку электромагнита, невелик. К концу периода ускорения ток через обмотку достигает максимального значения. В этот момент производится переключение схемы управления вентилями (3). Изменяется направление потока энергии, энергия перекачивается из электромагнита обратно в генераторы переменного тока. Ток в обмотке электромагнита падает, а скорость вращения роторов генераторов нарастает. В этот период времени они работают как двигатели.
Затем несколько секунд дается на отдых, после чего начинается следующий рабочий цикл. Вновь нарастает магнитное поле. Начинается ускорение новой порции протонов.
Ускорительная камера(6) имеет форму огромной баранки прямоугольного сечения. Для нормальной работы ускорителя в камере должно поддерживаться высокое разрежение – высокий вакуум: давление газов в камере не должно превышать миллиардной доли от атмосферного давления.
«Вакуумный цех».В нескольких местах к кольцевой камере (6) подключены высоковакуумные, так называемые диффузионные, насосы (9). В них кипит особое масло (силиконовое – кремний-органическое). Потоки масляных паров захватывают и уносят газы из ускорительной камеры. Между каждым насосом и ускорительной камерой есть ловушка, которая не допускает масляные пары от насоса в камеру. Дно и потолок выполнены из стали в виде отдельных узких полос, изолированных друг от друга особой пластмассой.
Паромасляные насосы не могут выбрасывать захваченный ими газ прямо в атмосферу. Выход высоковакуумных насосов подключается к насосам предварительного разрежения.
Источник протонов. Протоны, подлежащие ускорению, поступают из разрядной трубки (7). Здесь в дуговом разряде с атомов водорода «сдираются» электронные оболочки. Оголенные ядра собираются в узкий поток, который проходит предварительное ускорение. В советском ускорителе протоны, прежде чем попасть в кольцевую камеру, предварительно ускоряются до энергии в 9 млн. электрон-вольт в высокочастотной линейной системе, обозначенной на рисунке цифрой (8). По вводному устройству – криволинейной трубе (10) – протоны, прошедшие предварительное ускорение, впрыскиваются в кольцевую камеру.
«Высокочастотный цех»вырабатывает напряжение, ускоряющее протоны при каждом их обороте. Генератор (4) получает питание от группы вентилей (5). В отличие от обычных радиовещательных передатчиков, у которых частота сохраняется постоянной во время работы, ускорительный генератор в течение одного цикла ускорения должен изменить свою частоту более чем в 10 раз.
Когда ионы только входят в кольцевую камеру, их скорость мала и частота ускоряющего напряжения обычно меньше одного мегагерца. К концу периода ускорения частота должна достигнуть нескольких мегагерц.
За время ускорения до максимальной энергии каждый протон успевает сделать несколько миллионов оборотов по орбите длиною в несколько сотен метров. За каждый оборот протоны наращивают свою энергию примерно на тысячу электрон-вольт.
Путь, проходимый протонами за каждый цикл ускорения, составляет около миллиона километров.
Описанный физический прибор занимает площадь не меньшую, чем территория крупного машиностроительного завода.
Десятки физиков, а также рабочих и инженеров различных специальностей обслуживают этот физический прибор. Этот прибор ускоряет протоны до миллиардов электрон-вольт. Но ученые уже работают над тем, чтобы овладеть еще более высокими энергиями. Каковы же будут эти сверхмощные ускорители? Можно одно сказать: техника не пойдет по пути простого увеличения размеров современных приборов.
В XVII веке в Версале, резиденции французского короля Людовика XIV, была построена насосная станция для приведения в действие фонтанов в парке. Она считалась в то время величайшим инженерным сооружением, одним из чудес мира. Версальская насосная станция занимала площадь в несколько гектаров, коромысла насосов были сделаны из вековых сосен. И вся эта громоздкая машинерия развивала мощность менее 100 квт – меньше, чем средних размеров насос на современной пожарной машине.
Быть может, так же громоздко и неуклюже будут выглядеть по сравнению с физическими приборами будущего наши современные самые грандиозные приборы.
