Если левую руку расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока и проводнике, то…
(Из учебника физики)
Кому не приходилось заучивать это нехитрое правило из школьного учебника! Многим оно запало в память еще и потому, что говорило о таинственнейшем процессе, протекающем почти в любом электрическом приборе — от демонстрационного гальванометра до громадного современного электродвигателя. Суть этого таинства чем-то сродни великому закону Архимеда: ведь на проводник в магнитном поле, как и на погруженное в жидкость тело, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх.
Расположите ладонь своей левой руки так, чтобы плоскость ее была перпендикулярной направлению магнитного меридиана Земли. Вашу руку пронизывают невидимые стрелы силовых линий магнитного поля Земли. Обратите внимание, куда направлен ваш «отставленный большой палец». Да, именно туда, куда с восторгом и надеждой смотрели Крякутный и Монгольфье, Можайский и братья Райт, — в небо.
Это туда мог бы подняться, как в школьном опыте, гигантский проводник — необычный движитель невиданного воздушного корабля. Достаточно лишь пропустить через него электрический ток необходимой силы, а магнитное поле есть в любой точке околоземного пространства. Соответствующим образом сориентировав расположение проводника-движителя относительно магнитного поля, получим нужную кораблю подъемную силу. Как же конструктивно может выглядеть такой летательный аппарат — назовем его эле-коптером, — использующий в качестве опоры не воздух, а магнитное поле Земли?
Основной частью его будет система сверхпроводящих обмоток. Каждый виток этой обмотки будет представлять собой прямоугольник с достаточно большим отношением длины к ширине. Нижняя часть витка должна быть закрыта магнитным экраном. Для поддержания сверхнизкой температуры в обмотке на борту элекоптера должна быть криогенная установка.
Для горизонтального перемещения можно, как у вертолета, использовать сам агрегат вертикального подъема или, для быстроходных вариантов, установить, например, турбореактивный.
Пожалуй, наиболее интересная проблема в создании элекоптера — эго проблема управляемости. Дело в том, что влиять на подъемную силу путем изменения силы тока в обмотке энергетически невыгодно. Гораздо целесообразнее воспользоваться магнитонепрозрачными экранами, прикрывая в необходимый момент часть обмотки (в этом случае подъемная сила уменьшается) или полностью открывая ее (подъемная сила достигнет максимума).
Существует еще одна интересная проблема — ориентирование системы обмоток относительно направления магнитных силовых линий. Дело в том, что подъемная сила будет достигать максимума только в том случае, когда плоскость витка перпендикулярна направлению вектора напряженности магнитного поля Земли.
Следовательно, необходима какая-то система, которая при всех эволюциях элекоптера позволяла бы блоку витков располагаться лишь в одном положении относительно вектора напряженности. Но и эта проблема может быть решена. Посмотрите на рисунок 3. При взаимодействии магнитного поля и полувитка (так как нижняя часть витка закрыта магнитонепрозрачным экраном), кроме подъемной силы, возникает еще пара сил, действующих на вертикальные части полувитка. Направление их таково, что при любом изменении положения витка относительно вектора напряженности магнитного поля эта пара сил будет возвращать виток в первоначальное положение, где плоскость витка перпендикулярна вектору напряженности магнитного поля. Таким образом, система витков может автостабилизироваться в магнитном поле Земли.
Что нового принесет такой летательный аппарат, какими преимуществами будет обладать? Одно из наиболее важнейших качественных отличий — бесшумный вертикальный взлет и, соответственно, бесшумная вертикальная посадка. Ведь современные аэродромы нельзя располагать вблизи городов. А для элекоптера посадочной площадкой сможет служить даже городская площадь. Переход от режима «зависания» в режим горизонтального полета может происходить на достаточно большой высоте, тем самым будет сводиться на нет шумовое «засорение» города.
— Но позвольте, — возразит скептик, — напряженность магнитного поля Земли слишком мала для создания такой подъемной силы. Она в тысячи раз меньше напряженности магнитного поля в зазоре обычного постоянного магнита!
— Раз мала напряженность магнитного поля, значит, нужно увеличить силу тока, — парирует оптимист.
— Но увеличение силы тока повлечет за собой большие энергозатраты, резко возрастет вес из-за увеличения диаметра проводов, — не сдается скептик.
— Что ж, применим сверхпроводимость, и все затраты сведутся к поддержанию сверхнизкой температуры, ток же в сверхпроводящей обмотке, не требуя никаких дополнительных «инъекций» извне, будет циркулировать в обмотке бесконечно долго.
— Но сверхпроводники не терпят больших токов, сверхпроводимость разрушается под действием собственного магнитного поля, — упорствует скептик.
Оставим скептика в покое, тем более что оптимисту трудно возразить на его последнюю фразу. Действительно, не существует еще сверхпроводников, работающих при достаточно «высоких» температурах, обеспечивающих экономичность их применения; токи, которые по ним можно пропускать, все еще недостаточно велики для того, чтобы взаимодействие их с магнитным полем Земли создало ощутимую подъемную силу.
Но уже сегодня известны сплавы, у которых критическая температура сверхпроводимости составляет около 100° К (или —173° С), что позволяет вместо дорогого жидкого гелия воспользоваться гораздо более дешевым жидким водородом. Уже сейчас известны электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, создающие магнитное поле в 170 тыс. эрстед. Уже сейчас делаются модели сверхпроводящих линий электропередачи, и ученые всерьез говорят об экономичности их применения в не столь уж отдаленном будущем.
Конечно, перед будущими создателями элекоптера встанет немало проблем. Например, большой вес криогенной установки. И необходимость постоянной ее работы — в полете, на стоянке и т. д., так как выключение и включение ее связано с колоссальными энергозатратами. Для справки приведу несколько цифр. Чтобы создать подъемную силу в 10 т системой из 1000 витков, длина горизонтальной части которых 10 м, требуется ток в каждом витке силой в 150 тыс. А.
На малых высотах и скоростях потеря подъемной силы может привести к катастрофическим ситуациям (впрочем, как и у всех аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой). Это тоже требует своего решения.
И все же… Стремителен темп развития науки и техники. И видится время, когда у Центрального аэровокзала сможет появиться сверкающая неоновая надпись: «Летайте элекоптерами — быстро, дешево, удобно». А в магазинах появятся новейшие модели элемобилей и элероллеров. Время, когда в города вернутся тишина и чистый воздух полей и лесов…
И. ЕВСТРАТОВ, инженер-конструктор
