Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня
Если, например, вес взлетающей ракеты равен 100 тоннам, а сила тяги двигателя равна 200 тоннам, то и вес космонавта при взлете будет из-за перегрузки вдвое больше обычного, а ракета будет взлетать вверх с ускорением, равным нормальному, — скорость ракеты будет возрастать каждую секунду на 10 метров в секунду. Обратите внимание, это важно — ускорение взлетающей ракеты не в два раза больше обычного, а только равно ему, хотя перегрузка равна двум. Это легко объяснимо: чтобы ракета не падала вниз под действием силы тяжести, двигатель должен создавать тягу, равную весу ракеты. Значит, эта тяга не будет создавать ускорения ракеты, хотя топливо будет расходоваться. Только тяга, избыточная над весом, начнет разгон ракеты.
Но зачем нужно осуществлять разгон ракеты с таким большим ускорением, если перегрузки очень неприятно действуют на космонавтов да и на ракету тоже? Не лучше ли не торопиться й несколько увеличить продолжительность взлета, хотя бы, например, вдвое? Кстати, это будет выгоднее и потому, что понадобится менее мощный, а следовательно, и более легкий двигатель, да и вес ракеты будет меньше. Что же этому мешает?
Может быть, ракетные двигатели не в состоянии работать вдвое большее время, допустим, не 5–6, а 10–12 минут подряд? Действительно, создание таких долгоработающих двигателей — сложная задача, ибо ракетные двигатели работают в невиданно сложных условиях, не встречающихся в двигателях других типов. Но все же современная ракетная техника в состоянии создать нужные двигатели.
Тогда, может быть, нельзя осуществить такой замедленный взлет потому, что трудно управлять медленно взлетающей ракетой? Действительно, это очень плохо, что в течение большого времени после старта ракета движется с очень малой скоростью. Ведь даже небольшой порыв ветра может оказаться в этом случае губительным. И все же и с этой трудностью современная техника тоже может справиться.
Выходит, можно попробовать устроить нужную нам гонку по вертикали. Вот стоят рядышком на пусковых столах обычная ракета и наш «тихоход». Мерно отсчитывает метроном секунды: «…Три… Два… Один… Старт!» Первые мгновения оба соревнующиеся аппарата движутся, кажется, одинаково медленно, затем дело резко меняется — ведь ускорение «тихохода» (мы его считаем прежним) в 30 000 раз меньше, чем ракеты, если для нее оно равно 30 м/сек?. Прошла минута, и ракета, давно скрывшаяся в небе, мчится уже со скоростью 1,8 километра в секунду, тогда как скорость «тихохода» равна всего 6 сантиметрам в секунду. За эту минуту он поднимется всего на 1,8 сантиметра, а ракета умчится на 54 километра. Но нас теперь все это уже не пугает, мы знаем, что «тихоход» похож на улитку только в начале пути, а потом берет свое. Кто же все-таки победит в соревновании?
Мы догадываемся, что в конце концов победа будет на стороне того, кто совершит взлет с меньшей затратой топлива, и начинаем думать, что тут-то победителем окажется «тихоход» — иначе зачем было автору рассказывать все это? Но оказывается, что «тихоход» безнадежно проиграет…
Помните, ваше внимание было специально обращено на несоответствие между тягой и ускорением взлетающей ракеты? Когда двигатель ракеты развивает тягу, в точности равную весу, то хотя он ежесекундно поглощает целую реку топлива, ракета будет висеть в воздухе неподвижно, опираясь на огненный водопад вытекающих из двигателя газов. Стоит чуть увеличить тягу, и ракета тронется вверх, появится ускорение. Неудивительно, что при малом ускорении, как в случае «тихохода», оно достается ценой очень большой траты топлива, — так сильно сказывается обязательный «довесок» в виде расхода топлива на создание тяги, равной весу ракеты. Когда ускорение возрастает, то относительное влияние этого «довеска» становится, естественно, меньше. Следовательно, уменьшается и затрата топлива на единицу ускорения ракеты (ученые говорят, что уменьшаются гравитационные потери при взлете).
Если весь взлет с разгоном ракеты осуществляется вертикально, то «тихоход» затратит на него примерно в 7500 раз больше топлива, чем ракета. Такой взлет не просто невыгоден, он, невозможен. Выходит, вертикальную гонку «тихоход» действительно проигрывает по всем статьям…
Значит, идея применения «тихохода» в космосе абсурдна?
