В 20-х гг. во время испытаний самолётов с крылом, прикреплённым к нижней части фюзеляжа (тип низкоплан), конструкторы заметили, что подъёмная сила крыла при посадке несколько увеличивается и в результате машина продолжает лететь над полем, как бы не желая садиться. Подобный эффект иногда приводил к авариям: центр давления крыла (точка приложения
подъёмной силы) в этом случае перемещается к его задней кромке и самолёт может
опрокинуться.
Дальнейшие исследования показали, что между крылом самолёта и поверхностью земли воздух
сжимается и становится плотнее. Так возникает дополнительная подъёмная сила, которая и
поддерживает аппарат в воздухе. Открытое явление назвали жранным эффектам (экран —
поверхность земли или воды). В 1922 г. появилась одна из первых работ об экранном эффекте
— статья Б.Н. Юрьева «Влияние Земли на аэродинамические свойства крыла». В 30-х гг.
изучением эффекта занимались В.В. Голубев, Я.М. Серебрийский, Ш.А. Биячуев, Н.А
Черномашинцев.
Параллельно с теоретическими исследованиями велись работы по созданию летательного
аппарата, использующего экранный эффект. Такие машины — в дальнейшем их назвали
экранопланами и экранолётами — казались очень выгодными. Действительно, чем меньше
высота полёта, тем существеннее влияние экрана и, следовательно, выше несущая способность
крыла. Поэтому для экраноплана нужны двигатели в два-три раза менее мощные, чем для
самолёта той же грузоподъёмности. Довольно тяжёлый летательный аппарат достаточно
оснастить обычным автомобильным мотором.
Создать экраноплан, который мог бы летать над пустыней и водой, снегами и льдами, мечтал
известный авиаконструктор и изобретатель П.И. Гроховский. В 1932 г. он разработал проект
экраноплана-амфибии с двумя моторами и с вполне современной аэродинамической
компоновкой. В 1935 г. финский инженер Т. Каарио построил первый аппарат для
экспериментального изучения экранного эффекта.
Работы по созданию подобных аппаратов велись под руководством Р.Е. Алексеева в
Центральном конструкторском бюро судов на подводных крыльях (город Горький, ныне —
Нижний Новгород). В 1961—1966 гг. здесь построили многоместные экспериментальные
экранопланы серии СМ с поддувом воздушно-газовой струи под крыло. В 1966 г. свой первый
полёт совершил самый большой в мире экраноплан КМ («Корабль-макет») со взлётной массой
540 т и максимальной скоростью полёта 500 км/ч. КМ (за рубежом его называют «Каспийский
монстр») имел десять турбореактивных двигателей ВД-7 с максимальной тягой 13 тс каждый.
Р.Е. Алексеев возглавлял также проектирование таких экранопланов, как «Орлёнок», «Волга-
2», «Стриж», ракетоносец «Лунь».
Разрабатывал летательные аппараты, использующие экранный эффект, и советский
авиаконструктор Р.Л. Бартини. В 1972 г. прошёл испытания экранолёт его конструкции ВВА-
14М.
В США, ФРГ, Японии и Китае начиная с 60-х гг. было спроектировано и построено несколько
лёгких экспериментальных экранопланов и экранолётов.
До середины 90-х гг. XX в. точной классификации этих летательных аппаратов — экраноплан или экранолёт — не существовало, так как для них не требовался
сертификат лётной годности. Создавались такие машины для экспериментов и в военных
целях; коммерческих и пассажирских рейсов они не выполняли.
В конце XX столетия появился Кодекс безопасности для экранопланов, утверждённый
Международной морской организацией (ММО). В соответствии с Кодексом все аппараты,
использующие экранный эффект, делятся на три типа.
Тип А — экраноплан; даже теоретически он не может выйти за пределы экранного эффекта.
Тип В — экранолёт; способен летать за пределами влияния экранного эффекта и даже на
короткое время подниматься на ограниченную высоту.
Тип С — экранолёт; использует экранный эффект только для взлёта и посадки.
Впервые в мире сертификат лётной годности получил экраноплан «Амфистар» (тип А),
созданный в Нижнем Новгороде под руководством Д. Н. Синицына. «Амфистар» оснащён
автомобильным двигателем, имеет автоматическую систему сохранения заданной высоты
полёта. В 1998 г. в Москве успешно прошёл испытания экранолёт (тип В) «Иволга-2» (главный
конструктор В. В. Колганов). В ближайшие годы экранопланы и экранолёты будут выполнять
регулярные коммерческие рейсы в труднодоступных районах земного шара.

Годы Первой мировой войны отмечены значительным прогрессом в самолётостроении, а её завершение создало благоприятные условия для развития гражданской авиации. Пилоты, штурманы и механики, уволенные с военной службы, искали применения своим силам на мирной поприще. Авиационные фирмы, лишившиеся военных заказов, были готовы на любую работу. Наконец, высвободилось различное авиационное имущество — вплоть до новых бомбардировщиков. Превратить их в пассажирские самолёты не составляло особого труда. Расцвет гражданской авиации был предрешён.
Уже через считанные недели после окончания войны открылось регулярное воздушное сообщение (почтовое и пассажирское) между крупными городами Европы. В феврале 1919 г. на линию Берлин — Веймар вышли немецкие самолёты, а 22 марта французская компания «Авиалинии Фарман» связала Париж и Брюссель. Рейс 22 марта стал дебютом французского самолёта F-60 «Голиаф». Его начали строить как тяжёлый бомбардировщик, но опоздали и переделали в пассажирскую машину. В мае начались рейсы между Лондоном и Манчестером. В качестве лайнера выступал также бывший бомбардировщик «Хэндли Пейдж-0/400». Эти французские и английские «лайнеры» мало отличались друг от друга — двухмоторные бипланы, сделанные из дерева или из дерева и металла. Экипаж из двух человек сидел в открытой кабине за ветровым козырьком, а пассажиры (от 10 до 14 человек) — в закрытом салоне, который не отапливался и не защищал от рёва двигателей. Почти не различались и лётные данные: рейсовая скорость достигала 140 км/ч, потолок не превышал 4000 м. Лишь по дальности полёта «Голиаф» заметно проигрывал: 400 км против 750—800 км у «англичан». Такие машины не могли развить высокую скорость и летали на сравнительно короткие расстояния. Главное их достоинство состояло в другом — в надёжности и основательности, с которой они были сделаны. Именно эти качества помогли в короткие сроки завоевать доверие пассажиров и превратить самолёт из модного увлечения в транспортное средство, правда пока ещё дорогое и не очень комфортное.
