"Техника-молодежи" 1958 №12, с.10-13

Расположение вокруг Земли слоев воздуха одинаковой плотности и одинаковой диссоциации. Видна зависимость высоты слоя от широты.

1 — обычное состояние атомов кислорода и азота в атмосфере Земли; 2 — диссоциация газа; 3 — рекомбинация (возвращение в прежнее состояние) диссоциированного газа.

Ионизация кислорода под влиянием излучений происходит так. Нейтральный атом кислорода состоит из ядра, имеющего положительный заряд, и восьми отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. При достаточно сильном облучении один из электронов наружной электронной оболочки отрывается и покидает атом, который, таким образом, приобретает положительный заряд. Очень сильное облучение может оторвать от атома два, три и даже больше электронов. При этом атом поглощает каждый раз все больше и больше энергии.

Вот на эту-то работу, совершаемую по пути сквозь атмосферу, и затрачивается энергия излучений Солнца, космических частиц и метеоров. Если на высоте 250 км, где энергия излучений способна расщепить почти все молекулы, газы находятся только в атомарном виде, то ближе к Земле количество атомарных газов становится все меньше и меньше.

Чтобы ионизировать газы, надо затратить много больше энергии, чем на то, чтобы диссоциировать их. Например, чтобы от электронной оболочки кислорода оторвать один электрон, надо на каждый килограмм газа потравить около 9 800 ккал (больших калорий) энергии, в то время как на диссоциацию этого же количества кислорода расходуется только около 3 700 ккал. Таким образом, когда приходящее излучение уже потеряло столько энергии, что не может ионизировать газ, оно имеет еще достаточно энергии для его диссоциации.

В результате работы всех видов излучений в атмосфере образуются различные слои с разной степенью ионизации газов — ионосфера. На широтах от тропика Рака до тропика Козерога, где Солнце светит всего сильнее и воздух относительно более разрежен, слои диссоциированного кислорода в полдень могут находиться на высотах от 40—50 км над уровнем моря, причем чем ниже, тем меньший содержится в них процент диссоциированного кислорода.

Самолет-лаборатория с двигателем «ЖРД» в фюзеляже и двумя ПАРДами на конца крыльев.

Слои атмосферы непостоянны по степени ионизации и происходящим в них процессам. Когда Солнце стоит в зените, его лучи всего «сильнее» удерживают атомы и молекулы газов в ионизированном и диссоциированном состоянии. Когда же Солнце начинает опускаться к горизонту, путь его лучей в воздухе удлиняется, диссоциированные слои поднимаются выше, а в нижних слоях начинается так называемая рекомбинация: атомы снова соединяются друг с другом. При этом высвобождается та энергия, которую они получили от Солнца. Эта энергия выделяется теперь в виде тепла и света. Ионизированные атомы при рекомбинации жадно захватывают близрасположенные электроны и тоже выделяют энергию. Энергия эта огромна. Только при рекомбинации диссоциированного кислорода выделится 848 ккал на каждый кг воздуха. При быстрой рекомбинации этого количества было бы достаточно для того, чтобы нагреть весь воздух этого слоя более чем на 3000°С. Более того, если бы весь кислород вдобавок был еще хотя бы единожды ионизирован, то он выделил бы еще по 1 960 ккал на 1 кг воздуха. Наконец, если в воздухе будет еще диссоциирован весь азот, то на 1 кг воздуха выделится еще по 4 250 ккал.

И эта гигантская энергия пока что пропадает без пользы для человека.

Схема ПАРДа: 1 — центральное тело с двумя рядами форсунок А и Б. Форсунки А работают при торможении, Б — при разгоне и полете. 2 — кольцевой канал; в нем циркулирует охлаждающая жидкость, которая подводится и отводится по двум трубам 3. 4 — механизм, выдвигающий центральное тело с помощью трех тяг. 5 — по одной из тяг поступает катализатор в центральное тело. 6 и 7 — воздухозаборник и сопло.

Мы уже видели, что днем лучи Солнца препятствуют диссоциированным атомам кислорода соединиться друг с другом. Однако имеются вещества, которые как бы «лишают» лучи Солнца этой способности. Эти вещества могут быть газообразными, жидкими, в виде пара или твердыми, в мелко распыленном состоянии. Все они действуют как катализаторы, то есть не соединяются с газом во время рекомбинации его атомов, а помогают реакции лишь своим участием и присутствием. Достаточно ввести в атомарный газ такой катализатор, и диссоциированный газ почти мгновенно превращается в молекулярный, выделяя всю заключенную в нем энергию. Катализатора при этом расходуется ничтожно малое количество. Если б он не разрушался под действием высоких температур, то даже небольшого его количества было бы достаточно, чтобы неограниченное количество диссоциированных газов соединилось в молекулы. Если катализатор вводить под большим давлением и придать ему еще и большую скорость, то газ рекомбинируется еще быстрее.

