Номер 12, 2006

Электронная информация для любознательных

Для космической вахты

Проект создания лазерного движителя для космического корабля, который закончился успешными испытаниями, финансировал Международный научно-технический центр (МНТЦ). Ученым из НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов, который находится под Санкт-Петербургом в городе Сосновый Бор, помогали их коллеги из Института лазерной физики РАН и ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. А коллаборатором проекта выступила Национальная аэрокосмическая лаборатория Японии.

Главное достоинство такого способа перемещения в пространстве в том, что источник энергии находится на Земле или на орбите и, стало быть, кораблю не надо везти на себе огромные запасы ракетного топлива, вес которого многократно превышает вес полезной нагрузки. Получается, что корабль с лазерным двигателем будет походить на быстроходную яхту, у которой для движения, помимо мачты и легкого паруса, нет ни одной лишней детали.

- Японцы очень заинтересовались созданием лазерной системы реактивной тяги для перемещения космических кораблей, – говорит руководитель проекта кандидат технических наук Ю.А. Резунков. – Ведь планируются четыре направления ее использования. Помимо запуска аппаратов на околоземную орбиту это и удаление космического мусора за счет изменения орбит его частиц, и защита от этого мусора космических станций, и организация межорбитальных полетов космических аппаратов...

Первые упоминания о том, что с помощью лазера, расположенного на Земле, можно летать в космосе, причем делать это с гораздо большим КПД, нежели при использовании энергии сгорания топлива, появились в начале семидесятых годов прошлого века. Так, доктор Артур Кантрович из американской компании «Avco-Everett Labs» в 1972 году предложил использовать для космического полета эффект лазерной абляции, то есть испарения материала в мощном луче лазера.

Спустя год В.П. Коробейников из Математического института АН СССР решил задачу о движении тела под действием внешнего источника энергии, чему, впрочем, предшествовали работы Г.А. Аскарьяна из ФИАНа, который определил давление, возникающее при испарении вещества в мощном потоке излучения.

Развивая эти работы, один из создателей лазера академик А.М. Прохоров вместе с В.Ф. Бункиным предложили в 1976 году теорию формирования тяги в лазерном движителе. Согласно их идеям, если облучать газ мощным лучом импульсного лазера, сфокусированного линзой, возникают локальные взрывы, которые порождают ударные волны. Они-то и служат источником реактивного импульса.

Теория Прохорова служит основой для расчета элементов конструкции двигателей, которые работают в атмосфере. А работы Энтони Пирри легли в основу расчета двигателя для полетов в вакууме. В 1997 году расчеты наконец-то воплотились в металл: профессор Лейк Мирабо провел первые успешные запуски аппарата с лазерным реактивным двигателем на полигоне White Sands Missile Range, штат Нью-Мексико.

В 2002 году профессор отделения механики Токийского института технологии Такаси Хабэ и Клод Фипс, президент компании «Photonics Associates» из Санта Фе, предложили целую концепцию использования стационарных лазеров для путешествий в околоземном и окололунном (!) пространствах. Согласно их плану, лазерные станции, размещенные на Земле, на Луне и на околоземных орбитах, сделают три важных дела. Во-первых, обеспечат экологически чистый запуск спутников, то есть такой, при котором сгорает только немного кислорода. Во-вторых, позволят легко корректировать орбиты искусственных спутников, а, в-третьих, дадут возможность космическим кораблям путешествовать по маршруту Земля-Луна и обратно без значительных затрат топлива.

В общем-то, расстояние тут не имеет особого значения – свет в космосе распространяется на огромные расстояния безо всякого поглощения, разве что с увеличением расстояния увеличивается диаметр луча. В этом случае просто необходимо еще одно зеркало, перехватывающее весь луч и фокусирующее его в двигатель. В космосе размер не имеет значения. Ведь уже сейчас в космос пытаются запускать «паруса» для использования «солнечного ветра», еще проще их собирать на орбите. А «парус» для лазерного двигателя будет во много раз меньше.

Поскольку источником энергии для лазеров, размещенных в космосе, будет служить свет Солнца, преобразуемый в электричество с помощью солнечных батарей, такая транспортная система, будучи однажды построенной, сможет устойчиво работать неограниченно долгое время, а ее содержание будет обходиться совсем недорого. Правда первичные затраты довольно велики, но не чрезмерны, а вполне сопоставимы со стоимостью подготовки марсианской экспедиции на ракете с ядерным двигателем.

- Мы придумали очень интересную конструкцию, – рассказывает ведущий сотрудник проекта кандидат физико-математических наук В.В. Степанов. – В нашей модели не одно, а два зеркала. Они нужны для того, чтобы корабль мог лететь навстречу световому лучу. Это очень важно: лазерный луч в такой конструкции не рассеивается на продуктах испарения материала.

Первое зеркало выглядит очень необычно: оно похоже на гладко отполированный острый шпиль. Луч лазера падает на него и, отражаясь, собирается на другом зеркале, которое надето на широкую часть шпиля как обод на ступицу колеса. Это зеркало концентрирует собранный свет в камере, в которой расположено испаряемое вещество. Оно испаряется, сильно нагревается под воздействием лазерного излучения и стремительно вылетает через сопло, обеспечивая кораблю реактивную тягу...

За три года работы ученые провели много опытов для того чтобы подобрать вещество с наилучшими параметрами. Сначала эксперименты проводили с жидким топливом, которое впрыскивали в рабочую зону с помощью форсунок. Эксперименты с более удобными твердыми веществами показали, что лучшую тягу обеспечивает полиформальдегид. Ближайший его соперник – поливинилхлорид давал тягу на 30% меньше, а поликарбонат – более чем в два раза меньше. Поэтому для испытаний полетной модели был выбран полиформальдегид.

