Электронная пушка (ускоритель) направляет в зону реакции термоядерные заряды (мишени) которые, взрываются под действием лазера. Образовавшиеся заряженные частицы, закручиваясь вокруг магнитных силовых линий, отражаются магнитным полем и передают свои импульсы возбуждающему ею электромагниту (тору). Так происходит разгон корабля
Взаимодействие "магнитного зеркала" и заряженных частиц в движителе звездолета. Все силовые линии возбуждаемого магнитного поля проходят внутри тора, сгущаясь в его плоскости. Там где густота линий максимальна, там и напряженность поля самая большая. Всякая заряженная частица, продвигаясь в магнитном поле, "сминает" его. Если энергия частицы меньше энергии деформации магнитного поля, то она сначала затормозится, а потом отпросится полем в сторону уменьшения напряженности (туда где "густота" силовых линий меньше). Только тем частицам, что движутся через центральную часть тора, удается преодолеть магнитный отражатель. Магнитное поле кольцевых токов создает давление внутри тора, имитируя его каркас
Из всех ядерных реакций, продукты которых разлетаются со скоростью, близкой к скорости света, наиболее детально исследована аннигиляция. Здесь из протонов и нейтронов рождаются пи-мезоны. Каждый раз выделяется порядка 5 частиц, причем в среднем равное количество положительных, отрицательных и нейтральных. И все они движутся почти со скоростью света. Время жизни нейтрального пи-мезона - 2 x 1O-16 с; за это время он успевает пролететь доли микрометра, а затем распадается на два гамма-кванта. Заряженный пи-мезон живет несколько дольше - 2,5 x 10-8 с. Он распадается на заряженный мю-мезон (мюон) и нейтрино.
Нейтрино уносит около 12 % энергии, а мю-мезон, в свою очередь, через 2,2 x 10-6 с распадается на электрон (или позитрон) и нейтрино.
Электроны и позитроны - долгоживущие частицы, но на них приходится всего 16 % энергии аннигиляции, и потому, направленный поток надо формировать на той стадии, когда продуктами реакции являются мезоны. Отсюда следует, что нам достаточно иметь такую энергопоглощающую зону реактора, размер которой заведомо меньше длины пробега самой долгоживущей из промежуточных частиц - мю-мезона, т. е. должен быть в пределах 1 км. Тогда будут соблюдены все условия, позволяющие использовать реакцию аннигиляции в звездолете.
Теперь обратимся ко второму главному компоненту системы. Нужное фокусирующее и отражающее осесимметричное магнитное поле можно получить с помощью кольцевого магнита. Если источник заряженных частиц расположен на оси этого кольца, то основная их масса будет отражаться полем и передаст свой импульс формирующему его магниту. Лишь небольшое число частиц, движущихся точно по оси поля, не повернет вспять и пройдет через магнитное зеркало без потери энергии. Вот эти-то частицы и защитят звездолет от столкновений с веществом межзвездной среды, поскольку будут обгонять корабль, взаимодействовать с движущимися навстречу атомами и пылинками впереди и ионизовать их, а ионизованную материю отклонит от аппарата то же магнитное поле. Это удачное обстоятельство почти полностью снимает вопрос о мерах защиты при межзвездных перелетах с большими скоростями.
В качестве генератора магнитного поля удобен полый замкнутый токопроводящин тор ("бублик"). Его магнитные свойства детально изучены, и определение параметров не вызовет трудностей. К преимуществам подобного электромагнита надо отнести, в частности, то, что он в миллионы раз легче постоянного магнита той же силы, а напряженность магнитного поля на поверхности тора можно выбрать при расчетах так, чтобы она не достигала опасной величины.
Теоретические предпосылки для создания ядерного реактивного двигателя следующие. Заряженные частицы - продукты ядерной реакции, разлетаясь в магнитном поле, движутся по спирали вокруг силовых линий и деформируют его. Но затем из-за неоднородности магнитного поля частицы выталкиваются в направлении уменьшения его напряженности (если, конечно, у частиц энергия меньше, чем у поля). Следовательно, нужна такая напряженность поля, которая способна выдержать энергию взрыва, а ядерный синтез должен идти дискретно, т. е. каждую новую порцию реагентов надлежит подавать в зону реакции лишь после того, как из нее выйдут продукты предыдущего микровзрыва.
Избежать повреждений конструкции можно, выбрав такое расстояние от центра тора до зоны реакции, которое бы существенно превышало ее размер.
С помощью МГД-генератора часть энергии частиц может быть превращена в электрическую энергию и использована для работы электромагнитных пушек, различных механизмов и приборов звездолета. При этом скорость частиц изменится настолько незначительно, что такого рода потери можно вообще не учитывать при расчете энергетического баланса двигателя.
Весьма просто вычислить коэффициент полезного действия двигателя, который определяют доля энергии ядерной реакции, уносимая заряженными частицами, доля отраженных частиц и степень сфокусированности реактивной струи из них.
Несложен и расчет теплового баланса звездолета. Та энергия микровзрыва, которая уносится нейтральными частицами и достигает вещества тора (поскольку не отражается магнитным полем), будет поглощаться конструкцией и приводить к ее разогреву. Следовательно, надо предусмотреть, чтобы вся поглощенная энергия отводилась. Охлаждение в вакууме обеспечивает тепловое излучение.
Из условия теплового равновесия (разогрев по величине "равен" охлаждению) определяется допустимая мощность реактивного двигателя звездолета, и оказывается, что чем выше рабочая температура сверхпроводящего материала тора, тем больше допустимая мощность.
