Файл: Левитский С.М. Плазма служит человеку.pdf

пускать через плазму ток от некоторого постороннего источника Е. Под действием силы Е движущаяся плазма будет дополнительно ускоряться и выходить из межэлек­ тродного промежутка со скоростью Кг, значительно пре-

Рис. 7.

вышающей ее первоначальную скорость Кь Такое допол­ нительное электрическое ускорение можно использовать на выходе ракетного двигателя, реактивная тяга которо­ го при этом существенно увеличится.

Однако подобный электрический ускоритель плазмы может быть использован не только как дополнительная приставка к обычному ракетному двигателю на химиче­

37

ском топливе. Ускоряемую плазму можно создавать и внутри самого ускорителя. Источником плазмы может служить электрический разряд, горящий между элек­ тродами Е\ и Ё2, когда между ними идет ток. Для под­ держания разряда надо лишь непрерывно вводить в

межэлектродный промежуток какой-либо газ, который затем в виде плазмы будет выбрасываться из сопла, и тем самым создавать реактивную тягу. Можно, нако­ нец, обойтись вообще без магнитного поля, используя просто высокую температуру плазмы. Как мы видели, электрические дуги типа плазмотрона способны давать значительно большие температуры, чем любая химиче­ ская реакция. Если разогреть рабочий газ в пламени та­ кой дуги и выбросить его через сопло космического дви­ гателя, можно получить скорости истечения существен­ но большие, чем у ракет, работающих на химиче­ ском топливе. Высокие скорости истечения рабочего тела — вот основное преимущество плазменных реактив­ ных двигателей.

Сила тяги ракеты определяется произведением мас­ сы выброшенного вещества на скорость его истечения. Будет ли выброшено много топлива, но с небольшой ско­ ростью, или же немного, но со значительной ско­ ростью — сила тяги останется одинаковой.

Расчеты показывают, что для длительных космиче­ ских полетов на дальние расстояния плазменные реак­ тивные двигатели могут оказаться удобнее ракетных двигателей на химическом топливе: они значительно эко­ номнее расходуют рабочее вещество, предназначенное для выбрасывания из двигателей, и позволяют достичь намного больших скоростей полета.

В лабораториях всего мира сейчас ведутся интенсив­ ные работы по созданию плазменных реактивных двига­

38

телей. Советские ученые в этом вопросе намного опере­ дили своих зарубежных коллег: в то время как там ис­ следования не выходят пока за пределы лабораторных опытов, в СССР в конце 1964 г. была запущена первая автоматическая космическая станция «Зонд-2», обору­ дованная плазменными двигателями, которые осущест­ вляли ориентирование станции. Опыт полностью удался. Шесть небольших плазменных двигателей на протяже­ нии длительного времени поддерживали требуемое поло­ жение станции относительно Солнца.

Правда, из-за ограниченной мощности бортовых источников электроэнергии сила тяги плазменных дви­ гателей еще весьма невелика. Бороться с земным притя­ жением им не под силу, и они не смогли бы оторвать космический корабль от Земли. Но в «открытом» космо­ се их использование будет, по-видимому, весьма перспек­ тивным.

Кроме таких сравнительно «грубых» силовых функ­ ций, которые плазма выполняет в МГД-генераторах и реактивных двигателях, она способна и на осуществле­ ние очень «тонких» работ в технике сверхвысоких частот и ядерной физике.

Выше мы говорили о том, что в плазме могут одно­ временно сосуществовать обычный газ, состоящий из ней­ тральных атомов или молекул, и электронный «газ». Каждый из этих компонентов существует вполне само­ стоятельно, мало влияя на другой, и обладает всеми свойствами, присущими газу,— температурой, давлени­ ем и упругостью.

Известно, что в обычном газе, состоящем из ней­ тральных молекул, могут распространяться звуковые (акустические) волны, являющиеся волнами плотности этого газа. По аналогии в электронном газе также

39

должны существовать волны плотности, которые обычно называют электронно-акустическими, или плазменными, волнами.

Обладая рядом свойств, роднящих их с обычными звуковыми волнами, плазменные волны во многом от них отличаются. Во-первых, вследствие ничтожно малой мас­ сы электронов плотность электронного газа намного меньше плотности обычного газа. Во-вторых, упругость электронного газа обусловлена не механическими сила­ ми отталкивания частиц друг от друга, а электрически­ ми силами отталкивания одноименно заряженных элек­ тронов. Эти силы весьма велики и действуют на сравни­ тельно немалые расстояния. Поэтому электронный газ обладает большой «упругостью». Все это приводит к то­ му, что скорость движения плазменных волн весьма ве­ лика: она составляет обычно 108—109 см/сек, что на че­ тыре-пять порядков больше скорости акустических волн и лишь в несколько десятков раз меньше скорости све­ та. По этой же причине частоты плазменных волн оказываются весьма значительными и приходятся на область так называемого диапазона сверхвысоких частот, соответствующих 10®—1012 колебаниям в се­ кунду.

Тяжелые ионы не успевают двигаться с такой высо­ кой частотой и потому остаются практически неподвиж­ ными. Это приводит к третьему и самому главному отли­ чию плазменных волн от волн акустических. Плазменные волны, то есть волны электронного уплотнения и разре­ жения, движутся на ионном фоне неизменной плотности. В местах сгущения электронов создается избыточный от­ рицательный пространственный заряд, а в местах разре­ жения — положительный. Поскольку нескомпенсированные заряды порождают электрические поля, плазменная

40

волна сопровождается электрическим полем, которое пе­ ремещается вместе с ней (рис. 8).