Конечно, рассказ этот ведется не зря, на «тихоходах» еще рано ставить крест. Прежде всего, вертикальный взлет космических ракет длится, в общем, недолго. Как только они пересекают нижние, плотные слои атмосферы, так тотчас же переходят с вертикального на наклонный, а затем и горизонтальный полет. Собственно, невыгодный вертикальный взлет и нужен лишь для того, чтобы как можно быстрее пересечь толщу плотной атмосферы, полет в которой связан, в свою очередь, со значительными дополнительными потерями топлива на преодоление сопротивления воздуха. Но как только плотный воздух позади, можно переходить на полет по горизонтали, когда вредное действие земного тяготения уже не сказывается и гравитационные потери отсутствуют. Тут уже можно бы найти применение и «тихоходу», но все же он будет уступать обычной ракете.
Область, где «тихоход» ни в чем не уступит, иная. Представьте себе, что космический корабль уже вышел на орбиту искусственного спутника Земли. Позади — трудный взлет, атмосфера, перегрузки. Достигнута орбитальная, или первая космическая скорость. Теперь уже, если двигатель будет выключен, корабль станет бесконечно долго обращаться вокруг Земли. А если снова включить двигатель? Раз двигатель уже не должен своей тягой компенсировать вес корабля и преодолевать сопротивление воздуха, то любая, даже самая небольшая тяга вызовет ускорение. «Довеска», о котором говорилось выше, более не будет.
Значит, тут уже нет необходимости в сверхмощных ракетных двигателях, развивающих тягу в сотни тонн и поглощающих ежесекундно тонны топлива. Даже самый крохотный двигатель с тягой, меньшей веса корабля в тысячи раз, заставит корабль двигаться с ускорением (вспомните космические «каравеллы», о которых шла речь в предыдущей главе). И пусть это ускорение будет очень небольшим, все же со временем оно сильно увеличит скорость корабля, например, до скорости отрыва, когда корабль полностью разорвет цепи земного тяготения и отправится в межпланетный полет, от орбиты вокруг Земли к орбите вокруг Марса или другой планеты назначения. В таком межорбитном полете действительно годится и «тихоход», тут уж вовсе не обязательно разгонять корабль быстро, можно и медленно.
Но разве медленно — значит лучше? Верно, что двигатели малой тяги будут проще и надежнее, но ведь зато они должны будут работать уже не минуты, а многие дни и месяцы подряд. Они будут, естественно, легче и меньше по размерам, но и это не решающее обстоятельство. Главное, конечно, как будет обстоять дело с расходом топлива. И здесь-то мы подходим к самому существенному.
Оказывается, расход топлива на полет не будет зависеть от того, как долго он продолжается. Еще Циолковский установил, что не тяга двигателя и не продолжительность его работы, а скорость истечения газов из двигателя — вот что, прежде всего, определяет затрату топлива на полет. Почему так?
Потому, что чем меньше скорость истечения, тем больше должен быть расход топлива для получения той же тяги. Любая сила, в том числе и тяга двигателя, есть произведение массы на величину изменения скорости за время действия силы. Один и тот же толчок заставит катиться легкий алюминиевый шарик быстрее, чем тяжелый стальной. Выплюньте вишневую косточку — она полетит с большой скоростью, потому что ее масса мала. Но та же сила (ибо действие равно противодействию, и косточка действует на вас с той же силой, что и вы на нее) даже не сдвинет вас с места — ваша масса велика.
Если каждую секунду из двигателя вытекает один килограмм газов со скоростью 1000 метров в секунду, то сила тяги будет равняться 1000 ньютонам (или примерно 100 килограммам). Если же скорость истечения возрастет до 2000 метров в секунду, то для сохранения тяги расход газов должен уменьшиться вдвое, то есть до 0,5 килограмма. Значит, самый простой и прямой путь уменьшения расхода топлива — увеличение скорости истечения.
Но это тривиальная истина, и вся история ракетной техники — это, в значительной мерю, борьба за увеличение скорости истечения. К сожалению, успехи, одержанные на этом фронте, весьма скромны. По существу, скорость истечения газов из лучших современных двигателей превышает эту скорость в самых ранних двигателях не более чем в полтора раза. За тридцать лет — и всего в полтора раза!
Это, конечно, не случайно, и, что хуже всего, даже перспективы на будущее здесь тоже, в общем, весьма скромны. Рост еще раза в полтора — это, пожалуй, максимум, на который можно рассчитывать. Больше, чем примерно 4500 метров в секунду, самый лучший ракетный двигатель дать, очевидно, не сможет. Но, значит, этим устанавливается и предел для экономии топлива со всеми вытекающими отсюда последствиями, прежде всего, в отношении величины полезного груза, а также длительности полета. Так на пути человека в космос возникает незримый «барьер скорости истечения».