* * *
АВТОМАТЫ БОБЫ БЕЛОРУЧКИНА
Текст Б. ПриваловаРис. Ю. Черепанова
Увидев на выставке «Юный техник» портрет Васи Дотошкина, Боба Белоручкин чуть не умер от зависти.
– Подумаешь! – возмутился он, глядя на портрет Дотошкина. – Изобретатель нашелся! А порох все равно не ты выдумал. Мы тебе нос утрем!
– Угу, – неуверенно согласился Верхоглядкин и еще более неуверенно добавил: – Чем мы хуже?
– Пошли изобретать! – воскликнул Боба. (См. стр. 15.)
* * *
КРОССВОРД В РИСУНКАХ
СОГЛАСЕН ЛИ ТЫ С ТЕМ, ЧТО…
1. Водяной пар имеет вид белых клубов.
2. Втыкая швейную иглу, можно развить давление в 1 000 атм.
3. Большие скорости движения вызывают перегрузки в организме.
4. Теплотворная способность динамита меньше, чем теплотворная способность керосина.
5. Сифон может действовать в пустоте.
6. Холодная вода быстрее гасит огонь, чем кипяток.
7. Колориметром измеряют количество теплоты.
8. Кулон – это единица электрической емкости.
* * *
В поисках идеи Верхоглядкин углубился в чтение научно-фантастических романов.
Боба Белоручкин был сторонником другого метода. Главное, считал он, это положить холодный компресс на голову (так всегда думает папа), грелку – на печень (так решает сложные семейные проблемы мама) и завести патефон (так готовит уроки старшая сестра).
Теперь остается мелочь: лечь на диван и покорно ждать, когда голову посетит гениальная мысль. (См. стр. 19)
E = mc 2– формула полета к звездам
Беседа с доктором технических наук К. СТАНЮКОВИЧЕМ
Странное существо перевело взгляд вверх. На его глубоко спрятанные под огромными надбровными дугами глаза лег слабый отблеск далекой мерцающей звездочки. В этот момент там, в огненном вихре звезды, родился и скользнул в пространство «кусочек света» – фотон.
Тянулась минута, другая; прошел час, месяц, год, летели столетия, тысячелетия, летел во вселенной луч света… И вот, наконец, луч достиг Земли. Его встретил широкий объектив телескопа, к окуляру которого приник потомок того странного существа.
Таковы звездные расстояния. Неужели они непреодолимы для человека?
Астрофизики давно уже пришли к выводу, что многие из звезд имеют, подобно Солнцу, свои планетные системы. Но узнать более подробно, что представляют собой эти планеты (которых, понятно, нельзя увидеть), каково их строение, есть ли на них жизнь невозможно с Земли. Только полет в окрестности ближайших к нам звезд поможет выяснить эти вопросы.
«Как будут люди в будущем совершать такие полеты? Каким средством передвижения придется им воспользоваться?»– с этими, а также с рядом других вопросов редакция обратилась к доктору технических наук профессору К. П. Станюковичу.
* * *
Вопрос. Скажите, профессор, можно ли использовать обычную ракету для полета к звездам?
Ответ. За последние 20–30 лет человечество, преодолевая величайшие трудности, научилось поднимать на высоту около 400 км жидкостные составные ракеты. Однако пока скорость таких ракет слишком мала – не более 3 км сек. Даже для запуска искусственного спутника необходимо иметь скорость 8 км сек. Она может быть достигнута с помощью составных ракет, последовательно включающих свои двигатели, – так называемых многоступенчатых ракет, причем для трехступенчатой ракеты скорость 8 км сек является, очевидно, пределом.
Многоступенчатые жидкостные ракеты позволят осуществить только первый шаг в овладении космосом. Видимо, на таких ракетах будут предприняты полеты на Луну, может быть на Марс и Венеру. Достижение более далеких планет, а тем более звезд, уже будет чрезвычайно затруднительным.
Вопрос. Может быть, осуществить полет к звездам позволит атомный ракетный двигатель?
