Силовые установки космических кораблей

рандиозны бездны Галактики, отделяющие нас от других обитаемых миров. Но человек, становящийся господином Вселенной, думает не о неприступности звездных миров, а о тех трудностях, которые нужно преодолеть, чтобы совершить межзвездный прыжок.

Задача полета к звездам так сложна, что вполне естественным будет остановить наш выбор на планетах кратной звезды Альфа из созвездия Центавра; эта система, состоящая из трех самосветящихся звезд, ближайшая к нашей. Древние арабские астрономы называли эту систему звездой Толимак. Луч света идет от наименьшей из них, красноватой звездочки Проксима Центавра (Ближайшей Центавры) до Земли 4,27 года, а расстояние до нее в 270 тыс. раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, и составляет около 40 биллионов км. Насколько же оно велико? Человек обычно способен представить себе число до ста тысяч. После этого мы говорим — «много», не чувствуя самой величины. Поэтому в таких случаях следует прибегать к сравнениям.

Если уменьшить Солнечную систему так, чтобы она целиком уместилась на почтовой открытке, т. е. до диаметра 12 см, то при соответственном сокращении расстояний наша Галактика уменьшится в поперечнике до 9000 км, т. е. сможет разместиться примерно на территории Советского Союза. Поперечник нашей планеты Земли составит тогда менее ¹/₁₀ микрона, а Проксима Центавра отодвинется на расстояние 500 м от «открытки», лежащей перед нами. Если же «увеличить» Землю до размеров шарика диаметром 1 мм, то Проксима Центавра будет иметь размеры яблока, а расстояние между Солнцем и Проксимой составит около 2700 км.

Как велики межзвездные расстояния! Чтобы вырваться за пределы Солнечной системы, кораблю нужна «скорость освобождения» — около 16,7 км/сек относительно Земли, кстати, вполне достаточная для полетов за приемлемые сроки в Солнечной системе. Но, даже двигаясь со скоростью 20 км/сек по кратчайшему пути к Проксима Центавра, ракета достигнет этой цели примерно через 66 тыс. лет!

В действительности, поскольку Солнце вместе со своими планетами, и в частности с Землей, перемещается вокруг центра Галактики со скоростью около 200 км/сек, а скорость удаления ракеты от Солнечной системы (по ветви гиперболы) относительно невелика, ракета будет двигаться вокруг центра Галактики по орбите, которая мало отличается от орбиты Солнечной системы. Отклонение в сторону избранной звезды будет очень малым, и путь к звезде чрезвычайно удлинится. Таким образом, встреча ракеты со звездой будет почти столь же маловероятна, как встреча с этой звездой Солнца. В то же время известно, что за миллиарды лет своего существования, совершив множество оборотов вокруг центра Галактики, Солнце не встретилось ни с одной из звезд.

Многие поколения космонавтов сменились бы в ракете за 66 веков путешествия, а ведь нужно еще лететь обратно. Слишком уж продолжительным оказывается путешествие. Думается, что такие, особенно первые, пробные путешествия целесообразно осуществлять за срок творческой жизни человека. К тому же, если полет будет совершаться слишком долго, бурно развивающиеся на Земле наука и техника позволят за это время настолько усовершенствовать звездолеты, что новые корабли достигнут цели раньше, чем вернется первый разведчик. Добытые им сведения могут в значительной мере потерять свою ценность.

Очевидно, для сокращения сроков путешествия необходимо увеличить скорость полета. И поскольку мы имеем дело с расстояниями, которые луч света проходит за годы (от Солнца до Земли он доходит за 8 минут), потребуется создать аппараты, движущиеся со скоростями порядка скорости света, и обеспечить их энергетические потребности.

В ряде статей и брошюр, опубликованных в последнее время, приводятся многочисленные и часто различные результаты оценок характеристик звездолетов. Известно, однако, что окончательные результаты вычислений, без приведения хотя бы в общих чертах хода самих расчетов, обычно кажутся не очень убедительными. Кроме того, некоторым читателям, может быть, захочется самим выполнить расчет оценки возможностей звездолета для маршрута, который им представляется интересным.

Итак, оценивая перспективы использования реактивного двигателя любого типа, предлагаемого для галактического корабля, следует выяснить два принципиальных вопроса. Во-первых, может ли этот двигатель обеспечить скорость полета, сравнимую со скоростью света. Для этого, как явствует из формулы К. Э. Циолковского, скорость истечения рабочего тела из камеры сгорания может уступать скорости света не более чем на один порядок, т. е. составлять хотя бы десятки тысяч километров за секунду. Во-вторых, возможно ли, используя предлагаемый двигатель, обеспечить энергетические потребности звездного корабля.

С этих позиций и следует оценивать возможности каждого из типов двигателей.

Обратимся прежде всего к рассмотрению принципов работы и некоторых особенностей разнообразных известных схем двигателей для космических кораблей, чтобы выбрать те из них, которые можно использовать для будущих межзвездных путешествий. Эти двигатели могут быть разделены, например по способу передачи тепла отбрасываемому из ракеты рабочему телу, на три группы (рис. 3).

1. Двигатели, у которых смесь, образующаяся в камере, служит одновременно источником тепла и рабочим телом (р. т.). При истечении рабочего тела (вещества) из сопла создается тяга ракеты.