В том же, 1919 г. произошло событие, которое открыло новую эру в истории воздушного транспорта. 25 июня в воздух поднялся моноплан F13 немецкого конструктора Гуго Юнкерса (1859—1935). Этот одномоторный самолёт для четырёх пассажиров и двух лётчиков оказался революционным во всех отношениях. Во-первых, до F13 не знали самолёта, который с самого начала создавался бы в качестве пассажирского лайнера. Во-вторых, это был свободнонесущий (т.е. без расчалок и подкосов) моноплан с закрытой кабиной. И, наконец, всю его конструкцию изготовили из металла. Фирменные черты всех самолётов Юнкерса того времени — довольно толстое крыло и гофрированная обшивка. Гофрированный (т. е. прокатанный так, что получалась небольшая «гармошка») лист дюраля позволял получить достаточно жёсткую и прочную конструкцию. Оснащённый 185-сильным мотором, F13 развивал скорость около 170 км/ч и мог покрыть 1200 км. Он стал самым популярным самолётом середины 20-х гг.: до 1929 г. выпустили 322 машины. Следующий шаг в самолётостроении был сделан в Голландии. В 1925 г. в США проходил очередной конкурс «Самый надёжный пассажирский самолёт». Организовал его «автомобильный король» Генри Форд. Наибольший успех здесь достался самолёту голландской фирмы «Фоккер». История его создания такова. За несколько недель до начала конкурса инженеры фирмы превратили одномоторный (400 л. с.) пассажирский «Фоккер» F.VIIa в трёхмоторный (каждый двигатель по 200 л. с.) «Фоккер» F.VII/3m. Новую «семёрку» облетал сам Антони Фоккер. Пассажирские самолёты первых послевоенных лет были не очень надёжны. Форсированные военные двигатели, которые стояли на них, не обладали большим ресурсом, а внезапное изменение погоды, например встреча с грозовым фронтом, могло оказаться для самолёта роковым. Меньшей зависимости от погоды и технических неполадок хотели пассажиры, а значит, и авиакомпании. Полуторакратный прирост мощности позволял «семёрке» при необходимости быстрее взлетать, а в случае неудачного захода на посадку спокойно увести лайнер на второй круг. Отказ одного двигателя не вёл к неминуемой катастрофе: на двух других лётчик мог довести машину до аэродрома или, по крайней мере, выбрать место для вынужденной посадки. Одним словом, понятия «безопасный пассажирский самолёт» и «трёхмоторный лайнер» стали почти синонимами.
Сравнивая F13 и F.VII, можно заметить особенности компоновки и технологии производства самолётов, характерные для фирм «Юнкере» и «Фоккер». Принципиально разными были выбранные материалы — «Юнкере» был верен цельнометаллической конструкции (более надёжной и долговечной, но требующей высокой квалификации рабочих и более дорогой), а «Фоккер» оставался приверженцем смешанной (основа фюзеляжа — ферма из стальных труб, обшивка — фанера и полотно, крыло — с деревянным набором и фанерной обшивкой). Благодаря простоте и дешевизне голландский самолёт стал «хитом» фирмы в конце 20-х гг. (выпущено около 150 машин) и производился во многих странах по лицензии (ещё около 50 аэропланов). По образцу F.VII были созданы новые самолёты, самым знаменитым из которых стал американский «Форд» 4-AT. Конструкторы удачно соединили в нём принцип компоновки «Фоккера» с материалом и технологией «Юнкерса». «Форды» отличались высокой надёжностью и долголетием (один из лайнеров выполнял регулярные рейсы ещё в начале 70-х гг.!). Около 200 машин «Форд» 4-АТ и его увеличенного варианта 5-АТ составляли основу самолётного парка американских авиакомпаний почти 10 лет.
В конце 20-х, а особенно в 30-х гг. были популярны пассажирские гидросамолёты — самолёты на поплавках вместо колёс — и так называемые летающие лодки, в которых основной большой поплавок и фюзеляж представляют единое целое. Главное их достоинство — возможность использовать естественные, идеально гладкие и не требующие ухода взлётно-посадочные «полосы», длина которых практически не ограничена. 12 июля 1929 г. в первый полёт отправилась гигантская 12-моторная летающая лодка немецкой фирмы «Дорнье». Однако машина оказалась слишком тяжёлой, поэтому ей не удалось подняться выше 420 м. Впрочем, со многими остановками она всё же сумела перелететь из Германии в США (Нью-Йорк).
Между тем авиационная наука двигалась вперед, и тот, кто пользовался её достижениями, добивался впечатляющих результатов. Оказалось, что скорость можно существенно увеличить, если уделить больше внимания сопряжению крыла с фюзеляжем, подобрать капоты для моторов, обтекатели для стоек и колёс шасси. «Вылизанный» по этим принципам, небольшой пассажирский высокоплан «Вега» (1927 г.) фирмы «Локхид» легко держал на маршруте 250 км/ч, а максимальная скорость перевалила за 300 км/ч.
7 марта 1932 г. в воздух поднялся новый лайнер «Юнкерса» — Ju 52/3m. Его конструкция принципиально не отличалась от F13, за исключением того, что три двигателя, каждый по 660 л. с, были тщательно закапотированы, колёса «обулись» в большие каплевидные обтекатели и появилась мощная механизация задней кромки крыла. Пассажиры и члены экипажа Ju 52 — всего 20 человек — могли рассчитывать на скорость 250 км/ч. Надёжный и неприхотливый, самолёт стал самым «продаваемым» авиалайнером европейской конструкции за весь предвоенный период. Но во многих отношениях он оказался «последним». Последний для компании «Юнкере» самолёт с гофрированной обшивкой, последний массовый трёхмоторный лайнер с неубирающимся шасси...
К началу 30-х гг. помимо магистральных лайнеров в гражданской авиации сформировалась ещё одна категория машин — самолёты местных линий. Они отличались меньшей дальностью полёта, небольшим числом мест (в то время от 6 до 8), коротким разбегом/посадкой и невысокой (даже для небольших авиакомпаний) ценой. Британская фирма «Дэ Хэвилленд» в 1932 г. выпустила удачный двухмоторный деревянно-полотняный биплан DH 84 «Дрэгон», а позже — его вариант DH 89 «Дрэгон Рапид». Благодаря отличной аэродинамике «Дрэгон Рапид» смог со слабенькими 200-сильными двигателями удерживать на маршруте скорость 225 км/ч. До войны авиакомпании закупили более 300 машин обеих модификаций.
Тем временем авиаконструкторы фирмы «Локхид» создали машину, ставшую сенсацией. «Орион» вышел на линии в 1931 г. Маленький одномоторный (550 л. с.) самолёт на 6 пассажиров выглядел как истребитель, но ни один истребитель не мог тягаться с ним в скорости — 364 км/ч! Причина была опять-таки в
скрупулёзном следовании советам аэродинамиков. Для самолёта выбрали конструкцию
низкоплан (крыло снизу фюзеляжа), и это позволило сделать шасси убирающимся, а его стойки
— короткими, прочными и лёгкими.
С ростом скорости стал необходим новый винт. Пока разбег, взлёт и полёт укладывались в
диапазон скоростей 0—300 км/ч, обычный пропеллер вполне справлялся со своими
обязанностями. Когда скорость выросла, стало очевидно, что лопасти, врезающиеся в воздух
под постоянным углом, теряют эффективность на одном из режимов — либо на высокой
скорости (тогда самолёт недодавал скорость), либо на малой (винт, рассчитанный на
скоростной полёт, имел низкую эффективность на разгоне и взлёте). Решением стало создание
винта изменяемого шага, у которого угол установки лопастей менялся в соответствии с
режимом полёта.
К середине 30-х гг. мощность и надёжность моторов значительно возросли. Теперь отказ
одного двигателя не приводил к аварии не только в полёте, но и на взлёте.
Такими качествами обладал новый лайнер американской фирмы «Дуглас» DC-3,
отправившийся в первый полёт в декабре 1935 г. и воплотивший все черты «идеального»
пассажирского самолёта того времени. Он представлял собой двухмоторный (2x1200 л. с.)
