"Каникулы в коме" - дерзкая и смешная карикатура на современную французскую богему, считающую себя центром Вселенной. На открытие новой дискотеки "Нужники" приглашены лучшие из лучших, сливки общества - артисты, художники, музыканты, топ-модели, дорогие шлюхи, сумасшедшие и дети. Среди приглашенных и Марк Марронье, который в этом безумном мире ищет любовь... и находит - правда, совсем не там, где ожидал.

Летающая Тарелка

Речь идет о летательном аппарате, использующем энергию Солнца подобно модели фирмы «Хьюз эйркрафт», электрический двигатель которой работает от кремниевых солнечных батарей (New Scientist, March 9, 1978, p. 659). Первоначально — из соображений получения максимальной площади поверхности — нами была выбрана круглая форма аппарата. Затем, однако, нам показалось разумным снабдить диск пропеллерными лопастями и создавать подъемную силу путем вращения всего «блюдца», сочетая принципы действия вертолета и детской «летающей тарелочки». Чтобы пилот не испытывал головокружения и не был раздавлен центробежной силой при больших скоростях вращения, его кабина не вращается вместе с фюзеляжем.

Подобная конструкция имеет важное новое свойство: весь аппарат, действуя, как маховик, служит аккумулятором энергии. Ведь чтобы подняться в воздух на нашем «туманном Альбионе», любой летательный аппарат, работающий на солнечной энергии, должен полагаться на милость погоды. Только за облаками, километрах в десяти над землей, можно с уверенностью рассчитывать на солнечный свет. Дедал, однако, вычислил, что легкое и прочное «блюдце» из пластика, армированного углеродным волокном, можно раскрутить до такой скорости, что оно сможет подняться на сотни километров ввысь. Раскрученное на стартовой площадке «блюдце» взмывает вверх подобно всем знакомому игрушечному вертолету. Поднявшись выше облаков, аппарат начинает использовать солнечную энергию для движения и маневров, изменяя угол атаки несущих лопастей. При спуске лопасти работают в режиме авторотации, и аппарат накапливает энергию вращения, используя ее затем для набора высоты. (Летчики-испытатели фирмы КОШМАР опускаются ниже облаков лишь на короткое время, чем и объясняется редкость наблюдений НЛО.) При посадке аппарат набирает почти такую же скорость вращения, какую он имел в момент старта, и возвращает энергию пусковой установке. Таким образом, по своей экономичности он не имеет себе равных!

New Scientist, May 4, 1978

Приблизительные расчёты

Может ли «блюдце» летать на солнечной энергии? Если радиус «блюдца» равен 5 м, то его площадь составит А=πr² ≈ 75 м². Принимая энергетическую постоянную Солнца равной 1 кВт/м², мы найдем, что от солнечной батареи с кпд = 10% можно получить мощность Р = 75 × 1 × 0,1 = 7,5 кВт. Такая мощность позволяет поднимать «блюдце» массой m = 250 кг со скоростью v = P/mg = 7500/(250 × 10) = 3 м/с. Чтобы взлететь, «блюдце» в таком случае должно терять высоту при планировании со скоростью, меньшей чем эта величина. Это вполне обнадеживающий результат: хорошие планеры теряют высоту со скоростью 1 м/с и меньше, а детские «летающие тарелочки» вообще спускаются чрезвычайно медленно, поскольку сочетают в себе свойства аэродинамической несущей поверхности и парашюта с гиростабилизацией.

Какую энергию может запасти вращающееся «блюдце»? Существует стандартная формула для расчета максимального числа оборотов тонкого кольца, при превышении которого происходит разрыв:

n² = S/(4π²r²ρ),где n — число оборотов в секунду, S — предел прочности кольца, r — его радиус и ρ — плотность. Тогда максимальная кинетическая энергия вращения кольца массой M равна

E = ½Mv² = ½M(2πrn)² = ½M(2πr)2S/(4π²r²ρ) = MS/2ρ

Эта энергия достаточна для подъема кольца на высоту

h = E/Mg = MS/2ρMg = s/2ρg

Для нашего кольца необходим как можно более легкий и прочный материал, например пластик, армированный углеродным волокном, у которого ρ = 2300 кг/м³ и S = 1,5×10¹⁰Н/м². Тогда h = 1,5 × 10¹⁰/2 × 2300 × 10 = 3,3×10⁵ м = 330 км.

Результат обнадеживает: нам-то необходимо поднять «блюдце» на высоту порядка 10 км, так что в нашем распоряжении имеется тридцатикратный запас, который наверняка покроет низкий кпд, наличие нераскрученной массы и т. д. И вообще складывается впечатление, что вся энергия, необходимая для полета, может быть запасена в виде кинетической энергии вращения «блюдца», а солнечные батареи будут служить лишь вспомогательным источником энергии. (Похоже, что такой «хула-хуп» удастся даже вывести на околоземную орбиту, но я не намерен развивать здесь эту идею.)

