Начало этим работам, пожалуй, положили эксперименты, проведенные на полигоне исследовательского центра Министерства связи Канады. А именно 6 октября 1987 года здесь состоялся первый полет опытного варианта беспилотного самолета «SHARP» (Stationary High-Altitude Relay Platform), представляющего собой стационарную высотную платформу-ретранслятор с двигателем на сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии.
Самолет этот, имевший крыло с размахом 4 м, по мысли создателей представлял собой лишь уменьшенный прототип будущей машины.
На взлете и посадке питание электродвигателя с воздушным винтом осуществлялось за счет энергии бортовых никель-кадмиевых батарей. После взлета и подъема на высоту 90 м батареи отключались, и в дальнейшем полет осуществлялся за счет передачи на борт аппарата СВЧ-энергии с наземного передатчика при помощи параболической антенны.
На борту самолета находилась специальная приемная антенна, которая обеспечивала преобразование СВЧ-излучения сначала в постоянный, а затем и в переменный ток, необходимый для питания электродвигателя.
Предполагалось, что в дальнейшем усовершенствованный вариант самолета больших габаритов сможет подняться на высоту 2,5–3 км. Однако такой самолет до сих пор не появился. Почему?
Со временем выяснилось, что затраты на его создание оказались существенно выше, чем предполагалось. Ведь в окончательном варианте, по мнению разработчиков, самолет должен иметь размах крыла 36,6 м, длину фюзеляжа 23,8 м, диаметр диска с антеннами-выпрямителями 9,1 м и массу полезной нагрузки около 90 кг.
Чтобы обеспечить эффективный прием передаваемой энергии, на борту самолета предполагается установить около 10 тыс. антенн-выпрямителей. Они будут располагаться под консолями крыла и фюзеляжа, а также непосредственно на диске. Управление аппаратом обеспечит бортовой компьютер.
Чтобы передаваемой на борт самолета СВЧ-энергии хватило для поддержания полета, необходимо, чтобы ширина сфокусированного луча не превышала 30 м, давала мощность на ходе бортового электродвигателя не менее 30 кВт, а стало быть, плотность энергии на нижней части самолета должна составлять порядка 500 Вт/кв. м при полете на высоте до 21 км.
С этой целью выбрана частота передаваемого излучения 2,45 ГГц; при этом меньше потери энергетического пучка в воздушной среде. А чтобы передаваемый луч достиг приемной антенны, не распыляясь в пространстве более чем на 30 м в окружности, диаметр передающей антенны должен быть не менее 70 м.
Чтобы выбрать оптимальный вариант, разработчики предполагали рассмотреть несколько конструкций передающего оборудования — как в виде одной большой антенны, так и антенной системы. Одно из предложений предусматривает также использование системы из 260 параболических антенн с диаметром отражателя 4,6 м с механическими и электронными средствами управления пучком энергии.
В общем, трудностей оказалось предостаточно. Тем не менее разработчики полагают, что коммерческий самолет такого типа будет создан примерно к 2015–2025 годам.
Согласно расчетам, он должен выполнять барражирующие полеты по кругу диаметром 4,5 км на высоте 21 км при скорости 220 км/ч, охватывая площадь диаметром около 600 км. Продолжительность такого полета составит от 6 месяцев до 2 лет. А сам аппарат предполагается использовать как летающую антенну для ретрансляции программ регионального радиовещания, ведения прямых телепередач и обеспечения телефонной связи с подвижными транспортными средствами, наблюдения за океанской акваторией и для дальнего радиолокационного обнаружения низколетящих целей, ведения круглосуточного наблюдения за границами и т. д.
Ну а там, глядишь, подобные летательные аппараты смогут поднять на такие высоты, где голубое небо становится уже черным, то есть на космическую высоту.
Правда, пока и здесь эксперименты еще не вышли за пределы лабораторий и полигонов. Например, в одной из лабораторий Токийского технологического института можно увидеть, как лазерный луч сбивает со стола бумажный самолетик. На первый взгляд такой «аттракцион» — не более чем забава студентов и преподавателей, которыми руководит профессор Такоши Ейп. Однако с точки зрения исследователей, этот самолетик — предшественник летательных аппаратов будущего.
Первое, что приходит на ум: подобные модели с телекамерами и научной аппаратурой на борту, подталкиваемые лазерными лучами, смогут неограниченно долго держаться в воздухе, проводя мониторинг окружающей среды, выполняя разведывательные задачи и т. д.
Таково прогнозируемое будущее. Пока же бумажная модель имеет размах крыльев всего в 5 см и вес не более 0,3 г. На хвосте самолетика укреплена полоска алюминиевой фольги для отражения лазерного луча.
Но поскольку давление света невелико, то тягу пытаются увеличить с помощью… пара. Для этого алюминиевую фольгу смачивают несколькими каплями воды. Испаряясь под действием лазерного луча, она превращается в пар и создает реактивную тягу.
