Меню

Двигатели для космических кораблей схема

Двигатели для космических кораблей схема

Р. Г. ПЕРЕЛЬМАН,
кандидат технических наук.

У ПОРОГА КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ

В

1957 ГОДУ мир узнал о величайшем достижении советской науки и техники — создании межконтинентальных баллистических ракет. Советские ученые сумели первыми блестяще использовать новейшую ракетную технику для мирных целей, запустив искусственные спутники Земли — разведчиков космической «целины».

Таким образом, была решена важная задача создания космических ракет, обслуживающих зону спутников Земли. Этот первый этап овладения космосом закончится, очевидно, построением ближних внеземных станций — космических островов-лабораторий, которые будут использованы также для стартов дальних космических кораблей. Одновременно человек будет все глубже проникать в околосолнечное пространство с помощью ракет, сначала на химическом, а затем и на ядерном горючем. Будут созданы аппараты, которые понесут с Земли либо с ее спутников автоматических «наблюдателей», а потом и экспедиции на Луну и другие планеты солнечной системы.

Но попытаемся заглянуть в более отдаленное будущее, которое пока еще находится «в ведении» писателей-фантастов. Рассмотрим некоторые научно-технические возможности полетов в Галактике — огромной звездной системе, в которую входит и наше Солнце.

Прежде чем начинать столь далекое путешествие, надо, конечно, решить, куда именно мы хотим добраться. Ведь только в нашей Галактике можно с достаточным основанием предположить существование около 150 миллионов планетных систем, подобных нашей, солнечной. Остановим свой выбор на планетной системе звезды Альфа из созвездия Центавра; система этой звезды — ближайшая к нашей. Свет, распространяющийся со скоростью 300 тысяч километров в секунду, то есть около 10 триллионов километров в год, идет от спутника этой звезды — Ближайшая Центавра — до Земли около 4 лет. Если к этому спутнику отправить ракету со скоростью 20 километров в секунду, то есть со скоростью, вполне достаточной не только для полетов в пределах солнечной системы, но даже, чтобы ее покинуть, то ракета долетит до цели только через 65 тысяч лет! Многие поколения космонавтов сменились бы в ракете за 650 веков «путешествия, а ведь надо еще лететь и обратно. Слишком уж продолжительным оказывается путешествие, тем более что оно должно быть первым, разведывательным.

Ясно, что 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), нужно создать аппараты, летающие со скоростями порядка скорости света.

Уже опубликованы различные схемы двигателей для космических ракетных кораблей. Однако лишь некоторые из них могут считаться принципиально пригодными для звездолетов.

ГОДЯТСЯ ЛИ СОВРЕМЕННЫЕ РАКЕТЫ

Более чем полвека назад К. Э. Циолковский установил, что наибольшая конечная скорость ракеты возрастает с увеличением скорости истечения рабочего тела, например, газов, из камеры ракеты и в меньшей степени — с увеличением отношения начального веса ракеты к конечному (то есть весу той части ракеты с полезным грузом, которая завершает полет).

Поэтому для увеличения скорости полета аппарата необходимо облегчать вес его конструкции, увеличивая в то же время количество топлива на борту. Однако возможности увеличения отношения масс ограничены. В самом деле, обычное ведро, в котором носят воду, весит примерно 1 килограмм и вмещает около 15 килограммов жидкости; железнодорожные цистерны вмещают по весу примерно в 13 раз больше топлива, чем весят сами.

Для одноступенчатой ракеты такого соотношения масс добиться нельзя. Ведь ракета — это не просто летающий бак. Она плотно «набита» многочисленными устройствами для хранения и подачи топлива в камеры, для быстрого его сжигания, автоматами для управления и т. п. Поэтому трудно ожидать, чтобы отношение масс для одноступенчатой ракеты было больше 5—6.

Чтобы повысить количество запасаемого топлива, по сравнению с конечным весом конструкции ракеты и груза, ее приходится делать в виде составного, «тающего» поезда, то есть создавать ракету из нескольких ступеней (эта идея, как известно, была высказана еще К. Э. Циолковским). Ракета из двух ступеней может развить почти на треть большую скорость, трехступенчатая — в полтора раза большую скорость по сравнению с одноступенчатой. Но с увеличением числа ступеней аппарат все более усложняется по конструкции, а выигрыш в скорости все уменьшается.

Становится очевидным, что только увеличение скорости истечения рабочего тела может обеспечить дальнейшее повышение скорости ракеты. Достигнутые ныне скорости истечения газов из камер химических ракет составляют около 3 километров в секунду; максимально же возможная скорость истечения (при использовании химических топлив), как показывают расчеты, составляет около 5 километров в секунду. Таким образом, ракеты на химическом топливе для полета за пределы солнечной системы оказываются непригодными.

Не смогут обеспечить необходимых скоростей истечения и ракетные двигатели, у которых рабочее тело будет «прокачиваться» через атомный реактор, получая при этом тепло. Даже в случае, если бы удалось в камере двигателя использовать термоядерную реакцию и обеспечить за счет разогрева рабочего тела скорость истечения более 15 километров, в секунду, то и тогда бы скорость полета десятиступенчатой ракеты, с отношением масс в каждой ступени 6, не превысила бы 100 километров в секунду. Но и этого, конечно, совершенно недостаточно для полета к звездам.

