18.02 Тепловые явления

Для полётов к Луне или, например, к Марсу достаточно существующих химических
ракетных двигателей, в которых для создания тяги используется энергия сгорания топлива.
Но для того чтобы лететь дальше, к внешним планетам Солнечной системы (или к ближайшим
звёздам), и не тратить на это многие десятилетия, нужны двигатели принципиально иного
типа. В новых ядерных двигателях можно использовать энергию ядерного распада тяжёлых
радиоактивных ядер. Но наибольшую энергию на сегодняшний день можно получить,
используя реакции термоядерного синтеза.

Любой ракетный двигатель создаёт тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество,
которое называют рабочим телом. Из сопла обычных ракет истекают газообразные продукты
сгорания топлива. В термоядерном двигателе рабочим телом будут служить водород или
гелий, разогретый энергией деления ядер урана или плутония. Сила тяги любого двигателя
зависит от скорости истечения, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла.
Подняв температуру, можно увеличить кинетическую энергию (и скорость) молекул. Однако
жаропрочные материалы и конструкции имеют температурные пределы, к тому же подводимая
энергия также ограниченна. Термоядерные двигатели, которые будут разогревать лёгкий
водород, имеют в этом отношении серьёзное преимущество перед химическими, продукты
сгорания которых существенно тяжелее.

Сейчас самые лучшие ракетные двигатели на химическом топливе лишь приближаются
к отметке для скорости истечения, равной 4500 м/с. Ядерные ракетные двигатели позволили
бы достичь температуры в десятки тысяч градусов и скорости истечения до 20000 м/с. Но даже
в этом случае полёт корабля до внешних планет Солнечной системы занял бы годы.

Между тем существует способ поднять скорость истечения на многие порядки. Температура
плазмы при термоядерном синтезе составляет не десятки тысяч, а миллионы градусов,
а оценочная (теоретическая) скорость истечения может достигать 21500000 м/с!
В существующих проектах термоядерных двигателей поток плазмы, создающий тягу
двигателя, истекает из открытых цилиндров — магнитных ловушек. Самый простой вариант
такого двигателя —  пробкотрон (см. рисунок), состоящий из двух магнитных катушек, расположенных на некотором удалении друг от друга
и удерживающих плазму.