Ответ. Атомная ракета сможет развить скорость уже в несколько десятков километров в секунду, но вряд ли в несколько сотен километров в секунду. Почему?
Я полагаю, что использовать продукты деления атомных ядер в обычной атомной ракете будет невозможно. Ведь толчок, или, как говорят, количество движения, которое получает ракета, зависит не только от скорости выбрасывания газов из ее сопла, но и от количества, от массы этих газов. Это можно сравнить с ударом молотка: сила удара зависит не только от скорости, с какой падает молоток, но и от веса молотка.
Увеличить массу выбрасываемого вещества можно, если нагревать в ядерном реакторе какой-либо газ или металл. Потом этот нагретый газ или пары металла расширятся в сопле и с огромной скоростью вылетят из ракеты. Ракета получит сильный толчок.
Однако и здесь нас подстерегает опасность: для создания очень большой скорости выброса газов надо нагреть их слишком сильно, чего не выдержат части ракеты. При температурах, которые выдержат и стенки и сопло ракеты очевидно, можно добиться скорости выброса газов 8-10, может быть 15 км в секунду. А это уже позволит слетать и на внешние планеты Солнечной системы.
Сравнительно недавно, во времена Циолковского, Обберта, Годдорта, полет на Луну казался большинству людей фантазией. Теперь мы видим, что недалеко время свершения этой смелой фантазии. Однако к звездам, даже на атомной ракете мыслимой сегодня конструкции не улетишь!
Вопрос. Мы слыхали, профессор, что для полета к звездам ученые предполагают использовать фотонную ракету. Что это за ракета?
Ответ.Вы видите сами, что ни обычная, ни атомная ракета не способны унести человека к далеким мирам. Их скорости слишком малы. Даже летя со скоростью 100 км/сек, мы долетим до ближайшей к солнечной системе звезды Альфа из созвездия Центавра только за 10 тыс лет. Долговато!
Свет же от этой звезды идет до Земли всего около 4 лет. Вот если бы мы смогли лететь со скоростью, близкой к скорости света! какие возможности открылись бы тогда для исследования! Но какой двигатель сможет мчать ракету с такой скоростью?
Идея такого двигателя уже есть. Ее подал немецкий ученый Зенгер, предположивший воспользоваться… светом для достижения скоростей, близких к его скорости! Как же будет использован свет в качестве рабочего вещества?
Из школьной физики всякий знает, что свет – это один из видов электромагнитных волн. Только волны, применяемые в радиотехнике, имеют длину от нескольких километров до нескольких миллиметров, а длина световых волн измеряется миллимикронами.
Но ведь свет вместе с тем – это поток мельчайших частиц материи – фотонов, испускаемый веществом при различных реакциях. Значит, свет – одна из форм движущейся материи. А раз свет материален, то он производит давление на тела. Величина этого давления слишком мала, чтобы мы смогли его заметить в обычных условиях. Мельчайшая пылинка, севшая на оконное стекло, давит на него сильней, чем солнечный луч.
И все же существование этого ничтожного в обычных условиях давления удалось доказать и измерить знаменитому русскому физику П. Н. Лебедеву. Его тончайшие, «ювелирные» опыты в 1899 и 1909 годах блестяще подтвердили гениальную догадку Кеплера. Еще в 1619 году Кеплер пытался объяснить отклонение хвостов комет давлением солнечных лучей.
Теперь представим себе сверхмощную лампу, снабженную рефлектором. Лучи света падают на рефлектор и отражаются от него. При этом они давят на рефлектор. Такая лампа с рефлектором, подвешенная свободно в пространстве, и будет моделью фотонной ракеты.
В одну сторону будет выбрасываться узкий пучок света, отраженный от рефлектора, а в другую сторону вместе с лампой начнет двигаться рефлектор, на который давит свет. Источники света, которые имеются сейчас в нашем распоряжении, слишком слабы, и мы не замечаем давления света, а в будущем мы сумеем, безусловно, создать такие мощнейшие источники света, которые помчат огромные космические корабли.
Мощный луч света давит на крылышко крутильных весов и поворачивает их, закручивая нить.
