Из предыдущих глав следует, что термин «тяговая система» – понятие весьма обширное, ибо система может использовать как внутренние (бортовые), так и внешние источники массы и энергии. Что касается конкретных проектов, то рассмотрение только некоторых возможностей (см. гл. 3) показывает, что у конструкторов тяговых систем имеется практически неисчерпаемое количество самых разнообразных вариантов и схем. Трудность состоит в выборе такой схемы и такой конструкции, которая бы удовлетворяла следующим требованиям:
        - максимальное использование имеющегося опыта;
        - максимальный эффект при выполнении космической задачи;
        - высокая надежность при наименьших затратах времени и материальных средств на разработку и изготовление системы;
        - перспективность, т.е. возможность использования некоторых принципов, закладываемых в конструкцию, для создания более совершенных тяговых систем в будущем.
        Могут быть и такие случаи, когда решающее значение имеет не первое, а второе, третье или даже четвертое условие. Тогда, вопреки установившимся схемам, в конструкцию космических тяговых систем вводится совершенно новый элемент или даже закладывается совершенно новый принцип ее работы, требующий больших затрат времени и средств на предварительные теоретические и экспериментальные исследования и на последующую отработку конструктивных решений, но дающий качественный скачок в развитии техники.
        Примером таких новых направлений можно считать разработку систем, использующих атомную энергию и внешние массово-энергетические ресурсы. Первый путь позволяет практически снять ограничения на бортовые энергетические ресурсы, а второй, частично их дополняя, снимает ограничения на бортовые запасы инертной массы.
        Очевидно, что новые тяговые системы, требующие на разработку значительных затрат времени и средств, должны предварительно анализироваться с точки зрения их максимальной эффективности и перспективности для широкого класса космических задач.
        К сожалению, теоретических методов, применимых для инженерных расчетов, позволяющих проводить обобщенную оценку эффективности различных космических тяговых устройств, пока не создано, а используемый в настоящее время динамический анализ весьма ограничен в том отношении, что, давая возможность сравнивать системы между собой и определять их оптимальные режимы работы, не отвечает на вопрос о путях совершенствования космической тяговой системы в целом, поскольку не рассматривает физические процессы, обусловливающие появление тяговых сил.
        Чтобы ответить на этот вопрос, следовало бы провести энергетический анализ, идеи которого излагаются в современных курсах теоретической физики и который требует более широкого представления о тяговой системе. Он сложнее динамического анализа, так как существует большое количество всевозможных сочетаний внешних и бортовых ресурсов, из которых следует найти оптимальные. Но, по-видимому, и этот анализ не сможет удовлетворить всем требованиям, накладываемым на выбор рациональной тяговой системы. Последняя должна в принципе обеспечивать многоразовое (обратимое) применение ее, что связано в общем случае не только с таким понятием, как энергия, но и с термодинамическим понятием энтропии.
        В связи с этим в данной главе предпринята попытка наметить пути обобщенного анализа эффективности космических тяговых систем с привлечением аппарата неравновесной термодинамики.
        Термодинамический метод выбран в силу того, что современная неравновесная термодинамика ** рассматривает практически все интересующие нас энергетические процессы и все известные в настоящее время процессы переноса, т.е. является наукой, изучающей процесс переноса обобщенного заряда.
        Примечание: ** - Мы используем и развиваем многие из идей А.И. Вейника, которые в силу их необычности еще не получили всеобщего признания. Советуем ознакомиться с его книгой «Термодинамика», Минск, «Высшая школа», 1968.
Даже обычная ньютоновская механика, как это было недавно показано, имеет полный аналог в термодинамике необратимых процессов, что позволит, вероятно, используя ее методы, проводить анализ наиболее сложных видов механического движения. Именно таким движением и является в общем случае полет искусственного космического объекта или нескольких объектов, взаимодействующих между собой на некоторых расстояниях при помощи сил дальнодействия (реактивной струи, электромагнитного поля и т.д.). Предложение использовать для анализа рассматриваемых задач аппарат неравновесной термодинамики может показаться не только необычным, но и неуместным, поэтому необходимо ознакомиться с ее основными положениями.

        § 4.1. Методы классической термодинамики.