На фольгу на другом самолетике с той же целью наносят несколько капель полимера, который под действием лазера также способен обращаться в пар. Но вода все-таки лучше, полагает профессор Такоши Ейп. Она дешевле пластика и действует сильнее.
По его подсчетам, струя пара движется со скоростью примерно 100 м/с. В принципе почти с такой же скоростью Может двигаться и модель. Но это в идеале. Пока же лазер лишь сталкивает модель с лабораторного стола, и она плавно планирует на пол.
Подобный подход к движению имеет то преимущество, что источник движения — лазер — находится вне летательного аппарата. А значит, вес самого «самолета» может быть существенно уменьшен.
Аналогичная схема может быть также использована для удешевления запуска небольших спутников. Такая идея была высказана доктором Артуром Кантровицем, профессором инженерной механики из Дартмутского университета, еще лет сорок тому назад.
А в экспериментах, проведенных на ракетном полигоне «Уайт Сандс», штат Нью-Мексико, в октябре 2000 года, сфокусированный луч углекислотного лазера смог подбросить модель космического аппарата «Lightcraft» весом в 50 г и размером с теннисный мяч на высоту 70 м. Полет модели продолжался всего 13 с. Однако лиха беда начало!
Доктор Лейк Мирабо, профессор механики политехникума в г. Троя, штат Нью-Йорк, принимавший участие в упомянутом эксперименте, собирается в ближайшее время добиться еще более впечатляющих результатов. По его расчетам, мощный лазерный луч сможет разогнать небольшой летательный аппарат до скорости не менее 6М, то есть в 6 раз большей, чем скорость звука. Причем полет этот будет проходить на границе атмосферы, на высоте примерно в 100 км.
Подобная технология, по мнению профессора Мирабо, в значительной мере упростит и удешевит доставку грузов в космос. И если сейчас на каждый килограмм груза при доставке на орбиту приходится тратить не менее 10 000 долларов, то «лазерная доставка» будет стоить в 100, а то и в 1000 раз дешевле!
В одной из разработок ученого параболическое зеркало, смонтированное на корме небольшого космического аппарата, фокусировало лазерные импульсы на покрытии из полимерного материала. Материал, понятно, испарялся, и получавшаяся реактивная сила подбрасывала аппарат вверх. Причем если ветер отклонял аппарат от вертикали, автоматика тут же меняла направление реактивной струи, возвращая аппарат в прежнее положение.
«Возможно, в будущем, — говорит профессор Мирабо, — удастся создать более эффективные двигатели, использующие лазерную энергию вместо жидкого топлива. Такие устройства целесообразно использовать в пределах земной атмосферы. На больших же высотах реактивную тягу можно будет создавать с помощью водяного пара, как то предлагают японские исследователи…»
Впрочем, не только японские и американские исследователи работают в этом направлении. Помнится, еще лет тридцать тому назад в одной из лабораторий Московского физико-технического института мне показывали ракету из фольги. И летала она… с помощью лазерного луча и водяного пара.
Ныне этот «трюк» несколько модернизировали во многих лабораториях. Скажем, в немецком Центре авиации и астронавтики, базирующемся в Штутгарте, подобным образом запускают «летающие тарелки» диаметром с пепельницу.
Однако чтобы вывести за пределы атмосферы реальный космический аппарат со спутником, нужно направить на него луч, пульсирующий с частотой не меньше десяти вспышек в секунду и мощностью около 1 млн ватт. А это в 100 раз больше, чем мощность современных квантовых генераторов.
Тем не менее они надеются, что мощность лазеров в ближайшие годы возрастет настолько, что уже в скором будущем летательные аппараты типа «Lightcraft» будут способны доставлять на околоземную орбиту мини-спутники, служащие, например, для поддержания мобильной связи.
А чтобы не ждать, пока квантовые генераторы наберут необходимую мощность, по всей вероятности, первые лазерные двигатели будут использованы для корректирования положения на орбите спутников, уже выведенных в космос, а также помогут продлить срок действия спутников, которые уже готовы упасть на Землю потому, что на борту иссякает запас топлива для маневров.
В дальнейшей перспективе, полагают исследователи, лазерные лучи, посылаемые со спутников или с высотных аэростатов, возможно, будут приводить в движение гиперзвуковые авиационно-космические самолеты, которые смогут в считанные часы доставить пассажиров или грузы в любую точку планеты. Причем летать они будут на границе атмосферы, где мало сопротивление движению, но из-за отсутствия достаточного количества кислорода не способны работать обычные реактивные двигатели.
По мнению специалистов, именно летательные аппараты с лазерными двигателями к середине XXI века сделают полеты в космос обыденным делом.
Начало этим работам, пожалуй, положили эксперименты, проведенные на полигоне исследовательского центра Министерства связи Канады. А именно 6 октября 1987 года здесь состоялся первый полет опытного варианта беспилотного самолета «SHARP» (Stationary High-Altitude Relay Platform), представляющего собой стационарную высотную платформу-ретранслятор с двигателем на сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии.