Начиная работу над новым транспортным средством, конструктор должен решить проблему движителя. Для передвижения по земле она уже давно не стоит. Первым движителем были ноги. Потом появилось колесо, ещё позже — гусеница. В последнее время популярность вновь приобрели ноги, но уже механические — на них передвигаются роботы. Но для аппаратов, которые в будущем отправят исследовать другие планеты, эти движители могут не подойти. Гусеничные машины тяжелы, и на их передвижение приходится затрачивать много энергии; колёсные — застревают в вязком и сыпучем грунте, а шагающий робот, если его нога попадёт в яму, может опрокинуться. Однако есть движитель, который заставляет аппарат перемещаться, даже находясь в герметично закрытом корпусе. Это — инерциоид.

Когда грузы движутся сверху вниз (а), возникает инерционная сила F_и, направленная вверх; при движении грузов снизу вверх (б) инерционная сила направлена вниз.

На конкурсе молодых учёных во Франции была продемонстрирована действующая модель венерохода. Движение валика в вертикальном направлении блокирует буртик на верхней крышке корпуса.

Оси вращения эксцентриков инерциоида расположены наклонно, и горизонтальная составляющая инерционной силы перемещает устройство по поверхности. Благодаря вращению валика можно менять направление движения инерциоида.

ЕСТЬ ЛИ ЖИЗНЬ НА ВЕНЕРЕ?

Отвлечёмся от конструкции инерциоида и зададимся вопросом: а для чего он нужен? Считается, что Венера непригодна для жизни. Действительно, на её поверхности атмосферное давление в десять раз выше, чем на Земле, температура достигает 500°С, небо закрыто кислотными облаками.

Но не всё так однозначно. На высоте 50 км температура падает до 70°С, давление приближается к земному, в облаках содержится большое количество воды. Кроме того, в атмосфере Венеры аномально низкое содержание угарного газа, хотя от электрических разрядов в атмосфере и солнечной радиации он образуется в огромных количествах. Это удалось установить с помощью американских и российских исследовательских станций. Резонно предположить, что он на что-то расходуется. Наконец, на планете обнаружен сульфид карбонила. Он считается одним из признаков высокой вероятности присутствия живых организмов.

Первоначально жизнь могла зародиться в воде. Если бы удалось доказать, что на Венере в течение длительного времени существовали океаны, это было бы ещё одним подтверждением гипотезы, что живые организмы обитают не только на Земле. Одним из доказательств наличия в прошлом водоёмов на поверхности Венеры может быть наличие тремолита — минерала, который есть на Земле и который образуется при высокой температуре и избытке влаги. Если когда-нибудь на Утреннюю звезду будет отправлен венероход, в его задачи, возможно, войдёт и поиск тремолита. Вот здесь и пригодится инерциоид.

ПРЫЖКИ ПО ИНЕРЦИИ

Понять принцип работы инерциоида несложно — достаточно вспомнить обычное кресло-качалку. Чтобы привести его в движение, не нужно отталкиваться ногами, а следует всего лишь сместить немного центр масс своего тела. Поскольку центр масс системы в целом остаётся неподвижным, кресло начнёт раскачиваться взад-вперёд под действием силы, которую называют инерционной.

В предлагаемой схеме инерциоида на платформе жёстко закреплён механизм с двумя массивными эксцентриками. Они вращаются в одной плоскости с одинаковым значением угловой скорости, но в противоположных направлениях.

Если оси вращения расположить параллельно горизонту, то, когда грузы движутся вниз, возникает направленная вверх сила, стремящаяся оторвать платформу от опорной поверхности. Когда грузы движутся вверх, сила направлена вниз и прижимает платформу к опоре. Если инерционная сила превысит вес устройства, то инерциоид будет подпрыгивать на месте, не смещаясь при этом по горизонтали.

Чтобы система перемещалась по поверхности, нужно установить оси вращения грузов под углом к горизонту. Тогда у инерционной силы появится горизонтальная составляющая, и платформа с грузами будет двигаться прыжками. Внешне это похоже на подскоки плоского камешка, запущенного по поверхности воды.

Система может перемещаться без прыжков. В этом случае вертикальная составляющая инерционной силы, когда она направлена вверх, уменьшает вес системы (не превышая его), а следовательно, и силу трения между платформой и опорой. Если горизонтальная составляющая превысит силу трения покоя, аппарат скользнёт вперёд по направлению действия силы. Во второй половине цикла вертикальная составляющая увеличивает вес системы и соответственно силу трения, и горизонтальной составляющей инерционной силы будет недостаточно, чтобы сдвинуть платформу назад.

Следует заметить, что в невесомости и в отсутствие трения инерциоид бесполезен: он будет колебаться с постоянной амплитудой около центра масс системы.

В инерциоиде венерохода эксцентрики и приводящий их в движение электродвигатель смонтированы на наклонной станине. Её верхний конец шарнирно закреплён в центре платформы. На нижнем конце имеется валик с электроприводом; катясь по кругу, он меняет направление перемещения, то есть позволяет «рулить» венероходом.

КАК ПРЕОДОЛЕТЬ ЖАРУ

Корпус венерохода можно сделать из жаропрочных сталей, выдерживающих температуру выше 1000°С. Однако более перспективен разработанный в Институте физики твёрдого тела РАН новый композиционный материал РЕФСИК на основе силицидов тугоплавких металлов и карбида кремния. Он легко выдерживает температуру до 2000°С. Из карбида кремния в массе материала образуется пронизывающий весь его объём прочный каркас, и в результате изделия из рефсика отличаются высокой ударопрочностью.

Более серьёзная проблема возникнет с электронной начинкой — ведь микросхемы на кремниевых кристаллах в таких условиях (при высоких температурах) работать не могут. Для их охлаждения можно использовать двигатель Стирлинга (см. «Наука и жизнь» № 3, 2007 г.), как предложили американские инженеры Джеффри Лендис (Geoffrey Landis) и Кеннет Меллотт (Kenneth Mellott).

Многие двигатели становятся совершенно другими машинами, если принудительно вращать их рабочий вал: электродвигатель превращается в генератор, поршневой двигатель внутреннего сгорания — в компрессор, турбина — в вентилятор. Если же вращать вал двигателя Стирлинга, то получится тепловой насос, то есть один из его цилиндров будет нагреваться, а другой охлаждаться. Учёные намерены укутать «электронные мозги» венерохода керамической теплоизоляцией и поместить их внутрь металлической сферы размером со средний грейпфрут. Охлаждение сферы будет осуществляться от холодного цилиндра двигателя Стирлинга. По расчётам, такой холодильник способен увеличить срок жизни венерохода как минимум до 50 земных суток.

За разработку аппарата для исследования поверхности Венеры первокурсница МГТУ им. Н. Э. Баумана Анна Швецова получила специальный приз Европейского космического агентства на XXI соревновании молодых учёных Европейского союза в сентябре 2009 года в Париже. Аналогичный конкурс под названием «Шаг в будущее» проходит с 1997 года и в России, и его победители получают право состязаться с европейскими коллегами.

№2, 2010