Оказывается, это явление можно использовать для разгона и торможения самолетов и ракет.

В 1954 году была предложена идея двигателя для самолетов и ракет, который мог бы использовать естественные атомарные газы атмосферы.

На рисунке (внизу) показана предположительная схема двигателя, использующего явление диссоциации атомов. Каково будет действительное его устройство и размеры, сказать еще очень трудно. Из схемы видны отличия этого двигателя от всех других и легко понятен принцип его действия.

Струя воздуха, содержащего на большой высоте почти чистый атомарный кислород, втекает в заборное отверстие двигателя, имеющее широкое сечение. Постепенно уплотняясь, он достигает участка с самым узким сечением. Здесь в рабочем пространстве в него впрыскивается катализатор, благодаря чему в струе воздуха происходит рекомбинация атомарного кислорода в молекулярный с выделением большого количества тепла. Сильно нагретый и расширившийся воздух затем устремляется по постепенно расширяющемуся каналу сопла и вылетает из него со скоростью, намного превосходящей ту, с которой он вошел в двигатель. Так возникает разница в скоростях входящего и выходящего воздуха — реактивная тяга, подталкивающая двигатель вперед.

Посредине двигателя расположено центральное тело — конический стержень, который может передвигаться как вперед, так и назад, причем в крайнем заднем положении он закрывает самое узкое сечение канала, перекрывая поток воздуха. На нем также располагаются форсунки для впрыскивания катализатора. При передвижении стержня вперед катализатор будет поступать в рабочую камеру со все большим опережением, а одновременно будет увеличиваться и проход для воздуха, благодаря чему возрастает и скорость потока воздуха.

Катализатор впрыскивается через два ряда отверстий — форсунок. Верхний ряд этих отверстий с помощью несложного механизма может работать лишь при крайнем заднем положении центрального тела, когда проход воздуха через двигатель наглухо закрыт. В таком положении реактивная сила от соединения атомарного кислорода будет направлена вперед, что позволяет использовать двигатель для торможения.

Впрыскивание катализатора производится частыми мельчайшими порциями, причем при разгоне продолжительность впрыскивания должна занимать от ¹/₅₀₀ до ¹/₁₀₀₀₀ доли секунды. При торможении, а также при крейсерском полете на высоте в пределах атмосферы впрыскивание производится реже, примерно каждую ¹/₁₀₀ долю секунды. Порция катализатора во всех случаях подается одна и та же: доли грамма.

Исполинская летающая пирамида благополучно опустилась на далекую планету. Смолк шипящий свист атомарных двигателей. Первые астронавты вышли на разведку таинственного мира. Они не будут одиноки. Второй планетолет космической эскадры идет на посадку неподалеку от первого.

Так как в горле сопла развивается очень высокая температура, то для его охлаждения по кольцевому каналу, располагаемому вокруг сопла, должен непрерывно циркулировать жидкий металл или сплав. Внутри ракеты этот металл отдает свое тепло воде и превращает её в перегретый пар. В свою очередь, циркулируя по замкнутому кругу, перегретый пар проходит сквозь турбину, отдает ей свою энергию и конденсируется снова в воду. Энергия турбины используется для выдвижения воздушных заслонок ракеты, вращения моторов, осуществляющих впрыскивание катализатора, работы насоса системы охлаждения жидким металлом и т. д.

Участок самого узкого сечения двигателя приходится делать чрезвычайно коротким. Это необходимо потому, что диссоциация газов может происходить не только при излучении, но и при высоких температурах. В этом случае если горло сопла сделать слишком длинным, то под действием высокой температуры кислород успеет снова диссоциироваться, даже несмотря на присутствие катализатора, и, естественно, никакого приращения движения не произойдет, так как при диссоциации кислорода в противоположность рекомбинации его энергия не выделяется, а поглощается.

Если удастся найти твердый катализатор, то схема двигателя еще более упростится. Тогда за центральным телом достаточно будет поставить решетку (сетку) из такого твердого катализатора, и вся система впрыска окажется ненужной, как и запас жидкого катализатора. Примерно так же (с решеткой) может выглядеть и схема двигателя, использующего энергию только ионизированных, но не диссоциированных газов, только в этом случае сквозь решетку необходимо пропускать электрический ток.

ЛЕТАЮЩИЕ ПИРАМИДЫ

Подсчитано, что для разгона ракеты диаметром 27 м с описываемым двигателем со скорости 2 км/сек до скорости 11,2 км/сек расход катализатора — азотистого ангидрида — не превысит 1 000 кг. При использовании же твердого катализатора его потребуется еще меньше.

Сама ракета должна быть по меньшей мере двухступенчатая. Первой ступенью могут быть особо мощные жидкостно-реактивные или какие-то другие двигатели, например использующие для разгона атомарный водород, взятый с собой с Земли. Назначение первой ступени — поднять ракету к слою атомарных газов атмосферы и сообщить там летательному аппарату нужную для работы его двигателей скорость.