моноплан цельнометаллической конструкции, с гладкой работающей обшивкой и низко
расположенным крылом. Двигатели были тщательно закапотированы и оснащены винтом
изменяемого шага. Механизированное крыло плавно сопрягалось с фюзеляжем. Шасси убиралось в мотогондолы. DC-3 мог перевозить 21 пассажира (позже 28) со скоростью 310 км/ч на расстояние около 2500 км.
Спрос на самолёт оказался огромным: несмотря на высокую цену — 79,5 тыс. долларов, себестоимость перевозки пассажиров была в несколько раз ниже, чем на других машинах. DC-3 стал самым экономичным лайнером в мире; он буквально преобразил мировое воздушное сообщение. До конца 1941 г. «Дуглас» успел продать 430 машин. В Америке через два года после начала серийного выпуска на DC-3 приходилось уже 80 % самолётного парка, они выполняли 95 % всего объёма перевозок. СССР и Япония купили лицензии и производили свои варианты — Ли-2 и L2D соответственно.
Лайнеры нового поколения L-10A «Электра» и L-14 «Супер Электра» (меньше и дешевле DC-3) выпустил и «Локхид». В Европе в то время продолжали строить трёхмоторные лайнеры. Несмотря на недостатки — плохой обзор для пилотов, повышенная вибрация в салоне, по основным характеристикам они почти не уступали «американцам».
Летом 1938 г. регулярное беспосадочное пассажирское сообщение между США и Европой (Нью-Йорк — Лиссабон) открыла громадная летающая лодка «Боинг-314» (74 пассажира). Для морских лайнеров это стало началом конца.
В самом конце 1938 г. впервые отправился в полёт «Боинг-307», отличавшийся большим комфортом, скоростью и экономичностью. Пассажирские самолёты в то время не поднимались выше 4000 м. За этой отметкой из-за разрежённости воздуха мощность двигателей падала, а люди без кислородной маски теряли сознание. Конструкторам «Боинга-307» удалось решить обе проблемы. Благодаря герметичному фюзеляжу, на какую бы высоту ни забирался самолёт, экипаж и пассажиры будто бы и не поднимались выше 2500 метров над уровнем моря. Компрессоры поддерживали давление в салоне и подавали недостающий воздух к двигателям. Теперь лайнер мог лететь на безопасной высоте над горами и подниматься над облаками (если облачность не была сплошной), чтобы исключить возможность обледенения. Кроме того, на большей высоте воздух спокойнее и пассажиры не страдают от «воздушных ям». Наконец, в разрежённом воздухе скорость машины заметно возросла. «Боинг-307» перевозил без посадки 33 пассажира (позже 38) на расстояние 3700 км при рейсовой скорости 354 км/ч.

Средняя скорость на железных дорогах не превышает 150 км/ч. Деловая же поездка, как считают врачи, не должна длиться более 2 ч, в противном случае работоспособность человека резко снижается. Добраться от одного крупного города до другого за это время можно только самолётом. Но аэродромы обычно строят далеко от центра, так что на дорогу придётся потратить ещё 1,5—2 ч. Железнодорожные вокзалы расположены гораздо удобнее — часто рядом с центром. Если удастся повысить скорость поездов в 3—4 раза, от Москвы до Петербурга, например, можно будет доехать всего за 1,5 ч. Однако сконструировать поезд, способный состязаться с самолётом, непросто. Во-первых, при скорости 500 км/ч центробежные силы угрожают разорвать колёса. Во-вторых, уже при 300 км/ч колёса теряют сцепление с рельсами. В-третьих, на таких скоростях стук колёс становится запредельным. Выход один: отказаться от колёс. НЕВЕРНЫЙ ШАГ В ВЕРНОМ НАПРАВЛЕНИИ
Основоположник космонавтики К.Э. Циолковский в 1927 г. предложил построить поезд на воздушной подушке. Реализовать эту идею пробовали в 60-х гг. французские инженеры, но попытка оказалась неудачной. Поезд, а вернее, один вагон лихо носился по бетонному жёлобу, оглашая окрестности рёвом двух авиационных двигателей; один создавал воздушную подушку, второй — горизонтальную тягу. Уже этот шум — достаточно серьёзная проблема для транспорта. Кстати, по той же причине не нашли применения локомотивы с турбореактивными двигателями и со значительно более тихими газотурбинными. Конечно, создать воздушную подушку можно и мощными компрессорами, но для их работы нужны соответствующие моторы. Вот здесь-то и кроется главная трудность. Дизели требуют немало топлива, а автономных электродвигателей, пригодных для установки на транспортные машины, сегодня не существует.
ГЛАВНАЯ НАДЕЖДА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Есть ещё один способ «подвесить» поезд над (или под) рельсами. Его предложил в 1934 г. немецкий инженер Герман Кемпер. Своё изобретение он назвал магнитной подвеской. Работа подвески Кемпера основана на том, что одноимённые полюса магнитов отталкиваются. Самый простой вариант — выложить как путь, так и днище поезда постоянными магнитами с соответствующей ориентацией полюсов; тягу будет создавать линейный электродвигатель. Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы (в обычном электромоторе они свёрнуты в кольца). Обмотки статора включаются поочерёдно, создавая бегущее магнитное поле. Статор, укреплённый на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав. Однако магистраль с постоянными магнитами — дорогое удовольствие, да и подъёмная сила их невелика. Другой вариант — использовать на составе и на рельсах электромагниты. Но всё время держать под напряжением путевые обмотки нерационально. Есть два выхода. Можно подавать питание только в те катушки, над которыми в данный момент находится поезд. Достаточно сильное магнитное поле состава будет наводить ток в путевых обмотках, а те, в свою очередь, — создавать магнитное поле. Ещё один способ решения проблемы — покрыть путь сплавом с малым электрическим сопротивлением. В нём возникнут индукционные токи, которые будут создавать достаточно сильное магнитное поле. КАК ЭТО ВЫГЛЯДИТ НА ПРАКТИКЕ
Работы по созданию магнитопланов ведутся уже не одно десятилетие в Германии, США, Японии и России. В Советском Союзе к началу 80-х гг. появился опытный линейный участок пути и экспериментальный вагон. Магнитопланом предполагалось связать московские аэропорты Шереметьево и Домодедово с Центральным аэровокзалом; было подготовлено технико-экономическое обоснование для строительства трассы от Еревана до курортной зоны на берегу озера Севан. Однако на линейном участке ограниченной длины обкатать состав на максимальных скоростях невозможно.
Больших успехов достигли немецкие фирмы «Хеншель» и «Тиссен» при реализации программы «Трансрапид». Уже к середине 80-х гг. XX в. была построена опытная трасса с линейным и двумя кольцевыми участками. На ней испытали поезд, достигший скорости 500 км/ч, а также конструкцию пути, стрелочные переходы, станционные сооружения, системы безопасности. В зависимости от дальности следования и предполагаемых маршрутов рассматриваются два типа поездов: двухвагонные (на 164 человека) — для сообщения городов с аэропортами и десятивагонные (на 820 человек) — для междугородных линий. Создатели «Трансрапида» применили неожиданную схему магнитной подвески. Они использовали не отталкивание одноимённых полюсов, а притягивание разноимённых. Подвесить груз над магнитом несложно (эта система устойчива), а под магнитом — практически невозможно. Но если взять управляемый электромагнит, ситуация меняется. Система контроля сохраняет величину зазора между магнитами постоянной — в несколько миллиметров. При увеличении зазора система повышает силу тока в несущих магнитах и таким образом «подтягивает» вагон; при уменьшении — понижает силу тока, и зазор увеличивается. Схема обладает двумя серьёзными преимуществами. Путевые магнитные элементы защищены от погодных воздействий, а их поле существенно слабее за счёт на порядок меньшего зазора между путём и составом; оно требует токов гораздо меньшей силы. Следовательно, поезд такой конструкции оказывается гораздо более экономичным.