2. Несколько сложнее двигатели, у которых источник тепла и рабочее тело разделены. В такой схеме рабочее тело нагревается, проходя, например, через атомный реактор.

Рис.3. Классификация двигателей космических аппаратов по способам передачи тепла рабочему телу

3. Наконец, еще сложнее двигатели, у которых между источником тепла и рабочим телом размещаются устройства, с помощью которых энергия передается рабочему телу.

Однако лишь некоторые из многообразных схем ракетных двигателей могут считаться принципиально пригодными для звездных кораблей.

Весовое совершенство силовой установки космического корабля можно охарактеризовать ее удельным весом γ_дв, т. е. отношением полного веса силовой установки (веса аппарата за вычетом веса полезного груза и топлива) к получаемой полной тяге двигателя. Принимаем, что это отношение сохраняется неизменным по мере уменьшения начального веса силовой установки (например, в связи со сбрасыванием опорожненных баков соответственно уменьшается тяга):

(2.1)

Удельный вес характеризует, в частности, и достижимое ускорение — темп разгона летательного аппарата, а следовательно, если его энергетические потребности обеспечены, определяет и время путешествия на определенное расстояние. При оценке двигателей нам придется обращаться и к другому важному параметру — так называемой удельной тяге Р_уд, т. е. тяге, которая может быть получена, если израсходовать в двигателе 1 кг топлива за 1 сек. Для вычисления удельной тяги нужно полную тягу двигателя (в кг) разделить на общий расход топлива в секунду:

(2.2)

Удельной тягой определяется удельный расход топлива G_т.уд Для создания 1 кг тяги, например, за 1 сек:

(2.3)

При определении удельной тяги двигателя надо учитывать также расход топлива, необходимый для привода устройств, обеспечивающих его работу. Например, у всех двигателей — для устройств, подающих рабочие тело, а у ионного двигателя, кроме того, на работу испарителей, ускорителей ионов и т. п.

Чем больше удельная тяга, тем меньше удельный расход топлива, т. е. выше экономичность двигателя. Иными словами, если на двух летательных аппаратах установлены два двигателя равной тяги, но различной удельной тяги, то при одинаковых запасах топлива аппарат с двигателем большей удельной тяги будет действовать дольше. Следовательно, он преодолеет большее расстояние. Увеличение удельной тяги позволяет уменьшить отношение начального, стартового веса аппарата к его конечному весу, а значит облегчает создание космического корабля.

Отметим также, что величина удельной тяги ракетного двигателя зависит от термического коэффициента полезного действия η_т, т. е. отношения кинетической (скоростной) энергии, сообщенной в двигателе рабочему телу, ко всей теплотворной способности топлива:

(2.4)

где v _р.т — скорость истечения рабочего тела, м/сек;

g — ускорение силы тяжести, м/сек²,

Н_u— теплотворная способность топлива, ккал/кг;

— механический эквивалент тепла, ккал/кгм.

Преобразование теплотворной способности топлива в кинетическую энергию истекающей струи происходит с потерями: часть тепла уносится с истекающим телом, а часть по тем или иным причинам не выделяется (неполнота сгорания).

Удельная тяга может быть подсчитана по уравнению:

(2.5)

Таким образом,

(2.6)

Следовательно, удельная тяга тем выше, чем выше теплотворная способность используемого горючего и термический к.п.д. Увеличение теплотворной способности топлива — один из наиболее эффективных способов увеличения удельной тяги. Например, при использовании ядерного горючего U-235, теплотворная способность которого 1,6-10¹⁰ ккал/кг, т. е. примерно в 2 млн. раз выше, чем любого химического топлива, количество полезно реализуемого тепла, по сравнению со случаем использования химического топлива, выросло бы примерно в 1400 раз. Однако ясно, что увеличение теплотворной способности горючего при его непосредственном использовании в камере сгорания аппарата возможно лишь до тех пор, пока удается справиться с задачей защиты от перегрева стенок камеры, в которой осуществляется процесс. В варианте двигателя, когда жидкий водород нагревается в ядерном реакторе, теплотворная способность ядерного горючего используется лишь в малой степени и удельная тяга увеличивается лишь примерно в 3 раза по сравнению с удельной тягой двигателя, работающего на самом эффективном химическом топливе.

Когда осуществление тепловой защиты стенок становится невозможным или конструктивно неосуществимым, приходится обращаться к другим схемам двигателей, не

Рис. 4. Удельные тяги, которые могут быть получены при использовании двигателей различных типов

требующим столь высокого нагрева. В противном случае, поскольку , а для достижения минимально необходимой скорости галактического корабля скорость истечения рабочего тела может уступать не более чем в 10 раз скорости света, удельная тяга, получаемая при отбрасывании рабочего тела, может уступать не более чем в 100 раз удельной тяге, получаемой при электромагнитном излучении. Уже в этом случае, как показывают расчеты, неизбежны чрезвычайные трудности по обеспечению энергетических потребностей звездного корабля. Задача принципиально упрощается, если тяга создается за счет непосредственного отбрасывания такого идеального рабочего тела для галактических кораблей, как электромагнитное излучение. Удельные тяги, которые могут быть получены при использовании двигателей разных типов¹, представлены на рис. 4.