Пирамидальная ракета при взлете: 1 — место кабины астронавтов; 2 — двигатели первой ступени и над ними баки для топлива и катализатора; 3 — вид ПАРДов при разгоне в плотных слоях атмосферы; 4 — ПАРДы убраны; 5 — воздушная заслонка в закрытом виде.

Наиболее приемлемой формой для такой ракеты была бы пирамида. Для самолета, имеющего крылья, возможен также фюзеляж в виде конуса. Но пирамида лучше. В самом деле, при монтаже она очень устойчива. В наибольшем квадратном сечении такой ракеты можно расположить много двигателей первой ступени, что позволит ракете иметь при взлете большую суммарную тягу их. Вместо рулей на такой ракете могут быть применены воздушные заслонки, которые, во-первых, занимают мало места, а во-вторых, при закрытом положении служат дополнительной защитой фюзеляжа. При вертикальном подъеме такой ракеты можно регулировать направление также изменением силы тяги двигателей первой ступени. При ракете в форме конуса она, если не будет иметь крыльев, начнет вращаться вокруг оси, чего не произойдет при пирамидальной форме. В то же время при опорожненных баках первой ступени относительный вес, приходящийся на 1 м² наибольшего сечения ракеты, будет столь невелик, что она при разгоне быстро приобретет нужную скорость, а при движении в атмосфере в положении широкой частью вперед начнет парашютировать, что облегчит посадку.

На пирамидальной ракете двигатели располагаются в самом ее основании по краям. Чтобы не увеличивать сопротивление воздуха при движении ракеты в плотных слоях, двигатели при подъеме спрятаны в теле ракеты и выдвигаются только в рабочем слое. После выдвижения двигатели сплошным квадратом без каких-либо промежутков или щелей опоясывают самую широкую часть ракеты. Это происходит при ее движении по линии, почти концентричной поверхности Земли. В это время все топливо первой ступени, заполнявшее баки ракеты при подъеме, будет израсходовано. От ракеты останется, по существу, только каркас, обтянутый тонкой металлической оболочкой, двигатели, бак с катализатором и полезный груз, так как все остальное (двигатели первой ступени, баки или часть их и т. д.) может быть сброшено на землю на парашютах. В то же время сквозь двигатели на такой облегченной ракете будет проходить почти весь воздух с большой поверхности всей ракеты.

Тяга такой ракеты будет в идеальном случае равна (при использовании только атомарного кислорода) приблизительно 120 кг с каждого 1 м² лобового сечения ракеты (на высоте 60 км над экватором в полдень при средней активности Солнца). Это значит, что при длине стороны в 5 м тяга будет равна 3 т, а температура нагрева воздуха в двигателях составит от 840 до 1400° С. Это не так уж много при столь больших размерах ракеты. Однако при огромных размерах ракеты — длина ее стороны должна быть около 60 м! — мыслится возможным полет на Марс с пассажирами. При скорости 2 км/сек и максимальной диссоциации 50%, при плотности ¹/₁₀₀₀ от плотности у Земли такая ракета соберет со всей площади энергию, равную почти 1,6 млрд. кгм или 1,6 млн. тонна-метров в секунду при весе в 340 т.

Само собой разумеется, подобная ракета будет построена не сразу.

Прежде следует провести экспериментальные полеты самолета с двигателями на концах крыльев. Будет проверена их работа и уточнена величина диссоциации кислорода на высотах 50—60 км. Затем двигатели могут служить только для поддержания максимальной скорости больших трансконтинентальных самолетов и больших искусственных спутников Земли, а разгоняться эти спутники и самолеты будут другими двигателями. Наконец эти двигатели можно использовать для разгона большого искусственного спутника Земли и создания на большой высоте постоянной астрономической и геофизической лаборатории, обслуживаемой людьми. Только после этого станет возможным создание ракеты и для полета на другие планеты.

При возвращении в атмосферу Земли такая ракета влетает в положении широкой частью, а следовательно, и двигателями вперед. Центральное тело закрывает «горло» канала, взрывы направляются вперед, что помогает гасить скорость в слое атомарных газов. Кроме того, ракета в промежутках между взрывами парашютирует.

Максимальная скорость, которая может быть достигнута с помощью двигателей, как показывают расчеты, приближается к 17 км/сек. До Марса при скорости 16 км/сек можно добраться за три месяца.

Атомарные газы есть не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах Венеры и Марса. Это делает возможным в отдаленном будущем совершить посадку и на эти планеты.

Вопрос практической осуществимости ПАРДа предстоит решить науке завтрашнего дня, а идея его весьма заманчива. Ведь так может быть использована энергия, которую рождают лучи Солнца высоко над Землей.