Вопрос. А чем же будет создаваться такой сильный световой поток?
Ответ. В 1905 году ученый мир был потрясен появлением небольшой книжечки, автором которой был швейцарский инженер Альберт Эйнштейн. В этой работе были изложены первые основы теории относительности, одним из выводов которой является эквивалентность массы и энергии.
Энергия (Е), как гласит математическая формула, выведенная Эйнштейном, равна массе (m), умноженной на квадрат скорости света (с):
E = mc 2
При выделении из вещества энергии общая масса вещества уменьшается. Это уменьшение, называемое дефектом массы, особенно заметно при ядерных реакциях, которые, как известно, сопровождаются выделением огромных количеств энергии. Так, в ходе реакций распада ядер урана дефект маccы составляет всего 0,05 %, то-есть при выделении энергии масса уменьшается всего на 1/2000 долю.
Несколько больше дефект массы при термоядерных реакциях. Например, при слиянии ядер водорода в ядра гелия. Но и в этом случае он составляет всего 0,09 %.
Физика ядерных превращений делает свои самые первые шаги. Возможно, что будут открыты ядерные превращения, при которых дефект массы будет приближаться к 100 %. Когда мы научимся производить такие превращения, тогда станет возможной постройка фотонной ракеты. Большое зеркало, помещенное внутри ракеты, сконцентрирует в один луч мощный поток вылетающих из реактора фотонов и отразит их в пространство. При этом давление света на зеркало будет настолько большим, что сможет сдвинуть с места и придать огромную скорость большому сооружению – фотонной ракете. Луч света станет рабочим веществом.
Вопрос. Трудно ли будет построить эту ракету?
Ответ.Конечно, трудности постройки подобной ракеты огромны. При реакции разовьется очень высокая температура. Ракету нужно будет делать очень большой, зеркало помещать на большом удалении от экипажа, а процесс получения энергии совершать постепенно и плавно. Тогда, как показывают расчеты, можно будет при давлении света всего в несколько атмосфер в течение долгого времени, которое будет исчисляться неделями или месяцами, поддерживая постоянный приток энергии и постоянное давление, постепенно разогнать фотонную ракету до скорости около 250–290 тыс. км сек. А это значит, что подобная ракета долетит до Альфа Центавра за 5 лет и через 10 лет вернется обратно.
Могут спросить: а разве ракету на обычном горючем нельзя постепенно разогнать до такой скорости? Конечно, нет. Для этого пришлось бы отправить ракету с массой, равной Луне, чтобы до звезды долетела крупинка.
Сейчас, когда на наших глазах сбывается «фантазия» Циолковского, можно думать, что и эта «фантазия», может быть даже в не очень далеком будущем, будет осуществлена и полет к ближайшим звездам станет возможным.
* * *
На 4-й странице обложки журнала показано устройство «светового двигателя» фотонной ракеты: сопло для выхода светового луча ( 1), корпус ракеты ( 2), реактор ( 3), рефлектор ( 4), слои защитного материала ( 5).
Это не завтрашний – это послезавтрашний день науки и техники.
* * *
– Эврика! – вскричал Верхоглядкин после трехминутных, но мучительных поисков идеи. – Мы сделаем автоматическую комнату на атомной энергии!
– Как? – переспросил Боба – На атомной? Но это опасно…
– Возможны жертвы! – сказал Верхоглядкин.
– Идет! – решил Белоручкин. – Мы будем переоборудовать твою комнату.
(См. стр. 23.)
Вести с пяти материков
По жизни слова в языке можно проследить и за жизнью явления или вещи, называемых этим словом. Маленькое греческое словечко « autos» – «сам» – «омолодило» массу старых слов, наполнило их новым значением. Авторучка, автосцепка, автотормоз, автопилот, автостоп – во все растущее количество самых невообразимых сочетаний вступает это маленькое с словечко. Автоматика все больше проникает во все области нашей жизни. Некоторые из сообщений сегодняшней почты красноречиво рассказывают об этом.