Несущие магниты питаются от бортовых аккумуляторов, которые подзаряжаются на каждой станции. Ток на линейный электродвигатель, разгоняющий поезд до самолётных скоростей, подаётся только на том участке, по которому идёт поезд.
Сегодня нет технических проблем, мешающих начать массовое строительство магистралей для поездов на магнитной подвеске, — этому препятствуют проблемы экономические.

Работа тепловых машин подчиняется законам термодинамики, которые по традиции называют началами. Закон сохранения энергии для тепловых систем именуется первым началом термодинамики. А вторым её началом называется принцип, утверждающий, что все процессы, связанные с теплообменом, расширением газов и выделением тепла, самопроизвольно происходят только в одном направлении. Газ течёт из области с высоким давлением туда, где давление ниже; нагретое тело отдаёт тепло холодному; электрический ток идёт от большего потенциала к меньшему. Во время этих переходов может производиться полезная работа. Чтобы создать разность давлений, температур или потенциалов, нужно сжимать газ, нагревать воду, разделять электрические заряды. И здесь имеется своего рода асимметрия: работу в тепло можно превратить полностью, а тепло в работу — только частично. Какая-то доля его неизбежно уходит от двигателя к приёмнику тепла, к холодному телу. Повинно в этом не только трение, преобразующее энергию в тепло. Второе начало термодинамики доказывает, что тепло переходит в работу целиком, только если холодное тело имеет температуру абсолютного нуля (-273,16 °С). Но этой температуры достигнуть невозможно в принципе, и любой реальный тепловой процесс неизбежно приводит к рассеянию энергии. Поэтому вечный двигатель второго рода поведёт себя совершенно так же, как и двигатель первого рода: исчерпав запас внутренней энергии, он остановится.
«Концентрировать» и заставлять работать рассеянную энергию столь же бессмысленно, как собирать разлитую воду, заливать в бак и крутить её потоком турбину — проще делать это вручную.
Но не вся природная энергия находится в рассеянном состоянии. В атмосфере возникают перепады давления, поверхность океана нагревается, а его придонные слои остаются холодными. Там же, где есть разница температур или давлений, имеется возможность получить энергию и превратить её в работу.

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает
атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить солнечные энергостанции в
космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит
создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии Солнца.
У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии' в другой
неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить
опасное перегревание земной атмосферы.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции (СКЭС), сегодня
точно сказать нельзя. А к проектированию СКЭС конструкторы приступили ещё в конце 60-х
гг. XX в.
Путь энергии от приёмника электромагнитного излучения Солнца к розетке в квартире или
блоку питания станка может быть различным. В самых первых проектах предлагался такой:
солнечные батареи, вырабатывающие электричество —» сверхвысокочастотный (СВЧ) передатчик на СКЭС —> приёмник на Земле —> распределительные электрические подстанции. На практике это выглядело бы следующим образом: многокилометровые плоскости солнечных батарей на прочном каркасе; решётчатые антенны передатчиков; похожие на них (и тоже многокилометровые) приёмники энергии на поверхности Земли... Вариант, как быстро выяснилось, далеко не идеальный. Инженеры попытались вообще отказаться от использования солнечных батарей. Например, предлагалось с помощью различных преобразователей (скажем, зеркал) на станции превращать солнечный свет в тепло, кипятить рабочую жидкость и её паром вращать турбины с электрогенераторами. Но и в таком варианте процесс получения энергии остаётся очень долгим: солнечный свет через тепло и механическое движение превращается в электричество, потом — снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем — опять в электричество. Каждый этап ведёт к потерям энергии; приёмные антенны на Земле должны занимать огромные площади. Но хуже всего то, что СВЧ-луч негативно влияет на ионосферу Земли, пагубно сказывается на живых организмах. Поэтому пространство над антеннами необходимо закрыть для полётов авиации. А как уберечь от гибели птиц?
Те же проблемы возникают и при передаче энергии по лазерному лучу, который к тому же сложнее преобразовать снова в электрический ток. Полученную в космосе энергию более целесообразно использовать в космосе же, не отправляя её на Землю. На производство тратится около 90 % вырабатываемой на планете энергии. Основные её потребители — металлургия, машиностроение, химическая промышленность. Они же, кстати, и главные загрязнители окружающей среды. Обойтись без таких производств человечество пока не в состоянии. Но ведь можно убрать их с Земли. Почему бы не использовать сырьё, добываемое на Луне или астероидах, создав на спутниках и астероидах соответствующие промышленные базы? Задача, безусловно, сложнейшая, и сооружение солнечных космических электростанций — только первый шаг к её решению. С производством же электроэнергии для бытовых нужд справятся ветряки, бесплотинные ГЭС и другие экологически чистые энергоустановки. Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение, причём не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на удалённую от Земли орбиту. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую — опорную — орбиту
необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу
огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно делать их из тончайшей
зеркальной плёнки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной
космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А
долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только
установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.
НЕ ТОЛЬКО СОЛНЦЕ
Солнце не единственный космический источник энергии, которым могут воспользоваться
земляне. Не исключено, что на других небесных телах есть энергоносители, по своей
эффективности во много раз превосходящие имеющиеся на нашей планете. В поверхностных
слоях лунного грунта, например, найдены запасы гелия-3, который на Земле отсутствует.
Предполагается, что получить термоядерную энергию из этого изотопа проще, чем из других.
Между тем считанные килограммы гелия-3 удовлетворят годовую потребность в энергии всего
человечества.

История техники полна примеров, когда изобретатели из разных стран независимо друг от друга работали над решением общей задачи. Яркий пример такого «международного сотрудничества» — создание паровой турбины.
Первый важный шаг в разработке нового технического средства, потеснившего паровую машину, сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль (1845—1913). По происхождению он был французом, но его предки ещё в XVI в. уехали из Франции в Швецию, спасаясь от религиозных преследований. Благодаря острому уму и незаурядным способностям Лаваль сразу после окончания в 1872 г. Упсальского университета блестяще защитил докторскую диссертацию. Первые его изобретения — усовершенствования в химической и горнорудной технологиях. За эти изобретения инженер получил несколько десятков патентов. В 1878 г. Лаваль сконструировал молочный сепаратор (от лат. separator — «отделитель»). Принцип работы устройства прост.
