Михаил Васильев - Путешествия в космос
Еще в 1903 году Циолковский предложил использовать для целей космического полета не примитивную пороховую ракету, а жидкостный реактивный двигатель. Вот описание этого двигателя, данное изобретателем.
«Представим себе такой снаряд: металлическая продолговатая камера… Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и довольно равномерно взрываясь в определенном для того месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента… В одном узком конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ: тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом расширенном ее конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью. Понятно, что такой снаряд, как и ракета, при известных условиях, будет подниматься в высоту».
Почему же Циолковский в своем проекте отказался от твердого топлива для ракеты и перешел на жидкое? Потому, что твердое топливо, все известные нам взрывчатые вещества, даже самые сильные, выделяют на килограмм веса значительно меньше энергии, чем обыкновенное жидкое горючее. Так, килограмм сильнейшего известного в настоящее время взрывчатого вещества — нитроглицерина выделяет при взрыве всего 1480 килокалорий тепла. А килограмм обыкновенного керосина (без учета веса участвующего в реакции кислорода) выделяет при полном сгорании больше 10 тыс. больших калорий. Разница только в том, что из горючего вещества энергия выделяется постепенно, по мере его сгорания, при взрыве же нитроглицерина энергия освобождается практически мгновенно. Но ведь в ракете такого мгновенного освобождения как раз и не надо. Циолковский подчеркивал, что горючее в его ракете взрывается «правильно и довольно равномерно».
Правда, сравнение, которое мы сейчас привели, не является безукоризненным. Нитроглицерин, взрываясь, не требует для этого участия кислорода воздуха, в реакции же горения керосина обязательно должен участвовать кислород. Но и смесь соответствующих доз керосина и кислорода (керосин в данном случае является горючим, кислород — окислителем, а вся смесь называется обычно топливом) на каждый килограмм сможет выделить 2200 калорий — в полтора раза больше, чем килограмм нитроглицерина.
Конечно, Циолковский не предполагал сжигать в своей ракете сырую нефть. Отделения для горючего в ракете он предполагал заполнить сжиженными водородом и кислородом. Соединенные в известной пропорции, они образуют гремучий газ — самое сильное, самое калорийное, самое теплотворное из известных Циолковскому видов топлива. Ведь при горении водорода в кислороде на каждый килограмм сгоревшего топлива выделяется свыше 3000 калорий.
Ну что ж? Раз основной принцип определен, двигатель, способный работать в космическом пространстве, найден, принципиальный чертеж космического корабля существует, почему же до сих пор не осуществлена его практическая работоспособная конструкция?
Детская игрушка — жестяной пропеллер, взлетающий с раскручиваемой катушки — вот первый предшественник современного самолета.
ОТНОШЕНИЕ МАСС
Увеселительная пороховая ракета — предшественник двигателей будущих космических кораблей.
Циолковский вывел основную формулу движения ракеты. Анализ этой формулы показывает, что ракета в космическом пространстве может развить поистине беспредельную скорость. Но для этого она должна израсходовать очень много горючего.
Попробуем разобраться в этом вопросе подробнее.
Вот с космодрома взлетает наш космический корабль. Он огромен и тяжел. С ревом и грохотом вырываются из его кормовых дюз толстые столбы пламени — раскаленных газов, движущихся в сотни раз быстрее урагана. На этих столбах, словно на ходулях, поднимается он над космодромом, все ускоряя свое движение. Вот уже ходули оторвались от Земли, он уже стремительно летит в небо, оставляя за собой огненный след. Через несколько минут он достигнет границы атмосферы, затем разовьет параболическую скорость и тут будет выключен двигатель. Большую часть дальнейшего пути до соседней планеты космический корабль совершит фактически по инерции, хотя на него будут действовать силы притяжения Земли, Солнца и планет.
Совершенно очевидно, что в момент отрыва от Земли корабль весил значительно больше, чем к концу работы реактивных двигателей. Ведь за это время сгорело огромное количество топлива, освобожденная энергия которого и разогнала корабль до космической скорости. Математик назвал бы наш космический корабль «телом переменной массы».
Конечная скорость корабля зависит от массы сгоревшего топлива и скорости истечения газов горения из сопла.
