Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня
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».
Природа этого барьера, представляющего собой главное препятствие дальнейшему освоению космоса и организации межпланетных сообщений, заключается в особенностях химической энергии ракетных топлив. Это топливо выполняет в двигателе сразу две различные функции, играет двойную роль. С одной стороны, топливо — источник энергии, его химическая энергия выделяется в двигателе и в результате происходящих в нем рабочих процессов преобразуется в конце концов в кинетическую энергию струи газов. Но, с другой стороны, топливо, или точнее — продукты его сгорания, являются и источником массы, тем рабочим веществом, истечение которого из двигателя непосредственно создает тягу. Поскольку величина химической энергии ограниченна, а состав вытекающих из двигателя газов определяется характером химической реакции сгорания, то есть не может быть избран произвольно по желанию конструктора, то ограниченной оказывается и величина предельно достижимой скорости истечения.
Правда, возможности химии здесь использованы пока еще далеко не полностью, впереди, несомненно, новые замечательные победы, которые с помощью химии одержит ракетная техника. Но все же ясно, что «барьер скорости истечения» химии взять не удастся. Вот так же в свое время развитие авиации подписало смертный приговор поршневым двигателям, хотя авиация обязана им многими успехами. Поршневые авиационные двигатели спасовали перед «звуковым барьером», химические ракетные двигатели пасуют теперь перед «барьером скорости истечения», перекрывающим путь в глубины космоса.
Один возможный способ преодоления встретившейся трудности напрашивается сам собой. Если суть дела — в совмещении функций химического топлива, то нельзя ли отказаться от такого «совместительства»? Нельзя ли отделить источник энергии от источника массы, то есть рабочего вещества? Правда, такое разделение потребует введения в двигатель специального механизма для подвода энергии к рабочему веществу, механизма, от которого так счастливо избавлены существующие «химические» двигатели, — именно это делает их такими небольшими и легкими. Но, хочешь выиграть в одном, мирись с проигрышем в другом. Если введение подобного передаточного механизма, хоть и весьма нежелательного, позволит существенно увеличить скорость истечения, то плата за это может оказаться приемлемой.
Однако, прежде всего нужно найти новый источник энергии, более мощной, чем химическая. Первая мысль в этой связи — о внутриядерной энергии атомов, в миллионы раз большей химической. Действительно, если бы удалось эффективно сообщить удачно избранному рабочему веществу, например водороду, энергию, таящуюся в ядрах атомов урана и некоторых других химических элементов, то проблема «барьера скорости истечения» была бы, по существу, снята. Однако практически реализовать эту возможность, к сожалению, исключительно трудно, если не невозможно. Основная трудность — именно в механизме передачи атомной энергии рабочему веществу.
Проектов здесь много, некоторые из них были рассмотрены выше, в главе VI, но нужно заметить, что, в общем, все они далеки и от реализации, и от совершенства. По наиболее распространенному мнению специалистов, атомные ракетные двигатели позволят увеличить скорость истечения по сравнению с химическими примерно вдвое. Подобные двигатели будут наверняка созданы, ибо это сильно расширит возможности астронавтики. И все же «барьер скорости истечения» взят с их помощью не будет, он будет лишь несколько отодвинут.
В атомных ракетных двигателях, как и в обычных химических, для достижения высокой скорости истечения рабочее вещество нагревается до весьма высокой температуры. Такой нагрев происходит либо в ходе химической реакции, либо же в атомном реакторе, в котором рабочее вещество получает тепло, выделяющееся в результате ядерных реакций.
Но науке известна еще одна чудодейственная природная сила, способная нагреть газ до колоссальных температур, это — сила электрическая. С помощью электричества даже в производстве удается получать температуру в десятки тысяч градусов, — кто не слышал об электрической дуге, применяющейся, например, при сварке металлов?
«Барьер скорости истечения».
В лабораториях же, в частности, в работах по управляемым термоядерным реакциям, мощный электрический разряд в газе превращает его в плазму, то есть в смесь электрически заряженных частиц — электронов и ионов, нагретую до температуры в миллионы и десятки миллионов градусов. При такой температуре и скорость истечения может быть практически как угодно большой. Уж не открывается ли здесь туннель в «барьере скорости истечения»?
Впрочем, электричество знает и иные пути разгона заряженных частиц до колоссальных скоростей, помимо высокой температуры. Хорошо известны, например, силы, возникающие между электрическим проводником, в котором течет ток, и окружающим его магнитным полем, — на использовании этих сил зиждется бесконечное число разнообразных электрических двигателей, верно служащих человеку. Но поскольку сильно нагретый газ превращается в токопроводящую плазму, то, воздействуя на эту плазму, по которой течет ток, магнитными полями, можно заставить ее двигаться с очень большой скоростью и вытекать наружу из ракетного двигателя.
Кстати сказать, как обычный электродвигатель легко может быть превращен в генератор тока, так и здесь движение струи плазмы между полюсами магнитов может привести к возникновению электрического тока в цепи, соединяющей омываемые плазмой электроды. На этом принципе устроены так называемые магнитогидродинамические генераторы тока, не имеющие, в отличие от обычных динамо-машин, никаких движущихся частей и обладающие существенно большим коэффициентом полезного действия. Не зря с этими МГД-генераторами, как их называют, связывают перспективы грядущей революции в области электроэнергетики.
Хорошо известен и еще один метод разгона заряженных частиц с помощью электричества до колоссальных, субсветовых скоростей. Этот метод используется в целой армаде разнообразных ускорителей элементарных частиц в лабораториях ядерной физики. Названия подобных ускорителей — циклотрон, синхрофазотрон и другие — стали своеобразным символом нашего атомно-космического века. В вакууме рабочей камеры ускорителей разгон элементарных частиц — электронов, протонов и других — осуществляется электростатическим полем, действующим на основе хорошо известного каждому школьнику закона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Нельзя ли использовать тот же метод и для разгона рабочего вещества ракетного двигателя?
Что же, все три указанных метода, с помощью которых электричество в состоянии ускорить частицы рабочего вещества, действительно исследуются и даже уже используются ракетной техникой. Создаются и испытываются разные типы электрических ракетных двигателей, делящихся на три группы в зависимости от примененного метода разгона. Об этих двигателях уже упоминалось выше, в главе VI, в которой шла речь о новых типах «экзотических» реактивных двигателей.
В электротермических (или электродуговых) ракетных двигателях рабочее вещество нагревается до высокой температуры в электрической дуге, а затем вытекает с большой скоростью, расширяясь в реактивном сопле обычного типа.
В плазменных (или электромагнитных, еще — магнитогидродинамических) ракетных двигателях созданная тем или иным способом плазма рабочего вещества разгоняется до очень больших скоростей путем взаимодействия с электромагнитным полем.
В ионных (или электростатических) ракетных двигателях, более подробно описанных в главе VI, частицы рабочего вещества сначала ионизируются, то есть приобретают электрический заряд, а затем разгоняются до весьма больших скоростей в электрическом поле.
Как бы ни были устроены электрические ракетные двигатели космического корабля, на его борту должен находиться источник электрического тока для питания двигателей. Это, конечно, очень неприятная особенность электрических межпланетных кораблей, ибо в обычных химических двигателях «энергостанция» как бы находится внутри самого двигателя, в его камере сгорания. Здесь же нужна специальная установка, в которой должна генерироваться электрическая энергия за счет расходования энергии какого-нибудь другого вида.