        Начала (законы) термодинамики. Первой начало термодинамики – закон сохранения энергии в процессе превращения одних ее видов в другие. Иногда первое начало понимается ограниченно – как закон сохранения энергии только при переходе различных видов энергии в тепло и обратно, но такая узкая формулировка имеет мало сторонников.
        Второе начало термодинамики характеризует направленность процессов в макроскопических (подчиняющихся вероятностным законам) системах. При этом утверждается, что любые термодинамические системы стремятся к наиболее вероятному, т.е. к равновесному, состоянию. Иногда второе начало обобщают на более широкие в физическом смысле системы и утверждают, по-видимому, необоснованно, что его можно отождествить с наблюдающимся якобы законом рассеяния любых видов энергии в природе.
        Согласно третьему началу, нельзя построить машину, способную отнять всю теплоту от тела, т.е. охладить его до абсолютного нуля. Этот закон, так же как и второе начало, принципиально справедлив только для макромира.
        Термодинамика, базирующаяся на этих началах, называется классической. Она изучает в основном равновесные и однородные в пространстве процессы.
        Чтобы применить законы термодинамики к объяснению пространственно-временных явлений, была разработана термодинамика необратимых процессов, которая полностью использует все положения классической термодинамики, но позволяет расширить метод на любые процессы, происходящие в пространстве обобщенных координат (одной из координат может быть время).
        Очень важно отметить, что в последнее время все большее распространение находят идеи использования нетепловых форм энергии (например, энергии аннигиляции), теоретические описания которых зачастую требуют знания физики микропроцессов. Необходимо поэтому определить области, где ограничивается или даже прекращается действие второго и третьего начал термодинамики. Такими областями могут быть не только элементы микромира, но в некоторых случаях и макромира. Таков, например, термодинамический аналог механической задачи двух или, вообще говоря, N тел.
        Очень часто критикуют попытки объяснить на основании следствий второго начала термодинамики тепловую смерть Вселенной. Трудно, например, согласиться с взглядами Хвольсона, который считает, что всеобщий закон возрастания энтропии является самой важной истиной, до которой удалось додуматься человечеству. Однако сторонники противоположных взглядов, отрицающие возможность тепловой смерти, либо ссылаясь на флуктуационные явления, либо с помощью постулатов о том, что Вселенная не замкнутая термодинамическая система, тоже не стремятся вступать в противоречия с законом возрастания энтропии или обесценивания энергии, хотя его справедливость для физики микромира еще требует серьезных обоснований. В то же время давно установлено, что энергетика Вселенной в первую очередь определяется именно микропроцессами (синтез ядер, аннигиляция, ядерный распад и т.д.). Еще в 1916 г. это отметил выдающийся русский физик Н.А. Умов.
        Что же касается третьего начала, то необходимость его доказательства еще более очевидна, поскольку вблизи абсолютного нуля начинают проявляться квантовые свойства энергии, а понятие температуры как статистической монотонной функции исчезает.
        В настоящее время энергетика микромира успешно осваивается, поэтому современная термодинамика, чтобы остаться общей наукой об энергетических процессах, должна включить в себя и этот вид энергетики. Термодинамика с каждым годом совершенствуется. Если даже предположить, что она со временем будет описывать в общем виде любые энергетические процессы, в том числе и происходящие с элементарными частицами и электромагнитными полями (а предпосылки для этого имеются), то и тогда будет далеко до ее полного завершения, так как потребуется установить термодинамические законы одного из самых загадочных в настоящее время полей – гравитационного. Существуют, по-видимому, и другие формы энергетических взаимодействий, о которых сейчас можно делать только различные предположения.

Примечание.

Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. «Физические проблемы космической тяговой энергетики», М., Атомиздат, 1969, стр.400. Глава 4 «Принципы обобщенного термодинамического анализа эффективности космических тяговых систем», стр. 298-381.
Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. «Внешние ресурсы и космонавтика», М., Атомиздат, 1976, стр.552. Глава 8 «Принципы обобщенного анализа эффективности космических тяговых систем», стр. 457-544.

Справка:

Бурдаков Валерий Павлович (1934 г.р.), доктор технических наук (1979), профессор МАИ (1984). Действительный член Академии инженерных наук РФ, руководитель Отделения автоматизации и проектирования производственных процессов. Ученик Сергея Павловича Королёва, автор множества изобретений, руководитель проектных работ по отечественному многоразовому космическому кораблю "Буран". Разработал Общую фрактально-кластерную теорию организмов и экоматермический метод (ЭМТ-метод) анализа машинных и биологических организмов, сочетающий достижения экономики, математики и термодинамики. Заслуженный деятель науки РФ (2003).
Данилов Юрий Иванович (1922-1995), авиационный конструктор, доктор технических наук, профессор МАИ, заслуженный деятель науки и техники РСФСР. лауреат Госпремии СССР (1980). Окончил факультет № 2 "Двигатели летательных аппаратов МАИ (1947). 1960-1973 - начальник Главного управления Госкомитета СССР по использованию атомной энергии; 1973-1995 - зам. ген. конструктора – зам. директора ЦНИИ "Комета" (г. Москва, ныне ФГУП ЦНИИ "Комета").
    Бурдаков В.П., "Профессор МАИ Юрий Ивановия Данилов", М.: МАИ, 2002. 64 с.