ЛОШАДЕЙ В УПРЯЖКЕ
"Техника-молодежи" 1969 г №11, с.18-21
| ЛОШАДЕЙ В УПРЯЖКЕ |
| ,,Г |
Понадобилось всего 43 года, чтобы идея, провозглашенная неким профессором Бикертоном «глупейшей» и «неосуществимой в самой своей основе», стала реальностью. Но еще прежде чем нога землянина впервые ступила на лунную твердь, десятки автоматических станций и аппаратов достигли поверхности Луны, отправились к Марсу и Венере, стали сами искусственными планетами. И каждый из этих запусков — наглядных опровержений многочисленных мрачных пророчеств — стал возможным благодаря одному и тому же двигателю — ракетному...
Комментируя заявление Бикертона, английский писатель-фантаст А. Кларк указал на главные заблуждения профессора.
Во-первых, «пусть нитроглицерин располагает всего лишь 1/10 энергии, необходимой для преодоления земного тяготения. Это означает только, что для запуска в космос 1 кг полезного груза придется взять десять килограммов нитроглицерина».
А во-вторых, «от ракетного горючего мы требуем энергии, а не бризантности, не стремительности ее высвобождения; нитроглицерин и другие аналогичные взрывчатые вещества содержат на единицу веса значительно меньше энергии, чем такие смеси, как керосин с жидким кислородом».
Уже по этим замечаниям можно уловить различие между ракетным двигателем твердого топлива — РДТТ и жидкостным ракетным двигателем — ЖРД...
Трудно представить себе схему двигателя более простую, чем схема РДТТ. Никаких насосов и турбин, никаких трубопроводов, никаких баков и баллонов. Только камера сгорания и реактивное сопло. Весь запас топлива — твердой смеси горючего с окислителем — находится непосредственно в камере сгорания. Внешняя поверхность заряда покрывается негорючим веществом или плотно примыкает к стенкам камеры: горение должно идти только по поверхности сквозного звездообразного отверстия в заряде. Форма этого отверстия подбирается обычно так, чтобы по мере выгорания топлива поверхность горения оставалась бы постоянной, давление и температура в камере не повышались и тяга двигателя не изменялась.
Эта подкупающая простота, неприхотливость, постоянная готовность к действию сделали РДТТ незаменимыми в боевой технике, где их устанавливают на зенитных, противотанковых и других ракетах. Но если говорить о космических полетах, то тут многие достоинства РДТТ оборачиваются недостатками. Их практически нельзя выключить, пока не выгорит все топливо. Искусным подбором топлива и его геометрии можно запрограммировать тот или иной закон изменения тяги в полете, но, после того как ракета снаряжена, менять эту программу уже невозможно. Трудно изменять и направление силы тяги в полете: надо либо устанавливать газовые рули в сопле ракеты, либо делать поворотным само сопло. И то и другое решение получается довольно громоздким и сложным.
Но самое главное, конечно, в том, что твердые топлива не позволяют получить скорость истечения газов больше 2500 м/сек...
В принципе любой ракетный двигатель создает тягу, отбрасывая назад рабочее вещество — газы, плазму, заряженные частицы. И чем выше скорость истечения рабочего вещества, тем экономичнее двигатель, тем меньший запас топлива нужен для вывода полезного груза в космос.
Жидкостные ракетные двигатели — ЖРД, как и РДТТ, термохимические. В них главный метод получения высоких скоростей истечения газов — это увеличение их температуры. Но в отличие от РДТТ в ЖРД горючее и окислитель хранятся в жидком виде в отдельных баках.