Модель космического корабля, способного летать по лазерному лучу, получилась небольшой: диаметр второго зеркала двадцать сантиметров, а вес – 200 г. В лаборатории этот кораблик отлично летал со скоростью 3-4 м/c при мощности лазерного излучения 5 кВт, развивая при этом тягу в 1,5 Н. Это в полтора раза больше, чем у двигателей малой тяги, работающих на жидком топливе, – гидрозине и используемых для коррекции орбиты и ориентации космических станций, и в тысячу раз меньше, чем у разгонного блока «Фрегат», которым космические корабли выводят на межпланетную траекторию.

- В основе успеха лежат наши многолетние исследования по взаимодействию лазерного излучения с веществом. Благодаря гранту МНТЦ мы смогли также очень хорошо разобраться в особенностях распространения лазерного излучения в турбулентной атмосфере и создали программное обеспечение, которое позволяет точно фокусировать луч на вершине первого зеркала двигателя и поддерживать его в этом положении во время движения модели космического корабля.

К сожалению, для того чтобы с помощью лазера выводить в космос аппараты, он должен быть способен хотя бы полчаса давать стабильный луч мощностью более 1 МВт. Сейчас такие лазеры разрабатываются. Кто первым его сделает, тот и полетит в космос по лазерному лучу. Задача осложняется тем, что подобные лазеры, тем более расположенные на околоземной орбите, представляют собой элемент системы противоракетной обороны, и их разработка подпадает под действие соответствующих международных договоров, – подытожил Ю. Резунков.

Голос из клетки

Голоса млекопитающих весьма причудливы: вместо того, чтобы равномерно гудеть на одной ноте, звери скрипят, визжат, гнусавят. Московские зоологи при поддержке РФФИ пытаются понять, нужны ли животным эти звуковые особенности, от которых люди старательно избавляются.

Российские ученые, сотрудники кафедры зоологии позвоночных биологического факультета Московского университета и Отдела научных исследований Московского зоопарка, проанализировали структуру звуков, издаваемых млекопитающими. Исследователи обнаружили, что звуки, издаваемые самыми разными видами, от насекомоядных до человека, имеют сходные особенности. Для чего нужны эти звуковые феномены, пока не ясно, но ученые предлагают несколько гипотез.

Голосовой аппарат у всех млекопитающих устроен сходным образом. В гортани расположены две голосовые связки, которые колеблются в потоке выдыхаемого воздуха и рождают звук, имеющий определенную частоту и гармоническую структуру. Но в основную частоту вплетаются помехи, которые значительно меняют структуру звуков, придавая им хрипоту, гнусавость, визгливость, скрипучесть или дисфонию. Эти звуковые характеристики носят общее название – нелинейные феномены и возникают из-за особенностей колебания и натяжения голосовых связок. У млекопитающих есть и другие возможности придать своему голосу неповторимую окраску. Многие имеют на голосовых связках тонкие вокальные мембраны или толстые, мясистые подушечки или располагают резонаторами – воздушными мешками. А некоторые звери, на зависть людям, могут одновременно и подавать голос, и свистеть.

До недавнего времени ученые не обращали внимания на эти особенности звериных голосов. Но с развитием техники, которая позволяет записывать и анализировать звуки, они накопили соответствующую информацию и задумались, нужны ли млекопитающим нелинейные феномены, и если нужны, то зачем. На основании собственных исследований и литературных данных, московские зоологи предлагают несколько гипотез.

Например, поскольку каждое животное издает звуки с теми или иными структурными особенностями, нелинейные феномены могут служить для идентификации кричащего зверя. Кроме того, многочастотный крик звучит громче и разносится дальше, чем звук с определенной частотой, поэтому передает информацию об обладателе голоса на большие расстояния. Не случайно многие рыкающие звери имеют на связках подушечки, понижающие частоту звука.

Голос можно использовать и для мимикрии. Обычно крупные животные имеют низкий голос. Нелинейные феномены могут снизить кажущуюся высоту звука на целую октаву, и таким образом маленький зверь, будучи невидимым, вопит, притворяясь большим. Голос, имеющий две основные частоты, позволяет определить расстояние до кричащего животного и направление, в котором оно движется. Высокочастотные звуки затухают значительно быстрее, чем низкочастотные. Поэтому, чем дальше животное, тем ниже кажется его голос. Эта гипотеза экспериментально проверена только на касатках, и в настоящее время московские зоологи испытывают ее на красном волке.

Но человек чаще всего использует нелинейные феномены для привлечения внимания к своей особе. Обычно такой возможностью пользуются младенцы, причем не только человеческие, но и обезьяньи. Они во всем зависят от матери и постоянно требуют ее от нее пищи, заботы и внимания. Однако мать не собирается тратить на них все свое время. Наблюдения за зелеными мартышками показали, что они часто игнорируют призывные крики собственных детенышей. Если бы малыш постоянно вопил на одной ноте, он только зря потратил бы силы и привлек к себе внимание хищников. Но хитрые детеныши все время варьируют свои крики, поэтому к ним нельзя привыкнуть и трудно игнорировать. В звуках, которые издают человеческие дети, нелинейные феномены встречаются лет до трех, а потом идут на убыль. Взрослые люди в речи и пении стараются избегать хрипов и подвываний.

К началу ^