Емкость с молоком должна вращаться со скоростью более 100 об/с. Центробежная сила будет отбрасывать к стенкам ёмкости воду, более лёгкий жир соберётся в центре, в результате сливки и обезжиренное (снятое) молоко разделятся. Но как получить нужную скорость? В поисках ответа на этот вопрос учёный и изобрёл паровую турбину. В 1889 г. она была построена. Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Струя пара, образующегося в котле, вырывается из трубы (сопла), давит на лопасти и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками для подачи пара, конструктор пришёл к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось применяемое до настоящего времени сопло Лаваля (патент 1889 г.). Это важное открытие изобретатель сделал, скорее, интуитивно; понадобилось ещё несколько десятков лет, чтобы теоретики доказали, что сопло именно такой формы даёт наилучший эффект. Следующий шаг в разработке турбин сделал изобретатель из Англии Чарлз Алджернон Парсонс (1854— 1931). Когда Лаваль уже работал над созданием турбины, Парсонс ещё учился в Кембриджском университете. Он, как и положено представителю
аристократического рода (его отец, лорд Росс, был известным астрономом и общественным деятелем), получил разностороннее образование. Заниматься турбинами начал в 1881 г., а уже спустя три года ему выдали патент на собственную конструкцию: Парсонс соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это сразу повысило интерес общества к паровым турбинам. В результате 15-летних изысканий Парсонс создал наиболее совершенную по тем временам реактивную многоступенчатую турбину. Он сделал несколько изобретений, повысивших экономичность этого устройства (доработал конструкцию уплотнений, способы крепления лопаток в колесе, систему регулирования числа оборотов).
Вскоре французский учёный Огюст Рато (1863—1930), обобщив уже имевшийся опыт, создал комплексную теорию турбомашин. Он разработал оригинальную многоступенчатую турбину, которая с успехом демонстрировалась на Всемирной выставке, проходившей в столице Франции в 1900 г. Для каждой ступени турбины Рато рассчитал оптимальное падение давления, что обеспечило высокий общий коэффициент полезного действия машины.
С 1900 г. известная компания «Вестингауз» начала выпуск турбин новой системы
американского изобретателя Гленна Кертиса (1879—1954). В его машине скорость вращения
турбины была ниже, а энергия пара использовалась полнее. Поэтому турбины Кертиса
отличались меньшими размерами и более надёжной конструкцией.
Одна из главных областей применения паровых турбин — двигательные установки кораблей.
Первое судно с паротурбинным двигателем — «Турбиния», — построенное Парсонсом в 1894
г., развивало скорость до 32 узлов (около 59 км/ч). С 1900 г. турбины начали устанавливать на
миноносцах, а после 1906 г. все большие военные корабли оснащались турбинными
двигателями. В том же, 1906 г. на воду были спущены два крупных пассажирских
трансатлантических лайнера с турбинными установками — «Лузитания» и «Мавритания».

Не зря говорят: «Энергия — хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и
техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие —
«опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни
один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определён или создан
заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству
добываемой и используемой энергии можно довольно точно судить о технической и
экономической мощи, а проще говоря — о богатстве любого государства.
В природе запасы энергии огромны. Её несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы
воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична
энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все её формы пригодны для прямого
использования.
За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания
энергии и преобразования её в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком
только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров
зажгли первые люди, ещё не понимавшие его природы, однако, этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и
совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.
К энергии собственных мускулов и огня люди прибавили мускульную энергию животных. Они
изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой
энергии огня — гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно,
процессы, происходящие при этом, человек познал многие тысячелетия спустя.
Потом люди придумали мельницы — технику для преобразования энергии водяных потоков и
ветра в механическую энергию вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя человечество получило в своё распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные её виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую, реактивные двигатели и — уже в середине XX столетия — атомные реакторы.
С помощью энергетических машин извлекают и преобразуют один вид энергии (её называют первичной) в другой (вторичную энергию). Очень часто машина одного типа с такой «переделкой» не справляется. Тогда энергию нужного вида получают путём последовательных преобразований в цепочке энергетических машин разных типов.
Например, гидравлическая, паровая, газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания раскручивают роторы генераторов, превращая механическую энергию в электрическую. Если турбина паровая, то в энергетической установке ещё должны быть паровые котлы с топками (они преобразуют химическую энергию топлива в кинетическую энергию пара) или парогенераторы с атомными реакторами (здесь пар образуется за счёт энергии,
выделяющейся при делении ядер атомов).
Однако чем больше машин в цепочке, тем выше потери энергии. Поэтому перед учёными и
инженерами стоит важная задача: создать машины и технологические процессы, в которых
нежелательные потери энергии сведены к минимуму.
Конечные потребители полученной энергии — самые разнообразные транспортные и рабочие
машины, источники света, устройства управления, средства связи и обработки информации,
источники тепла — словом, практически вся известная нам техника.

Земная технология развивается не одно тысячелетие, и сегодня, кажется, с её помощью можно
сделать всё, что угодно. Тем не менее, в каждом технологическом процессе на нашей планете
должна учитываться сила тяжести. Из-за неё вода и масло не смешиваются (у них разная
плотность, и масло всплывает в воде), нельзя вырастить правильный кристалл с требуемым
распределением компонентов и т. д. На околоземной орбите сила тяжести отсутствует. Поэтому
в космосе рационально развернуть производство сверхчистых материалов с заданными
свойствами. Например, кристаллов для высокоточных оптических приборов (в частности, для
твердотельных лазеров) и микросхем.
Во всём мире 80% готовых микросхем уходит в брак — в основном по причине
неравномерного строения исходных кристаллов, выращенных в гравитационном поле Земли.
Существенное — в масштабах микросхемы — влияние оказывает и материал стенок
кристаллизатора, неизбежно попадающий в расплав.
В невесомости таких проблем нет. Можно подвесить расплав в магнитном или электрическом
поле, в лучах лазеров, и он не будет контактировать со стенками рабочей камеры. Можно
регулировать распределение компонентов расплава и рост кристалла с помощью всё тех же
полей и лучей.
В условиях невесомости значительно легче проводить очистку органических смесей. Входящие
в них частицы имеют электрический заряд, а значит, в электрическом поле будут двигаться по
траекториям, определяемым соотношением их заряда и массы. На Земле большие помехи
вносит сила тяжести.
Ещё одно направление космической технологии связано с созданием внеземных конструкций.
В невесомости отпадает необходимость в прочных, устойчивых опорах, в вакууме нет ни ветра, ни осадков. Да и коррозии нечего опасаться.
Все космические сооружения можно разделить на две большие группы: негерметичные и герметичные. Последние наполняются газом (не обязательно воздухом) или жидкостью. Они должны выдерживать внутреннее давление, здесь недопустимы утечки содержимого. Практического опыта сборки в космическом пространстве герметичных объектов с помощью привычных способов — сварки или склейки — пока нет. Освоена и отлажена только стыковка разъёмных соединений.
Намертво соединить детали в космическом вакууме несложно. Если температура хотя бы чуть-чуть выше абсолютного нуля, на поверхности стыка атомы металла постепенно перемещаются из одной детали в другую. Такая диффузия, в конце концов, приводит к холодной сварке. На Земле этому процессу мешает плёнка окиси, возникающая под действием кислорода воздуха и паров воды. В космическом вакууме окисная плёнка не образуется, и приходится даже принимать специальные меры, чтобы не «схватились» контактирующие детали, которые не нужно сваривать.
Существуют и другие способы соединения. Например, на орбитальном комплексе «Мир» две фермы построены из заранее заготовленных стержней, соединённых муфтами из нитинола (металлического сплава никеля и титана), обладающего памятью формы. Это позволяет при необходимости разобрать ферму и смонтировать её в другом месте. С увеличением размеров конструкций возрастают их термические деформации. Освещенная
Солнцем поверхность на околоземной орбите нагревается до 150 °С и расширяется, теневая —
остывает почти до -150 °С и сжимается. В результате ферма стремится изогнуться в сторону
тени. Поэтому весьма перспективны в качестве материалов для космических ферм композиты
(композиционные
материалы), особенно углепластики, которые деформируются гораздо меньше металла. В них
сочетаются химически разнородные компоненты с чёткой границей раздела между ними. Эти
необычные материалы характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один компонент
в отдельности.