Такое раздельное хранение позволяет использовать самые энергоемкие топлива, при сгорании которых выделяются огромные количества энергии. Высокие температуры, возникающие при этом, не угрожают камерам сгорания. В отличие от РДТТ, продолжительность работы которых ограничена перегревом стенок, в ЖРД стенки камеры сгорания можно охлаждать жидким топливом, идущим затем к форсункам. Вот почему скорость истечения газов в ЖРД больше, чем в РДТТ, и достигает 3-4 тыс. м/сек. Кроме того, ЖРД можно выключать и вновь включать, регулировать величину тяги. Простым поворотом компактного двигателя нетрудно изменять и направление тяги. Эти достоинства с лихвой окупают некоторое усложнение конструкции ЖРД — появление насосов, системы регулирования, охлаждения и т. д.
Двигатель РД-107 «Восток» с тягой 102 т, разработанный в Советском Союзе в 1954-1957 годах, по праву может носить название классического. Первый в мире серийный двигатель, работающий на углеводородном горючем и жидком кислороде, он вывел на орбиту множество искусственных спутников Земли, космические корабли «Восток» с первыми космонавтами на борту. С помощью этих двигателей запустили автоматические межпланетные станции к Луне, Венере, Марсу, они разгоняли при старте космические корабли «Восход».
Спустя 10 лет, в 1965 году, в нашей стране созданы малогабаритные ЖРД для ракетно-космической системы «Протон», суммарная тяга которых втрое превышает тягу гагаринской ракеты.
Все самые впечатляющие достижения космической техники обязаны своим появлением термохимическим ракетам. Этот вид двигателей еще долго будет оставаться основным для современной космонавтики. Однако химические ракеты необычайно прожорливы. Ограниченная энергоемкость даже самых лучших химических топлив приводит к колоссальным размерам космических кораблей. Вес ракеты «Сатурн-5» с кораблем «Аполлон-11» перед стартом к Луне составил около 3000 т!
Вот почему ракетчики заинтересовались ядерной энергией...
1 кг урана дает столько же энергии, сколько 1700 т бензина. Вместо гигантских баков с жидким кислородом и горючим — несколько кубиков урана — вот что сулит на первый взгляд ядерный ракетный двигатель. Но это не совсем так. Ни один ракетный двигатель не может работать без рабочего вещества. Выходит, в отличие от химических ракет, где топливо одновременно и рабочее вещество, в ядерной происходит своего рода «разделение обязанностей», оказывающееся очень важным ее достоинством.
Выбирая рабочее вещество для химической ракеты, конструктор, как говорится, связан по рукам и ногам. С одной стороны, оно обязательно должно быть продуктом сгорания или разложения топлива, обладающего возможно более высокой энергопроизводительностью. С другой — его молекулярный вес должен быть как можно меньше, ибо при одинаковой температуре легкий газ дает скорость истечения большую, чем тяжелый. И вот показательный пример: пара кислород — водород дает огромное количество энергии. А рабочее вещество, получающееся при этой реакции, довольно тяжелое — вода. Ее молекулярный вес — 18. А молекулярный вес водорода — 2. При прочих равных условиях скорость истечения водорода втрое больше, чем воды! Использовать это преимущество позволяет ядерный реактор.
Пропуская водород сквозь раскаленные тепловыделяющие элементы реактора, нагревая его до высокой температуры и выпуская через реактивное сопло, можно получить скорости истечения в 8-10 тыс м/сек — то есть в два-три раза больше, чем в ЖРД. В США атомный ракетный двигатель «Нерва» развил тягу в 25 т, а скорость истечения на 50% выше, чем у лучших американских химических ракет.
В такой установке скорость истечения ограничена температурой плавления тепловыделяющих элементов. Стремясь повысить ее, конструкторы предложили несколько проектов так называемых полостных реакторов.
В одном из них внутри отражающей нейтроны оболочки помещена быстро вращающаяся кольцевая активная зона с расплавленным ядерным топливом. Рабочее вещество продувается сквозь расплав, распластавшийся под действием центробежных сил по стенкам зоны, и, нагревшись до высокой температуры, устремляется в реактивное сопло. В таком реакторе можно получить скорость истечения 12— 13 тыс. м/сек.
