Ракеты, разгоняющиеся при помощи лазера — уже скоро!

Когда я писал заметку про заправку летательных аппаратов при помощи лазерного луча, мне стало интересно, а есть ли рабочие модели, работающие по схожему принципу. Увы, рабочих моделей особо нет, есть экспериментальные образцы с длительность полета в десятки секунд. Однако, в них вообще нет ни батарей ни электродвигателей, а лазер используется практически в качестве топлива. Рассмотрим существующие и активно разрабатывающиеся проекты летательных аппаратов, движущей силой которых является внешний источник лазерного излучения.

Самое интересное, такие аппараты в гораздо большей степени пригодны для эксплуатации в атмосфере Земли, чем в космосе, как могло бы показаться на первый взгляд. Силовая установка в таких самолетах или ракетах работает по принципу, схожему с обычным ракетным двигателем — нагреваемые газы, расширяясь, выходят из сопла с большой скоростью, создавая необходимую тягу. И здесь многое зависит от того, что это будут за газы и как именно их заставить "выйти" из сопла двигателя, создав эту самую тягу.

Напомню, что в обычных ракетных двигателях тяга создается за счет окисления топлива (при помощи его сжигания) и струя раскаленных газов "выхлопа", то есть — продуктов сгорания, вырываясь из сопла, толкает всю установку в сторону, противоположную направлению движения струи. Это третий закон Ньютона в действии. Топливо может быть как твердым, так и жидким. Может состоять из одного или нескольких компонентов (основного горючего и его окислителя), главное — чтобы горело, образовывая струю расширяющихся газов.

Например, в первых межконтинентальных баллистических ракетах советского производства использовались трехкомпонентные жидкостные ракетные двигатели, топливо которых состояло из авиационного керосина (в качестве основного горючего), концентрированной азотной кислоты (в качестве окислителя) и концентрированной перекиси водорода (в качестве катализатора реакции окисления). Смешение трех этих жидкостей в камере сгорания двигателя приводило к взрывобразному возгоранию керосина.

Перекись и кислота нужны концентрированные, а керосин авиационный – не пытайтесь повторить эти опыты дома, затарившись на радиорынке или в хозяйственном магазине. Продукты такого сгорания, выходя из сопла, несли коммунизм во все уголки планеты. Конструкция отличалась надежностью и высокой тягой, однако, ракета требовала постоянной заправки и слива топлива (весьма токсичного), чем не доставляла не мало интересных моментов персоналу, ее обслуживающему.

Первые американские ракеты, в свою очередь, были твердотопливными, т.е. использовали в качестве топлива порохообразную смесь, постепенное сгорание которой обеспечивало двигатель продуктами этого самого сгорания — раскаленными газами, и как следствие — тягой. Такие ракеты были всегда заправлены и готовы к пуску, однако, обеспечивали меньшую тягу и, как следствие — меньше доставляемой демократии на квадратный километр площади. Более мирный пример — обычные китайские ракеты — феервекри.

Как видим, обе принципиальные конструкции используют реакцию окисления (горения) для получения струи горячих газов, образующих тягу. А что, если каким-то хитрым образом нагревать эти самые газы без процесса горения. Ньютону ведь без разницы, как именно эти самые газы будут оказывать силу на конструкцию, главное — чтобы оказывали достаточную для создания тяги. Можно даже не обязательно в камере сгорания, а прямо под ракетой…или рядом с корпусом самолета. Если получится резко нагреть тот же воздух (он же тоже газ) в небольшой точке под летательным аппаратом, этот участок воздуха расширится, оказав таким своим расширением воздействие в виде приложения давления на корпус аппарата.

 

Резкое нагревание ограниченной области воздуха возле аппарата можно нагревать при помощи наземных лазерных установок, как постоянного так и импульсного действия. Общая идея, думаю, понятна — в случае, если нагреваться будет воздух (для аппаратов, предназначенных к эксплуатации в атмосфере Земли), топливо с собой можно не брать, да и силовая установка, размещенная на земле, значительно экономит собственный вес аппарата. Как следствие — повышение грузоподъемности, значительное удешевление и упрощение конструкции. В 2000 году некий Leik Myrabo установил рекорд по высоте и длительности полета, а также размерам лазерного летательного устройства.

Работало оно по описанному выше принципу: импульсный газовый лазер мощностьб 10 кВт направлялся на корпус ракеты (размером 20*12,2 см. и весом около 50 грамм), нагревая область вокруг "камеры сгорания", в которой находился обычный воздух, до температуры в пять раз, превышающей температуру поверхности Солнца. Такой резкий нагрев приводил буквально к взрыву воздуха, который, стремительно расширяясь и создавал тягу для всего устройства. Полет длился 12,7 секунд, за которые аппарат поднялся на высоту в 71 метр. Это не много, а учитывая массу (в 50 грамм) и мощность использованного лазера (10 кВт), это даже мало. Однако, автор продолжает разработки. Движение осуществлялось только вверх, что для ракеты и не удивительно. Горизонтальное движение на текущей стадии проекта, пока, не возможно.

Касательно же использования такого способа движения для доставки аппаратов и грузов на околоземную орбиту, то здесь перспектив чуть больше. Во первых, такая "лазерная" ракета может взять свое топливо с собой. Оно будет нагреваться лучом с Земли, что, как минимум, позволит сэкономить на его весе. Ведь чем выше температура нагрева, тем стремительней расширение и тем выше тяга, а значит — можно взять меньше топлива и получить больше веса для полезного груза.

Лазеры здесь теоретически предоставляют возможность нагревать ограниченные области пространства вообще без ограничений по температуре. Хотя они конечно есть – по температуре плавление материалов сопла двигателя, или той его части, которая будет соприкасаться с раскаленной струей газа. Кстати, про нагрев лазером — недавно при помощи импульсного лазера вещество было нагрето до температуры в 10 миллионов градусов Кельвина — как в центре Солнца.

Приблизительно подсчитано, что для отправки на низкую околоземную орбиту корабля массой 1 килограмм, нужно будет тратить приблизительно 1 мегаватт энергии в виде лазерного излучения все то время, пока будет происходить подъем. Много это или мало? В деньгах за чистые затраты электрической энергии это примерно $20 (двадцать долларов), как считают авторы подобных проектов. Учитывая, что такие конструкции также обещают многократное увеличение грузоподъемности ракеты, это действительно может привести к возникновению дешевого способа доставки грузов на орбиту.

Осталось только получить лазеры, способные выдавать такую мощность дольше, чем доли секунды. Ну и обеспечить их электроэнергией…хотя, здесь нам обещают помочь суперконденсаторы.

Общий смысл ясен — основная силовая установка на земле, летательный аппарат с полезным грузом (и небольшим количеством топлива в случае с выходом в космос) в воздухе. Как минимум, это что-то новое. Действительно, построить для обеспечения таких полетов собственную атомную электростанцию, я думаю, будет дешевле, чем построить космодром с инфраструктурой для традиционных твердотопливных ракет.

Правда, те же мобильные ракетные комплексы из 60-х были способны запускать ракеты с любой площадки — хоть из леса, хоть из поля…так что это определяется мерой необходимости. В любом случае — технология интересная и в ближайшем будущем, с прогрессом в развитии способов накопления электроэнергии, следует ожидать и ее дальнейшего развития.