Композиты нельзя сваривать, резать и сверлить. Детали, изготовлен из синтетической пленки, покрытой тончайшим слоем металла.

Философы Древней Греции космосом считали гармоничную Вселенную, в которой царит
порядок и всё подчиняется законам природы (в отличие от хаоса, где царствует слепой случай).
Современные исследователи понимают под космосом примерно то же самое, но их интересует
вопрос: а какие законы управляют Вселенной? Чтобы понять это, космос изучали при помощи
различных наземных устройств — радио- и оптических телескопов, счётчиков заряженных
частиц и прочей научной аппаратуры.
4 октября 1957 г. Советский Союз осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.
Устройство, сделанное руками человека, впервые было выведено в космос. С тех пор
исследование Вселенной стало одной из основных задач космической техники. К этой технике
относят, во-первых, ракеты-носители, доставляющие научные приборы в околоземное и
космическое пространство. Сегодня с их помощью выводят на орбиту спутники и межпланетные лаборатории массой в десятки и сотни тонн. Во-вторых, мощнейшую вычислительную аппаратуру, позволяющую рассчитывать траектории полёта к планетам Солнечной системы и режимы посадки на них. В-третьих, сами научные приборы, способные безотказно работать в условиях вакуума, космического холода, в потоках ионизирующего излучения. В-четвёртых, служебные системы и агрегаты, которыми оснащаются космические станции.
Космические исследования обходятся недёшево. Например, орбитальный телескоп диаметром 1 м стоит в сто раз дороже наземного. Создание космического телескопа «Хаббл» с зеркалом диаметром 2,4 м обошлось американцам более чем в 6 млрд. долларов. Но на эти траты приходится идти. Научная аппаратура сегодня приносит не менее половины всей астрофизической информации, поступающей в распоряжение учёных.
Главная причина, заставляющая выводить научную аппаратуру в космос, — влияние земной атмосферы. В ней распадаются заряженные частицы, прилетающие из глубин Вселенной и от Солнца, рассеиваются и поглощаются излучения. Атмосфера никогда не бывает спокойной: воздух дрожит, размывая изображение звёзд в телескопах. Приборы в космосе не испытывают воздействия атмосферы и поэтому позволяют получить гораздо больше научной информации, чем наземные.
Но существуют задачи, которые в принципе невозможно решить без космической техники. Это непосредственное изучение атмосферы планет Солнечной системы и их поверхности, исследование межпланетного пространства.
Научные приборы, предназначенные для орбитальных и межпланетных лабораторий, создаются с учётом условий космоса. Зеркала оптических телескопов делают не из простого стекла, а из ситалла, продукта объёмной кристаллизации стекла разного состава. Ситалл очень прочен, а главное — практически не подвержен тепловому расширению. К телескопу подключаются различные регистрирующие системы:
спектральные приборы, фотоумножители и так называемые приборы с зарядовой связью
(матрицы ПЗС) — устройства, создающие полноцветное изображение исследуемого объекта.
Изображение в цифровой форме вводится в компьютер и передаётся на Землю; по качеству оно
не уступает фотографическому. Космические телескопы позволяют вести наблюдения в
видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Инфракрасный диапазон
особенно труден для наблюдения: сам телескоп и приёмники излучения приходится охлаждать
почти до температуры абсолютного нуля, чтобы их собственное тепловое излучение не мешало
измерениям. Несмотря на технические сложности, инфракрасную аппаратуру удалось сделать очень чувствительной: она способна с околоземной орбиты обнаружить горящую на Луне спичку. Ещё труднее измерять энергию радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов, которые буквально пронизывают Вселенную, образуя постоянный фон. Эти радиоволны возникли одновременно с нашей Вселенной и несут сведения о первых секундах её существования. Обычные антенны здесь бесполезны, и для работы на специализированных спутниках были созданы особые рупорные антенны и чувствительные приёмники-радиометры. Для регистрации рентгеновского и гамма-излучения применяют счётчики и детекторы самых разных типов. Кванты этих излучений несут очень большую энергию; в зависимости от типа счётчика они или ионизуют атомы газа, или вызывают световую вспышку в кристалле, или рождают цепочку искр, отмечающую траекторию их движения. Так регистрируют потоки заряженных частиц, приходящие из глубин космоса и от Солнца. Из нескольких детекторов собирают рентгеновский или гамма-телескоп — устройство, с большой точностью определяющее направление на источник излучения.
Совсем иную аппаратуру несут станции, предназначенные для исследования других планет. Их оснащают приборами для измерения магнитного поля планеты, анализаторами атмосферных газов, радиолокаторами для просвечивания плотной облачности. Для спуска на поверхность планеты такие станции снабжены системами мягкой посадки — тормозными двигателями, амортизаторами и парашютами. На станциях монтируют стереоскопические (от греч. «стерео'с» — «твёрдый», «объёмный», «пространственный» и «скопе'о» — «смотрю») камеры для панорамной съёмки, компактные буровые установки и манипуляторы для отбора проб грунта. Бортовые лаборатории проводили химические анализы грунта и ставили опыты по отысканию органической жизни на Марсе. По Луне и Марсу уже разъезжали телеуправляемые экипажи — отечественные «Луноходы» и американский марсоход «Соджорнер». Функционирование космических лабораторий обеспечивают различные системы и агрегаты. Источниками электроэнергии здесь служат панели солнечных элементов и аккумуляторы, которые от них подзаряжаются, а станции, уходящие далеко от Солнца, снабжаются вдобавок и атомными батареями. Система телеметрических (от греч. «те'ле» — «вдаль», «далеко» и «метро» — «измеряю») измерений следит за тем, чтобы все устройства работали в установленном режиме. Результаты научных измерений вводятся в запоминающее устройство и передаются на Землю по радио во время сеанса связи. Особо выделена радиолиния,
позволяющая по командам с пункта управления
включать и выключать приборы, ориентировать станцию, маневрировать. Бортовой компьютер
координирует работу систем и агрегатов станции и управляет ею по заданной программе или
по командам с Земли, а связанный с компьютером эталон времени осуществляет привязку
работы станции к земным часам с точностью до 0,001 с. Система терморегуляции поддерживает на борту требуемую температуру. Станцию во время полёта ориентируют так, чтобы её антенны были направлены на Землю, а научные приборы — телескопы, счётчики заряженных частиц, фотоприёмники — на исследуемый объект: звезду, туманность, планету или её спутник. Высокую точность наведения приборов обеспечивают компьютеры (на борту и на Земле), которые производят сложные расчёты. Разворачивают станцию и удерживают её в нужном положении исполнительные механизмы: двигатели малой тяги и тяжёлые волчки-гироскопы, называемые гиродинами (от греч. «ги'рос» и «ди'намис» — «сила»). Ось раскрученного волчка стремится сохранить своё направление в пространстве, и достаточно массивный гироскоп препятствует самостоятельному повороту всей космической станции. Орбитальный комплекс «Мир», например, стабилизируют сразу шесть гиродинов.