А что можно сказать о покрытии из сверхпроводящей пленки для тора? Известные сейчас сверхпроводники из ориентированных кристаллов сложных окислов итрия, бария и меди выдерживают магнитное поле 3,4 x 104 Гс вплоть до температур 300 К: при больших значениях напряженности эти материалы теряют свои сверхпроводящие свойства. Столь сильное поле проникает внутрь сверхпроводника примерно на 0,1 мм, и, следовательно, сверхпроводящую пленку необходимо сделать хотя бы не тоньше 0,2 мм. Технологии создания таких пленочных сверхпроводников уже существуют.
Генерируемое магнитное поле будет обжимать со всех сторон поверхность самого тора и одновременно растягивать его по диаметру. Значит, токонесущую сверхпроводящую пленку придется наносить на каркас, способный противостоять этим силам. Но для каркаса трудно учесть сразу сжатие и растяжение по разным направлениям, и посему целесообразнее сжатие скомпенсировать давлением изнутри. Тогда вся оболочка тора будет работать только на растяжение, и ее можно будет изготовить, например, из высокопрочного волокна. Говоря о давлении внутри тора, мы имеем в виду не наполнение его газами (что потребовало бы идеальной герметичности), а возбуждение дополнительного магнитного поля кольцевых токов, которые к тому же намного ослабило бы растягивающее воздействие по диаметру.
Что же показывают конкретные расчеты звездолета с ядерным и аннигиляционным двигателями? При толщине тора 22 м и внешнем диаметре 66 м (диаметр "дырки" 22 м) магнитное поле, максимальная напряженность которого на поверхности оболочки составляет 30 000 Гц, выдерживает единичные взрывы с энергией 5x1016 эрг, происходящие на расстоянии 33 м от центра конструкции. Для осуществления протонно-боровой реакций подходят микрозаряды из боранов - соединений ВnHn+2. При частоте взрывов в 330 Гц тяга двигателя составить 30 т с весьма высоким КПД - 70-80 %. Тепловой баланс установится при температуре оболочки, меньше 282 К. Требование подавать реагенты в зону реакции лишь после вылета из нее всех продуктов предыдущего взрыва означает, что мишени (масса каждого заряда 0.07 г) должны выстреливаться в зону со скоростью 10 км/с. Технически это реализуемо, например, с помощью современных электромагнитных пушек (ускорителей).
Силовой каркас тора можно сделать из высокопрочного волокна, скажем борового (предел прочности 5900 Н/мм2). Чтобы изготовить оболочку с нужными характеристиками, потребуется 28 т такого волокна и 6 т сверхпроводящей пленки толщиной 0.2 мм.
Чтобы не увеличивать тепловую нагрузку на сверхпроводник, полезный груз лучше разместить вне тора. Поскольку тяга направлена от зоны реакции в сторону конструкции, то наиболее простое решение - подвесить груз наподобие гондолы аэростата - приемлемо только для устойчивой к гамма-облучению аппаратуры, ведь при такой компоновке он заметно приблизиться к месту взрыва. Видимо, более выгодно установить платформы и рабочие отсеки перед оболочкой. Топливо же, электромагнитные пушки и лазерные инициаторы ядерной реакции, наоборот, имеет смысл расположить поближе к зоне синтеза.
Сейчас сказать что-либо определенное о массе звездолета описанной конструкции довольно трудно. Можно лишь гадать, каким будет вес двигательной системы, но ради определенности примем для корабля и полезной нагрузки оценку 150 т. Тогда разгон до скорости 10 000 км/с и полное торможение в конце пути потребует 960 т топлива, так что стартовая масса системы составит 1110 т, т.е. почти вдвое меньше, чем у многоразового корабля "Спйс Шаттл". Правда, при тяге в 30 т звездолет сможет стартовать только из космоса. Полет на таком звездолете до Альфа Центавра продлиться 143 года, а до Эпсилона Эриданаа - 335 лет.
Точно по той же схеме можно рассматривать вариант мезонного звездолета. Его размер несколько больше: диаметр тора 600 м, а толщина 200 м. Но на изготовление оболочки уйдет 22.4 т конструкционных материалов, поскольку здесь напряженность поля в 30 раз меньше, чем в случае ядерного двигателя. Плоскость тора надо удалить от зоны аннигиляции на 500 м. При таких размерах тягу в 25 т обеспечат микровзрывы энергией 4.5 х 1016 эрг и частотой 16 500 Гц. Если принять, что масса корабельного оборудования и полезной нагрузки в сумме составляют еще 20 т, то для разгона системы до скорости 150 000 км/с (половина скорости света) и торможения у цели полета понадобиться 270 т топлива из которого 50 % должно быть антивеществом. Тут уже путь до Альфы Центавры займет 12 лет, а Эпсилон Эридан - 24,8 года.
А что будет, если использовать корабль с ядерным реактором для полетов внутри Солнечной системы? Отправим наш звездолет массой 150 т в межпланетное путешествие со скоростью 1000 км/с. Для такой экспедиции, включая два разгона и два торможения. Потребуется всего 75 т топлива, а до Плутона и обратно мы сможем добраться месяца за четыре.
В заключении подчеркнем, что большинство из чисто технических трудностей. Стоящих на пути создания звездолета с ядерным двигателем, уже преодолела наука наших дней и есть все основания надеяться, что в недалеком XXI в. земная цивилизация отправит свой исследовательский зонд к недоступным пока звездолета.
Источник: Международный ежегодник "Гипотезы прогнозы наука и фантастика" 1991 г.
[1] Плутон, чья орбита сильно вытянута и частично заходит внутрь орбиты Нептуна, до 1999 г. будет ближе к Солнцу, чем Нептун, который сейчас - самая дальняя планета.