Технические подробности. Для устранения нежелательных гироскопических эффектов вращательные моменты аппарата должны быть уравновешены. У наиболее компактной конструкции верхняя часть «блюдца» является статором дискового электродвигателя, а нижняя часть — ротором, вращающимся в противоположную сторону. Центральная часть (кабина) крепится посредством дифференциального механизма и не участвует во вращении. Для питания асинхронного двигателя постоянный ток, вырабатываемый солнечной батареей, придется преобразовать в переменный, но это не представляет большой сложности. Статор может одновременно служить несущей поверхностью типа «летающей тарелочки»; он снабжен воздухозаборниками для создания воздушной подушки. На роторе установлены короткие лопасти с переменным углом атаки, как у вертолета.

Эти же лопасти, установленные в режиме авторотации, раскручивают аппарат во время снижения — это очень полезное свойство, значительно повышающее экономичность «блюдца». В любом случае, поскольку скорость снижения не может превышать 3 м/с, вынужденная посадка не представляет опасности: «блюдце» само по себе является аварийным парашютом.

«Узловая» проблема Максвелла и Фарадея

«Силовые линии», придуманные Фарадеем, относятся к изящнейшим изобретениям человеческого ума. Эти элегантные абстракции идут от одного полюса магнита к другому, не обрываясь и не пересекаясь друг с другом, и ведут себя как взаимно отталкивающиеся упругие нити. Они позволяют получить полное качественное представление о свойствах магнитного поля, не прибегая к математическим выкладкам; Дедала же они наводят на мысль о возможном существовании магнитных полей совершенно необычной конфигурации. Дедал предлагает поставить опыт, основанный на известном фокусе — завязать узел на шнурке, не выпуская его концов из рук (нужно скрестить руки на груди, взять концы шнурка и развести руки в стороны). Дедал намерен намотать обмотку на стержень из гибкой магнитной резины и завязать ее узлом. Пропустив через катушку электрический ток, мы получим завязанный узлом соленоид. Если теперь расправить узел на магните, то узлом завяжутся магнитные силовые линии. (Возможно, обмотку придется заключить в сверхпроводящий экран, чтобы магнитные силовые линии не могли пройти сквозь материал магнита, но это усложнение не меняет существа дела.)

«Узловая» магнитная подвеска фирмы КОШМАР найдет много применений в быту, например, при сушке свежевыкрашенных металлических предметов.

Завязанное узлом магнитное поле представляет собой любопытную топологическую задачу. Основное свойство такого поля состоит в том, что магнитные силовые линии стремятся сократиться и затянуть узел туже. Но чем теснее они сближаются в узле, тем выше напряженность поля; в результате получается область «замкнутого» магнитного поля большой напряженности. Тем самым будет опровергнута теорема Эрншоу, согласно которой магнитное поле должно быть сильнее всего у полюсов создающего его магнита. Это даст возможность создать, наконец, весьма совершенные магнитные подвески: например, железный шарик, попавший в такое магнитное поле, не устремится к одному из полюсов магнита, а направится к узлу, где напряженность поля максимальна, и останется там. Этот принцип будет незаменим при создании точных приборов, кресел-качалок, автомобильных рессор и транспортных средств на магнитной подвеске. Кроме того, магнитные узлы будут сложным образом взаимодействовать с токонесущими проводниками, что позволит сконструировать электродвигатели, роторы которых движутся по замысловатым криволинейным траекториям. Наоборот, в плоском проводнике, пересекающем завязанные узлом силовые линии, должен наводиться завязанный узлом электрический ток. Правда, Дедал еще не придумал, как его можно использовать.

Еще интереснее проблема взаимодействия нескольких узлов магнитного поля. В области, где силовые линии близко подходят друг к другу, узел должен вести себя как небольшой отрезок токонесущего проводника, т. е. как электрический диполь. Поэтому узлы должны притягиваться друг к другу подобно диполям. Этот эффект будет компенсироваться отталкиванием магнитных силовых линий вне узлов, однако есть шанс, что из отдельных узлов все же удастся получить нечто вроде «магнитного трикотажа».

Более всего, однако, Дедала занимает вопрос, что произойдет с магнитным узлом при выключении тока. Обычные силовые линии при этом стягиваются в точку и исчезают. Дедал не уверен, что с узлом произойдет то же самое. Вероятнее всего, узел стянется в единичный квант энергии электромагнитного поля. Не получится ли при этом кварк?

New Scientist, October 5, 1967

Stephen Hawking's Grand Design - The Meaning of Life

The Meaning of Life