Сейчас, когда вы читаете эту книгу, пределы Солнечной системы впервые покинула американская межпланетная станция «Пионер-10». Она направляется к звезде Альдебаран в созвездии Тельца и прилетит к ней через 2 млн. лет, принеся земное послание иным мирам.
Запуски искусственных спутников и межпланетных лабораторий продолжаются. Начался монтаж первых блоков международной космической станции. На базе морской платформы для добычи нефти в России создана стартовая площадка в низких широтах, удобных для выведения спутников связи. Техника космических исследований становится совершеннее, и с её помощью мы всё больше узнаём о Солнечной системе, о Галактике, о Вселенной.

Внутреннее строение Земли, вещества, из которых она состоит, изучают геология и геофизика.
Эти науки не только занимаются теоретическими вопросами, например зарождением и
эволюцией органической жизни, но и решают практические задачи. Геологи и геофизики
находят залежи полезных ископаемых, оценивают их запасы, определяют, какие способы
добычи будут наименее затратными. Цели у исследователей одинаковые, а вот методы разные.
ПОЛЕВАЯ ТЕХНИКА ГЕОЛОГОВ
Понять, как устроена наша планета, помогают так называемые обнажения — места, где видны
коренные горные породы (камень, глина, песок и др.). Геологи отбирают образцы таких пород.
Главный и традиционный инструмент для выполнения операции — молоток. Не случайно
старинный девиз исследователей недр Земли — «Mente et malleo» (что в переводе с латыни означает «разумом и молотком»). Установки для бурения скважин и приборы для определения состава пород появились относительно недавно. Скважины сверлят долотами, навинченными на бурильные трубы. Рабочая поверхность долота представляет собой кольцо; поэтому, вращаясь, инструмент вырезает из породы цилиндрический образец — керн. Если двигатель подобной установки находится на поверхности, он вертит всю колонку бурильных труб (роторный способ). Двигатель, расположенный непосредственно у долота, приводится в движение либо электричеством (подаётся по кабелю), либо потоком раствора глины, который вращает турбину, соединённую с колонкой. Размолотую породу — шлам — выкачивают на поверхность промывочной жидкостью (обычно вода с глиной), а керн остаётся внутри трубы. Колонку бурильных труб периодически поднимают, чтобы сменить долото и вынуть керн. ТЕХНИКА ГЕОФИЗИКОВ
Геологические методы позволяют исследовать только верхнюю часть земной коры — ведь пробурить скважину более чем на несколько километров пока невозможно. Гораздо глубже проникнуть внутрь Земли помогает геофизика. Эта наука исследует отклонения плотности, магнитной восприимчивости, удельного электрического сопротивления, скорости распространения упругих волн, теплопроводности, радиоактивности и других физических свойств горных пород от среднего значения, т. е. аномалии земных полей.
Для глубинного (до 10 000 м) изучения крупных частей суши и океанов, разведки месторождений нефти, газа и твёрдых полезных ископаемых используют методы разведочной геофизики. Они включают в себя гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику — всего свыше ста методов. Проникнуть глубоко в недра планеты больше всего помогает сейсморазведка (от греч. «сейсмо'с» — «колебание», «землетрясение») методом отражённых волн. Суть метода состоит в следующем. В скважине или на поверхности земли производят взрыв, который рождает в почве упругие волны. Такие волны бывают продольными (частицы вещества колеблются вдоль направления распространения волны) и поперечными (колеблются поперёк хода волны). При исследовании малых, порядка 10 м, глубин волны возбуждают ударами кувалды. Для глубинной сейсморазведки раньше использовали взрывчатку, ныне чаще применяют вибросейс — тяжёлую плиту, подвешенную к раме автомашины. Плиту толкает «газовый двигатель» (в цилиндре взрывается смесь пропана с воздухом), и она ударяет по земле.
Упругие волны отражаются от подземных слоев, возвращаются к поверхности, и там их фиксируют сейсмоприёмники. При этом скорость волны в первую очередь зависит от состава горной породы. В корпусе сейсмоприёмника есть сильный кольцевой магнит, в зазор которого помещена лёгкая проволочная катушка, подвешенная на пружинках. Когда отражённая волна доходит до приёмника, катушка начинает колебаться в поле магнита, и в ней возникает переменное напряжение. Изменения напряжения в точности повторяют упругие колебания почвы. С катушки сигналы передаются на сейсмостанцию. Там, где проводят исследования, расставлены сейсмоприёмники (до нескольких сот) на определённом расстоянии друг от друга. Вместе с проводами они образуют сейсмические косы (иногда приёмники связывают со станцией миниатюрные радиопередатчики). При глубинной сейсморазведке максимальное удаление приёмников от станции может достигать нескольких километров.
Современная сейсмостанция для геофизической разведки — сложный измерительный комплекс, специализированная электронно-вычислительная машина (ЭВМ), смонтированная на одном-двух автомобилях. Сейсмоприёмники улавливают скорость волны до миллионной доли метра в секунду. К каждому прибору волна приходит через некоторый промежуток времени, и многоканальный самописец на сейсмостанции вырисовывает сложную картину системы отражённых волн — сейсмический разрез. ЭВМ из всей этой путаницы линий выделяет нужные сигналы, и по ним опытный геофизик может с уверенностью сказать, на какой глубине и под каким углом положены, скажем, рудные пласты или слои, пропитанные водой.
Многоканальная запись позволяет непрерывно следить за упругими волнами разных типов и разделять их. Записывают сигналы либо на рулонную бумагу, либо на широкую магнитную ленту. Форма записи — аналоговая или цифровая. С помощью графопостроителей (плоттеров) цифровые магнитограммы можно переписать в аналоговые.
Упругие волны возникают и в результате естественных деформаций земных недр (землетрясений), приливных волн Мирового океана, движения крупных воздушных масс (циклонов и антициклонов), оползней, ветра, дождя. Для регистрации упругих волн от землетрясений в обсерваториях (их в мире свыше 200) применяют сейсмографы. Прибор представляет собой инертную массу, подвешенную на пружине в жёстком массивном корпусе. Упругие волны вызывают колебания корпуса, а инертная масса стремится остаться неподвижной. Если к инертной массе подключить записывающее устройство (например, перо, которое легко касается бумаги, намотанной на вращающийся барабан), получится сейсмограмма — запись колебаний, произошедших от землетрясений. Кроме механической записи применяют оптические и электромагнитные способы автоматической (обычно круглосуточной) регистрации сейсмических волн.
При морской сейсморазведке чаще всего используют приёмники, работающие на основе пьезоэффекта. Суть этого явления заключается в том, что на поверхности некоторых кристаллов (например, кварца) под влиянием упругой деформации возникают электрические заряды. Промышленные морские пьезоприёмники помещают в заполненный маслом плавающий шланг, который тянется за судном. Упругие волны в толще воды вызывают мощным искровым разрядом или выстрелом из газовой пушки. Морские пьезоприёмники способны улавливать волны, создающие перепад давлений в миллионные доли атмосферы. Ещё один метод современной геофизики — гравиразведка (от лат. gravis — «тяжёлый»). Он основан на очень точном измерении силы тяжести Земли, т. е. гравитационного поля планеты. Сила тяготения на поверхности создаёт ускорение g= 9,81м/с , или 981 Гал. Но Земля не однородный шар; в ней есть пустоты и области уплотнения, например залежи руды. Сила тяжести над ними оказывается либо чуть меньше, либо чуть больше среднего значения. Эти изменения регистрируют гравиметрами.
