В этот день… №3-23 (11-20 июня)
Одно из самых сложных и неопределённых для человека понятий — понятие времени. Что-то происходит слишком рано, и мы говорим: «Время ещё не пришло». А что-то происходит в самую последнюю минуту, и мы радуемся: «Успели!» А причин для этого «успели» очень много, и не все они до конца известны.
11 июня 1984 года — начало работы 20-й объединённой конференции AIAA/SAE/ASME по реактивным двигателям (США).
Мы уже рассказывали об отечественных научных конференциях, имеющих отношение к развитию ракетно-космической техники. Но гораздо большее количество встреч учёных, проектантов и астронавтов происходило в США. Именно на таких конференциях озвучивалась информация о новых принципах и методах создания тяговых усилий для перемещения в пространстве космических аппаратов. Об одном из таких предложений речь и пойдёт в этом обзоре.
На 20-й объединённой конференции по реактивным двигателям, проходившей с 11 по 13 июня 1984 года в г. Цинциннати, шт. Огайо, сотрудник исследовательской лаборатории Роберт Форвард (Robert Forward) сделал доклад о почти фантастическом проекте антипротонного аннигиляционного двигателя. Такой двигатель рассматривался как ускорительная система с большими тягой и удельным импульсом, в основе которой лежит получение, хранение и последующее использование антипротонов. 
Необходимо заметить, что Роберт Форвард был далеко не первым, кто обратился к столь необычной возможности создания тяги. Ещё Эйген Зенгер в своей работе 1953 года «Теория фотонных ракет» предлагал использовать антиматерию в виде антиэлектронов (позитронов), взаимодействующих с электронами и образующих гамма-излучение с энергией 0,511 Мэв. Зенгер предпринял неудачную попытку создать электронно-газовые зеркала, предназначенные для того, чтобы непосредственно использовать это коротковолновое гамма-излучение в фотонной ракете.
В космической ДУ предпочтительнее использовать антипротоны, а не позитроны. При аннигиляции антипротона с протоном (нейтроном) гамма-излучение непосредственно не генерируется, но образуется от трёх до семи пионов. В среднем рождается 3,2 заряженных пионов и 1,6 нейтральных пионов. Нейтральный пион почти мгновенно распадается на два высокоэнергетических (200 Мэв) гамма-кванта. Длина пробега заряженных пионов до их распада составляет 21 м. Времени жизни и длины пробега достаточно, чтобы успеть собрать с помощью магнитного поля в камере сгорания двигателя заряженные пионы и преобразовать изотропный микровзрыв в тягу. Кроме того, при распаде заряженных пионов образуются заряженные мюоны высоких энергий, обладающие ещё большими временами жизни и длинами пробега, что облегчает процесс получения тяги.
При создании антипротонного аннигиляционного двигателя необходимо решить следующие основные задачи:
- генерация антипротонов;
- захват антипротонов;
- охлаждение при релятивистских скоростях;
- торможение от релятивистских до субрелятивистских скоростей;
- охлаждение и замедление при субрелятивистских скоростях;
- превращение в антиводород;
- охлаждение и замедление антиводорода;
- превращение атомов антиводорода в молекулы антиводорода;
- охлаждение и замедление молекул антиводорода;
- остановка молекул антиводорода;
- захват и охлаждение молекул антиводорода;
- превращение газообразного антиводорода в лёд;
- продолжительное хранение антиводородного льда;
- извлечение антиводорода из хранилища;
- аннигиляция антиводорода;
- передача энергии аннигиляции рабочей жидкости и преобразование энергии рабочей жидкости в тягу двигателя.
Некоторые из этих проблем, например, генерация, захват, релятивистское охлаждение, уже нашли свои решения. В основном намечены пути решения и большей части остальных проблем. Правда, для получения аннигиляционной энергии используется весьма крупногабаритное оборудование стоимостью много миллионов долларов (ускорители заряженных частиц) и огромное количество электрической энергии. Такое научно-исследовательское оборудование не предназначено для непрерывной выработки большого количества аннигиляционной энергии.
О трудностях получения антивещества и его хранения говорит следующий факт. Антиводородный лёд (наиболее перспективный способ хранения антивещества) получается при очень низкой температуре (0,001 К и ниже), что непросто реализовать в ДУ КЛА. Но и преимущества такого двигателя весьма заманчивы. Так, в антипротонном аннигиляционном двигателе энергия, полученная из реакции аннигиляции, может быть аккумулирована стенками теплообменника, изготовленного из тугоплавкого металла (вольфрам). При максимально достижимой температуре (ограниченной температурой плавления вольфрама около 3000 К) можно получить максимальный удельный импульс около 8020 м/с и скорость истечения около 9 км/с. Это существенно больше, чем в двигателях на химическом топливе и даже в тепловых ядерных двигателях, но далеко не предельные значения скорости истечения, которую можно получить при аннигиляции антипротонов.
При нагревании рабочего тела (водорода) пионами, генерируемыми в реакции аннигиляции, образуется настолько горячая плазма, что контакта с ней не выдержат стенки ни камеры сгорания, ни сопла, изготовленные из обычного твёрдого материала. Но поскольку плазма состоит в основном из заряженных частиц, их удержанием и передвижением можно управлять, используя сильные магнитные поля.