Наличие у плазменной волны электрического поля дает ученым средство заставить волну взаимодейство­ вать с посторонними заряженными частицами, вводимы-

Электрическое поле д плазме

Плотность электроноб

- ----------------

Скорость дбижения. плазменной Полны

Рис. 8.

ми в плазму извне. Можно, например, заставить плаз­ менную волну ускорять эти частицы.

Уяснить принцип действия такого ускорителя помо­ гает следующая аналогия: у полинезийцев, живущих на Гавайских островах, существует особый вид спорта — гонки на досках в морском прибое. Человек, взяв корот­ кую доску, заплывает далеко в море. Там он взбира­ ется на доску и, стоя на ней, выжидает, когда окажется на скате морской волны, бегущей к берегу. Искусство спортсмена заключается в том, чтобы, балансируя на доске, удерживаться все время на скате волны и мчаться вместе с ней к берегу (рис. 9). Скорость волны по мере приближения к берегу возрастает, и удачливый спорт­

41

смен вылетает с разгона на песчаную отмель в брызгах и пене морского прибоя.

На таком же принципе работают и некоторые виды ускорителей заряженных частиц (так называемые линей­ ные ускорители). В них заряженная частица помещается

на скат бегущей электромагнитной волны *. Под действием электрического поля волны частица стремится соскольз­ нуть в «ложбину», однако волна все время бежит вперед и гонит частицу перед собой. Если скорость волны воз-

1 Далеко не все виды электромагнитных волн подходят для этой цели. Для ускорения частиц необходимо, чтобы волна была про­ дольной, то есть чтобы ее электрическое поле было направлено в ту сторону, куда движется волна. Этому требованию соответствуют электромагнитные волны, распространяющиеся в специальных сложных системах. Обычная же электромагнитная волна, распро­

42

растает (как это было с морской волной, приближа­ ющейся к берегу), то увеличивается скорость подгоня­ емой ею частицы. Наибольшая сложность при осуще­ ствлении этого принципа заключается в том, чтобы «по­ садить» частицу на волну. Для этого желательно, чтобы начальная скорость частицы была близкой к скорости волны. Тогда частица сможет «сесть» на волну без особо­ го труда.

Обычная электромагнитная волна, распространя­ ющаяся в свободном пространстве, для этого не годится. Ее скорость равна скорости света, а последней, как изве­ стно, ни одна частица достичь не может. Нужна «мед­ ленная» волна, которая лишь впоследствии, по мере ус­ корения переносимой ею частицы, увеличивала бы свою скорость.

Для ускорения заряженных частиц можно использо­ вать сравнительно «медленные» плазменные волны, ско­ рость которых намного меньше скорости света. Пока та­ кие ускорители еще не созданы, но расчеты показывают, что они могут оказаться значительно эффективнее суще­ ствующих ныне линейных ускорителей, в которых исполь­ зуются замедленные электромагнитные волны.

Линейный ускоритель, так же как и большинство электрических машин, обладает свойством обратимости. С этим свойством мы уже познакомились выше на при­ мере превращения МГД-генератора в плазменный дви­ гатель. Точно так же можно построить прибор, обрат­ ный линейному ускорителю, в котором не волна «подго­ няла» бы электроны, а электроны «подгоняли» волну.

В линейном ускорителе заряженная частица увеличи­ вает свою скорость, заимствуя энергию у волны. В обрат­ ном устройстве, где электрон «подгоняет» волну, кинети­ ческая энергия электрона должна, очевидно, переда­

43

ваться волне. Электрон будет тормозиться, а амплитуда волны (то есть ее размах) должна увеличиваться. В кон­ це такого устройства амплитуда волны оказывается большей, чем вначале, и мы получаем в результате уси­ литель плазменных волн.

Плазма во Вселенной

Успехи астрофизики заставили ученых основательно пересмотреть представления о физическом состоянии ве­ щества во Вселенной. Раньше, на основании сведений, добытых на нашей холодной Земле, полагали, что основ­ ными состояниями вешества являются твердое, жидкое и газообразное, а состояние плазмы — необычное, исклю­ чительное. Теперь же, после того как ученые проникли глубже в строение звезд и Галактики, можно утверждать как раз обратное: основное и наиболее широко распро­ страненное состояние вещества во Вселенной — это плаз­ ма, а остальные три состояния — редкие и исключи­ тельные.

Согласно существующим на сегодня представлениям основная часть вещества во Вселенной сосредоточена в двух формахмежзвездного газа и вещества звезд.

Межзвездный газ, как свидетельствует само его на­ звание, заполняет огромные пространства между звез­ дами. Концентрация его чрезвычайно мала — она намно­ го меньше, чем в наилучшем вакууме, полученном в физических лабораториях. Но, учитывая огромные меж­ звездные расстояния, можно утверждать, что общая мас­ са этого газа очень велика и, возможно, превосходит мас­ су всех звезд, вместе взятых. Концентрация межзвездно­ го газа изменяется в зависимости от места: внутри нашей Галактики она составляет 10 атомов в 1 см3, вне Галак­

44