Чем больше скорость вытекающих газов, тем большую скорость разовьет ракета при том же самом количестве сгоревшего топлива.
Теоретически при использовании в качестве горючих сжиженных водорода и кислорода можно было бы получить скорость истечения в 3650 метров в секунду. Но практически в настоящее время на используемых топливах достигнуты скорости в 2000–2500 метров в секунду. Вероятно, путем напряженной работы, используя более калорийные топлива, которые смогут представить нам химики, мы сможем поднять эту скорость до 3500–4000 метров в секунду.
В решении этой задачи придется принять участие ученым разных специальностей. Химикам надо будет выбрать горючее, найти способы его рационального сжигания, теплотехникам — разработать форму камеры сгорания и выхлопного сопла, металлургам — найти жаропрочные и жаростойкие сплавы, отсутствие которых очень тормозит в настоящее время работы по повышению скорости вылетающей струи газов, конструкторам надо будет разработать эффективные системы охлаждения деталей двигателя.
Кроме скорости истечения и массы сгоревшего топлива, конечная скорость ракеты, взлетающей с Земли, зависит от интенсивности сжигания этого топлива, от того, в течение какого времени работал реактивный двигатель. Легко представить себе, что всю массу топлива можно сжечь не спеша, понемногу, газы горения с расчетной скоростью тоненькой струйкой будут вылетать из сопла, а космический корабль как стоял, так и останется стоять на Земле. Усилие, развиваемое при такой работе двигателя, недостаточно для того, чтобы преодолеть силу тяжести.
Чем стремительнее будет сгорать топливо, чем мощнее будет двигатель, тем выше будет ускорение и тем меньше придется нам сжечь топлива для достижения необходимой скорости.
Но мы уже знаем, что человеческий организм в силах переносить только определенной величины ускорение, и чем оно ниже, тем лучше для человека.
Легендарный древнегреческий поэт Гомер рассказывал, что однажды царю Одиссею пришлось плыть на своем корабле по узкому проливу, на обоих берегах которого сидело по страшному чудовищу: одно называлось Сциллой, другое — Харибдой. И оба чудовища подстерегали путешественников.
Конструктора космических кораблей подстерегает сразу несколько таких Сцилл и Харибд.
Он хотел бы увеличить скорость вытекающей из ракетного двигателя струи, но это влечет за собой повышение температуры в камере сгорания, а значит, значительно снижает долговечность двигателя.
Он хотел бы рассчитать корабль на полет с небольшим ускорением, чтобы это не отразилось на самочувствии экипажа корабля, но в этом случае он должен значительно увеличить запасы топлива.
И он с сомнением смотрит на таблицы расчетов. Вот что гласит одна из них, составленная на основании предположения, что мы нагреваем произвольным способом в камере сгорания струю водорода. Эта таблица гласит:
Если температура в камере сгорания равна 2700°, скорость истечения теоретически может достичь 6500 метров в секунду; если ее поднять до 5700°, скорость истечения можно обеспечить в 11 400 метров в секунду.
Конструктор задумчиво откладывает в сторону эту таблицу. Перед ним другая. Он смотрит на неумолимые колонки цифр:
Если при скорости истечения газов в 2000 метров в секунду мы захотим разогнать космический корабль до параболической скорости, но не допустим ускорения свыше 1,1g (около 11 метров в секунду за секунду), на каждый килограмм груза, которому мы придадим требуемую скорость, нам надо будет сжечь 143 тыс. килограммов горючего!
Это, конечно, немыслимо! Конструктор решает ухудшить условия жизни экипажа, подвергнуть людей повышенному ускорению. Пусть будет ускорение 10g (около 100 метров в секунду за секунду). Конечно, людям не легко будет перенести такое ускорение, но, во-первых, он, конструктор ракеты, приложит все усилия для того, чтобы облегчить работу экипажа в этих условиях. Он сконструирует специальные гамаки, в которых экипаж будет лежать в это время, чтобы перегрузка равномерно распределялась по всему телу. Во-вторых, ведь время действия перегрузки очень сократится по сравнению с первым вариантом. И трудно сказать еще, что легче переносит человеческий организм — небольшую, но длительную перегрузку или большую, но кратковременную.