На производстве хорошего уровня можно будет получить антиводород с энергетическим КПД более 0,0001 (в настоящее время КПД 0,0000002). Цена миллиграмма антиматерии по оценкам составляет около 10 млн. долл. Приведённые оценки далеко не окончательны, но выгода от применения антиматерии в качестве топлива для космических двигательных установок вполне очевидна.
Ещё в 1984 году Роберт Форвард пришёл к выводу, что создание двигательной установки на антипротонах — задача осуществимая, но связанная с большими трудностями и экономическими затратами. Многие научные и технические проблемы разработки таких двигателей не решены до сих пор и требуются значительные усилия различных коллективов для их разрешения.
17 июня 1941 года — показ реактивных систем залпового огня военному руководству Советского Союза (СССР).
В день начала второй мировой войны в Европе, 1 сентября 1939 года на Софринский артиллерийский полигон для проведения заводских испытаний вывезли механизированную установку МУ-2 для стрельбы снарядами РОФС-132 (реактивный осколочно-фугасный снаряд калибра 132 мм). Именно этот день можно считать днём рождения советской «Катюши» (как называли такие установки на фронте). Все, что было до этого, можно представить, как предысторию создания одного из наиболее известных образцов ракетного оружия середины ХХ века. Не вдаваясь в подробности всех хитросплетений этой предыстории, заметим, что после успешного проведения заводских испытаний, в сентябре — ноябре прошёл предварительный этап войсковых испытаний. Установка МУ-2 успешно выдержала экзамен, но лишь при условии решения в кратчайшие сроки проблемы уменьшения рассеивания при стрельбе. Нужно сказать, что проблема рассеивания снарядов решалась с переменным успехом в течение всего времени производства установки и снарядов для неё. Главная причина рассеивания реактивных снарядов была выявлена лишь в 1949 году. Оказалось, что на кучность влияет не длина направляющей и скорость схода снаряда, а неравномерность горения его порохового заряда. Но в 1939 году об этом ещё не знали.
Второй этап войсковых испытаний должны были проходить шесть установок МУ-2, но с их изготовлением возникли трудности, связанные с тем, что мастерские НИИ-3 (бывшего РНИИ) не могли справиться с такой работой, а изготовление на серийных заводах требовало денег. Всеми правдами и неправдами деньги нашли, по просьбе начальника ГАУ (главного артиллерийского управления) маршала Кулика Г. И. нарком общего машиностроения П. И. Паршин назначил изготовителем Воронежский завод имени Коминтерна. Потребовалось переработать документацию силами «коминтерновцев» и в апреле 1941 года началось изготовление опытных образцов установки. Наркомат обороны, тем временем, включил механизированную установку МУ-2 в план показа новых образцов артиллерийского вооружения членам ЦК партии и правительства.
Показ в Софрино было намечено провести с 15 по 17 июня 1941 года. В последний день показа, 17 июня, на полигон прибыли нарком обороны С. К. Тимошенко, начальник ГАУ Г. И. Кулик, его заместитель Н. Н. Воронов, нарком вооружений Д. Ф. Устинов, нарком боеприпасов П. Н. Горемыкин, ответственные работники ЦК ВКП(б). К показу были подготовлены два опытных экземпляра установок. Одну установку зарядили 132-миллиметровыми осколочно-фугасными реактивными снарядами, вторую — осветительными снарядами.
Залп шестнадцатью крупнокалиберными снарядами произвёл на Тимошенко ошеломляющее впечатление. Все мишени были поражены, возле мишеней горела земля. Через день Тимошенко доложил Сталину о реактивной установке и необходимости её скорейшего внедрения в серию. Сталин согласился.
21 июня 1941 года, за день до начала Великой Отечественной войны, Сталин подписал постановление Совета Народных Комиссаров о серийном производстве реактивных установок и снарядов.
Реактивные установки внесли заметный вклад в победу. Они стали одним из символов Красной Армии. После танков Т-34 и 76-мм пушек ЗИС-3 именно «Катюши» часто встречаются установленными на пьедесталах. Благодаря этим системам вооружения наступил день 9 мая 1945 года, а потом и 4 октября 1957 и 12 апреля 1961 года.
А ведь всё могло быть иначе. Семнадцатью годами ранее описанных событий, 13 июня 1924 года в газете «Известия» напечатали заметку «Пресловутая ракета», в которой энтузиасты ракетостроения назывались «отечественными Сирано де Бержераками», намекая на повесть «Полёты на Луну», вышедшую в 1649 году, в которой, сам того не ведая, французский поэт Сирано де Бержерак пришёл к принципу реактивного движения. К счастью, решения о развитии того или иного направления техники принимали не журналисты, а другие люди. С большими трудностями, но «Катюша» успела к началу войны.
При подготовке материалов были использованы следующие источники:
- Р. Форвард. Антипротонный аннигиляционный двигатель / В журнале «Аэро/космическая техника», №6, 1986.
- М. А. Первов. Рассказы о русских ракетах. Книга первая. — М.: Издательский дом «Столичная энциклопедия», 2012.
- Я. К. Голованов. Королев. Книга первая. — М.: «Молодая гвардия», 1972.
| « | В этот день… №3-22 (1-10 июня) | В этот день… №3-24 (21-30 июня) | » |