Полевые гравиметры предназначены для измерения разности между gH в наблюдаемой точке и величиной go в некоторой исходной точке. Определяют go в опорных пунктах гравиметрической сети страны, расположенных в городах и ряде крупных населенных пунктов. Чувствительный элемент гравиметра — витая кварцевая пружина (иногда система пружин) или кварцевая нить. Эталонная масса (грузик), подвешенная на такой пружине или нити, под действием силы тяжести отклоняется от положения равновесия. С помощью компенсационных устройств грузик приводят в то исходное положение, которое он занимал на опорном пункте, и по шкале отсчитывают разность между go и gH. Чувствительность современных гравиметров составляет от 0,1 до 0,01 миллигал.
В настоящее время точное распределение силы тяжести на суше и в Мировом океане получают с помощью наблюдений за траекториями движения искусственных спутников Земли. Гравитационные аномалии изменяют орбиту спутника, отклоняя её от расчётной. Эти отклонения можно измерить методом лазерной локации и по ним рассчитать величину земного ускорения в разных точках планеты.
С помощью магниторазведки изучают геомагнитное, или естественное магнитное, поле Земли. Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, например залежей железных руд. Магнитометрами (полевыми, самолётными или корабельными) измеряют абсолютную величину магнитного поля либо его относительные значения, которые сравнивают с измеренными в опорных пунктах. Характеристикой магнитного поля служит напряжённость; она измеряется в эрстедах и гаммах. Напряжённость земного поля на магнитном полюсе равна 0,65 Э, а на экваторе — 0,35 Э.
Первые приборы представляли собой намагниченную стрелку, подвешенную на упругой нити. Величину её отклонения, прямо пропорциональную напряжённости измеренного поля, определяли при помощи оптической системы. Приборы такого типа обеспечивают чувствительность до 4—5 у.
Приборы второго поколения называются феррозондовыми (от лат. ferro — «железо» и фр. sonde). Такое устройство представляет собой два стержня с обмотками, поверх которых надета измерительная катушка. Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке возникает напряжение. Можно подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пункте, и напряжение не появится. Если геомагнитное поле изменится (в другом пункте), изменится и намагниченность стержней; соответственно в катушке появится сигнал. Чувствительность феррозондовых магнитометров составляет 2—4 у.
Приборы третьего поколения, появившиеся в 60-х гг. XX столетия, используют уже квантовый эффект —
зависимость частоты электромагнитного излучения атомов вещества от внешнего магнитного поля. Существует два типа таких приборов.
Протонные магнитометры содержат сосуд с водой или керосином (в молекулах этих жидкостей много атомов водорода, ядра которых состоят из протонов). Сосуд помещён внутрь катушки. Когда на её обмотки подают ток, жидкость намагничивается: протоны выстраиваются вдоль поля катушки. Затем ток быстро выключают, и протоны начинают вращаться, как волчки, вокруг силовых линий магнитного поля Земли. Крутящиеся протоны представляют собой миниатюрные магниты; при их движении в обмотке возникает переменное напряжение, частота которого определяется величиной геомагнитного поля в данной точке. Абсолютная погрешность протонных магнитометров составляет около 1 у.
В квантовых оптических магнитометрах атомам газа энергию сообщают мощной световой вспышкой. Полученную энергию атомы отдают, излучая электромагнитные волны с частотой, прямо пропорциональной напряжённости магнитного поля. Точность этих приборов ещё выше — до 0,1 у.
Землю изучают и методами электроразведки. В результате солнечного и космического излучений, непрерывных ударов молний в землю (свыше 100 раз в секунду), химических и физических реакций, приводящих к появлению электрических зарядов в горных породах и в подземных водах, возникают природные электрические поля. Линии электропередачи, антенны теле- и радиостанций создают искусственные поля. По характеристикам электрического поля (например, по сопротивлению) исследователи научились различать горные породы и залежи металлических руд. Впервые электроразведку для поиска полезных ископаемых применили в конце XIX в. К. Барус (США) и Е И. Рагозин (Россия).
При работе методом кажущегося сопротивления в грунт вбивают два электрода и подключают их к источнику постоянного тока. Возникшее электрическое поле исследуют при помощи второй пары электродов, соединённых с вольтметром. По величине измеренного напряжения рассчитывают сопротивление данного участка земной коры; оно даёт представление о его строении.
При электромагнитной разведке на поверхности земли раскладывают кабель в виде петли и пропускают через него переменный ток. В проводящих участках коры (например, в залежах руды) он создаёт магнитное поле, по величине которого судят о размерах и положении залежей. Магнитотеллурическими (от «магнит» и лат. tellus — «Земля») методами изучают переменные электромагнитные поля Земли естественного происхождения. Магнитометры и электрические датчики принимают излучения, приходящие с глубины в несколько километров. Эти излучения дают достаточно полное представление о геологическом строении данной территории. Тепловые поля Земли, возникшие в результате сложных физических и химических процессов (например, радиоактивного распада некоторых химических элементов), исследуют тепловизорами. Их чувствительные элементы принимают инфракрасное (тепловое) излучение глубинных пород. Излучение это очень слабое, поэтому приёмники тепловизора охлаждаются жидким азотом или гелием до температуры -200—230 °С. Принятые сигналы поступают на экран телевизора или фиксируются на фотоплёнке. Распределение температур зависит от внутреннего строения планеты. Горные породы «просвечивают» электромагнитными и акустическими волнами. По двум соседним скважинам перемещают одновременно излучатель и приёмник. По тому, как залегающие между скважинами породы поглощают волны, оценивают их электрические и упругие свойства.
При радиолокационных исследованиях применяют георадары. Это устройство представляет собой радиолокатор, который «светит» внутрь Земли. Почва и горные породы поглощают радиоволны, поэтому проникают они только на глубину в несколько десятков метров. Антенна георадара излучает радиоимпульс, который отражается от плотных пород и возвращается к принимающей антенне. Скорость распространения радиоволн зависит от физических свойств горных пород и жидкостей, их насыщающих (воды, нефти). Очень удобен георадар и для инженерных нужд: он с большой точностью обнаруживает трубопроводы, кабели и подземные сооружения.
Наблюдают за естественной радиоактивностью горных пород и воздуха с помощью гамма-счётчиков и эманометров (от лат. emano — «вытекаю» и греч. «ме'трон» — «мера»). В сцинтилляционных (от лат. scintillatio — «мерцание») счётчиках под действием радиации возникают вспышки света, а фотоумножитель преобразует их в электрические сигналы, которые затем усиливаются и регистрируются. Спектрометрические гамма-счётчики позволяют узнать, какой элемент — уран или торий — был источником радиоактивного излучения.
Известно, что урановые руды содержат радий, который выделяет бесцветный газ — радон. Газ этот радиоактивен: он распадается, излучая альфа-частицы. Чтобы определить мощность месторождения урановой руды, пробу воздуха, содержащего радон, закачивают в эманометр, и прибор измеряет интенсивность альфа-излучения.
На горные породы воздействуют гамма-излучением или потоками нейтронов разных энергий. Гамма-счётчики измеряют интенсивность вторичного гамма-излучения и энергию нейтронов. С помощью нейтронных методов находят залежи соединений, содержащих водород (воду, нефть, газ), металлов и редкоземельных элементов. Гамма-методами измеряют плотность пород и определяют их элементный состав.

Newer Posts »