ПЕЧАТНЫЙ ГИГАНТ. Гигантская ротационная машина, крупнейшая в Европе, установлена в пражской типографии «Свобода». Машина автоматизирована, что позволяет печатать 8 тыс. печатных листов в час. Если суточную продукцию машины – 10 тысяч томов – положить друг на друга, то вершина «стопки» достигнет высоты 500 м!
АВТОМАТ ОПРЕДЕЛЯЕТ РАДИОАКТИВНОСТЬ РУДЫ. Прибор для автоматического определения радиоактивности добытой урановой руды, недавно демонстрировался на Парижской выставке новых изобретений в области атомной техники.
ЭЛЕКТРОННЫЕ «ГЛАЗА» РАЗЛИЧАЮТ ЦВЕТ. Прибор работает быстрее человека и освобождает его от опасного влияния радиоактивного излучения. На одном из предприятий в Калифорнии ежедневно сортируется до миллиона лимонов. Эту огромную работу проделывают всего шесть машин. Их электронные «глаза» различают пять степеней окраски лимонов: от темнозеленой до светложелтой.
Подобные же машины построены для сортировки фасоли, гороха, подсолнечника, сортовых семян кофе, орехов и многих других культур.
«МНОГОРУКИЙ» СТАНОК. 14 операций одновременно производит показанный на этом снимке новый чехословацкий полуавтоматический станок. За час он обрабатывает 30 деталей с высокой точностью. Он позволяет сэкономить много места, так как заменяет 14 обычных станков. Как полагают чехословацкие конструкторы, это еще не предел. В настоящее время они строят станок, который будет производить 30 различных операций, причем число рабочих инструментов и их положение можно будет изменять.
ТРАКТОР УПРАВЛЯЕТСЯ ПО РАДИО.Тракторист включил радиопередатчик, подождал, пока нагреются лампы, и повернул какую-то ручку. Трактор, стоявший в отдалении на поле, взревел мотором и двинулся вперед, вспахивая широкую полосу…
Так работает изготовленный недавно в Англии новый радиоуправляемый трактор. Приемник, смонтированный на нем, имеет специальное реле, которое через ряд устройств «командует» электромагнитами, установленными на органах управления. При приеме команд на тракторе загорается определенная лампочка, видная издали, что позволяет контролировать работу всей системы.
Подобное управление может быть применено для перевозок опасных материалов.
АВТОМАТ СПАСАЕТ ЖИЗНЬ ПИЛОТА.В случае аварии современного скоростного самолета летчику нелегко покинуть кабину. Польские конструкторы изобрели новый вид автоматической катапульты, которая выбрасывает пилота вместе с сиденьем.
Достаточно нажатия кнопки, чтобы летчик вместе с креслом был выброшен из кабины терпящего аварию самолета. После этого в воздухе автоматы раскроют два парашюта, на одном из которых опустится летчик, а на другом кресло.
У МОЛОДЫХ ТЕХНИКОВ
«МАЛАЯ ПЯТИЛЕТКА».25 млн. школьников насчитывает пионерская организация Китая. Ребята стараются помочь старшим в их труде на благо родины не только отличной учебой.
Когда был опубликован первый пятилетний план развития народного хозяйства Китая, школьники решили внести свой вклад в дело обновления страны. Так родилась «малая пятилетка», выполняя которую пионеры участвуют в озеленении городов, сел, школ, дорог, помогают ликвидации безграмотности, изучают технику.
Для того чтобы стать в ряды строителей нового Китая, пионеры занимаются в различных технических кружках домов пионеров. Один только Пекинский дом пионеров посетило за последние годы более 100 тыс. ребят. Увлекательны и полезны занятия кружка юных техников, которые изучают производство по моделям, изготовленным своими руками.
ВЕРТОЛЕТ ЗАПУСКАЕТСЯ ШНУРОМ.Интересную техническую игрушку получили школьники Чехословакии. Модель вертолета, которую вы видите на снимке, запускается рывком шнурка и летает, как заправский вертолет, выше деревьев. Она дает наглядное представление о принципе устройства настоящего вертолета.