В другом проекте рабочее вещество раскаляется в активной зоне, состоящей из непрерывно вдуваемого в полость пылевидного ядерного топлива. Скорость истечения здесь может достигать 20-30 тыс. м/сек. Эти фантастические величины достигаются, однако, дорогой ценой — огромным расходом навсегда улетающего в космос ядерного горючего.
,,Может быть, с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам», — писал в 1911 году К. Циолковский. Его идея осуществилась в 1928-1933 годах, когда в газодинамической лаборатории создали первый электрический ракетный двигатель — родоначальник множества современных конструкций.
Пожалуй, простейшие из электрических ракет — электротермические. По сути дела, они ничем не отличаются от атомных, только в них рабочее вещество нагревается не в активной зоне реактора, а в пламени электрической дуги или в переплетении раскаленных спиралей. В таких ракетах удается получать скорость истечения лишь в 3-5 раз выше, чем в химических.
Но если использовать электрические и магнитные поля не для нагрева рабочего вещества, а для непосредственного ускорения заряженных частиц, можно построить двигатели с поистине фантастическими скоростями истечения.
Когда проводник с электрическим током оказывается в магнитном поле, оно стремительно выталкивает его. Говоря «проводник», мы имеем в виду не только металл, но и, к примеру, ионизированный газ-плазму. Именно так и работает магнитогидродинамический ракетный двигатель. Сильно раскаленный, превращенный в плазму газ можно испускать либо непрерывной струей, либо импульсами. Скорость истечения может достигать 10-70 тыс. м/сек.
Но самые высокие скорости получены в так называемых электростатических двигателях. Здесь рабочее вещество ионизируется, затем из него «отсасываются» электроны, а оставшиеся ионы ускоряются электрическим полем до 40— 200 тыс. м/сек! Однако чтобы «отсосанные» электроны не накапливались в теле ракеты, нужен еще нейтрализатор, возвращающий эти электроны в отработавшую реактивную струю.
Нетрудно заметить, что скорости истечения в электрических ракетных двигателях в 50-100 раз больше, чем в химических. Но, увы, ракета с самым совершенным электрическим двигателем, который мог бы появиться в ближайшие годы, не только никуда не улетит с Земли, она даже не шевельнется на стартовом столе. Тяга лучших современных электрических двигателей 200-400 г. В ближайшие годы, возможно, появятся двигатели с тягой в несколько килограммов. Не очень эффектно выглядят электрические двигатели рядом с химическими, которым уже сейчас под силу тяжести в сотни и даже тысячи тонн!
И тем не менее интерес к ним не случаен.
Огромная тяга современных термохимических ракет необходима, чтобы преодолеть силы земного тяготения и сопротивления атмосферы. За короткое время двигатель разгоняет ракету до нужной скорости, а дальше аппарат летит по инерции. И вот тут и пригодятся электрические двигатели, Уже при полете к Венере космический корабль, непрерывно ускоряемый малой силой, может конкурировать с химической ракетой. Годовой полет к Марсу и обратно выгоднее совершить на комбинированной химико-электрической ракете, чем на обычной химической, — стартовый вес ракеты в первом случае будет 422 т вместо 3600 т!
Но особенно ярко проявляются преимущества электрической тяги при полетах к дальним планетам. По расчетам зарубежных специалистов, «электрический» рейс к Плутону займет всего 3 года. Химическая ракета покроет это расстояние почти за полвека...
Не только в межпланетных перелетах найдут себе применение электрические двигатели. Найдется им дело и на околоземных орбитах. Они смогут компенсировать силы аэродинамического сопротивления, сокращающие жизнь низколетающих спутников. Они смогут переводить спутник с одной орбиты на другую, более высокую, позволяя тем самым снижать тягу стартовых ракет. Наконец, они смогут точно ориентировать спутники на орбите, как это впервые было сделано на советской автоматической космической станции ЗОНД-2.