Оценивая возможности других известных схем ракетных двигателей, приходится признать, что, пожалуй, только три из них могут в будущем оказаться принципиально пригодными для полетов к различным планетным мирам. Это ионолеты, движущиеся за счет отбрасывания разогнанных в ускорителях ионизированных молекул газа; ядерные ракеты, двигатели которых создают тягу за счет отбрасывания частиц, получающихся в ходе ядерных процессов, и, наконец, квантовые ракеты, в которых роль рабочего тела играют потоки электромагнитных волн.

Читайте также:  Нормативы кузовного ремонта автомобилей

Любопытно, что в силу ряда причин (на которых мы остановимся в дальнейшем) все ракеты, использующие «звездные двигатели», могут успешно действовать лишь после того, как аппарат выведен за пределы Земли, превращен в ее спутник.

Невозможность взлета и посадки звездолета на планетах с существенной силой тяготения обязательно предполагает наличие на нем летательного аппарата другой схемы, чтобы совершать на этом аппарате путешествия между планетными системами далеких звезд.

Из звездолетных аппаратов будущего лучше других изучены ионолеты.

Идея создания ионного двигателя была высказана К Э. Циолковским. Позже в ее развитие было предложено использовать в качестве рабочего тела цезий и рубидий. Эти два металла выбраны потому, что их атомы обладают сравнительно большим весом и вместе с тем легко ионизируются.

В силовой установке предусматривается особое устройство, которое вырабатывает необходимую для работы двигателя электрическую энергию. Цезий или рубидий разогреваются до испарения и поступают в

Схема ионного двигателя, с помощью которого ионолеты будут преодолевать огромные пространства с космической скоростью.

камеру, в которой устанавливается раскаленная решетка (катализатор). При прохождении через нее от атомов паров цезия отрываются электроны, то есть атомы ионизируются и приобретают положительный электрический заряд; при этом число ионизированных атомов достигает почти 100 процентов. Затем электрическим полем ионы и электроны разделяются и порознь разгоняются в ускорителях до скоростей порядка 80-100 километров в секунду. Такой разгон заряженных частиц сейчас широко применяется в науке и технике. После этого ионы и электроны подаются параллельными «струями» в сопло, где, соединяясь, образуют струю стремительно отбрасываемых атомов.

Возникает вопрос: зачем разгонять в ускорителе не только ионы, но и электроны, которые в десятки тысяч раз легче ионов цезия или рубидия и, значит, не могут дать значительного увеличения отбрасываемой массы? Однако здесь приходится принимать во внимание следующее обстоятельство: ионы, проходя через сопло и выходя из ракеты, будут отрывать электроны от атомов металла, из которого сделан корпус ракеты, и тем самым очень быстро зарядят ее до такого высокого потенциала, что дальнейшее выбрасывание ионов станет затруднительным — электрический заряд корпуса ракеты будет отталкивать ионы обратно внутрь ракеты! Чтобы избежать этого, разогнанные ионы необходимо нейтрализовать разогнанными же электронами (если последние не разгонять, эта задача нейтрализации окажется весьма трудной). В результате образуется поток нейтральных атомов цезия, который беспрепятственно покинет ракету.

По одному из проектов вес небольшого автоматического космического аппарата для облета планет солнечной системы составляет 1,5 тонны, из которых 100 килограммов приходится на рабочее тело и почти 700 килограммов — на полезный груз (включая приборы для управления ракетой на расстоянии). В качестве источника энергии двигателя предусматривается ядерный реактор мощностью около 1 тысячи киловатт. Тепло от реактора отводится жидким натрием и передается в теплообменнике ртути. Образующиеся пары ртути вращают турбины электрогенератора. Электрическая энергия используется для подогрева цезия до температуры 800 и накала вольфрамовых решеток, на которых он ионизируется. Затем в ускорителе поток ионов под действием электрического поля приобретает скорость до 200 километров в секунду и вытекает с присоединившимся к нему потоком разогнанных электронов через сопло. Общая сила тяги двух двигателей составит лишь 0,15 килограмма, и аппарату удастся сообщить ускорение всего 0,01 процента ускорения силы тяжести на Земле.

Столь ничтожные величины тяги и ускорения могут показаться совершенно недостаточными для звездолетов: ведь современные ракеты и те обладают тягами во много десятков тонн! Но при этом не надо забывать, что на разгон «земной» ракете отводятся десятки секунд, да и движется она в сильном поле притяжения Земли. Звездный же корабль может разгоняться годами в пространстве, где он не испытывает почти никакого притяжения к небесным телам. Поэтому даже при столь слабой тяге он постепенно наберет скорость, которая в десятки тысяч раз больше скоростей «земных» ракет.

Как показывают предварительные расчеты, ионолет с полезным грузом в 1 тонну, если увеличить число его ступеней до 5 и найти способ разогнать ионы до 20 тысяч километров в секунду, при тяге в 50 раз меньшей стартового веса, получит ускорение в 1 /50 земного ускорения. Тогда на разгон до 50 тысяч километров в секунду космическому кораблю понадобится около 7½ лет, затем 18 лет корабль будет двигаться с этой скоростью, а потом в течение 7½ лет тормозиться. Таким образом, весь полет до Ближайшей Центавры продолжался бы около 33 лет.

Насколько же близки проекты ионолетов к реальному осуществлению? Современные ускорители действительно разгоняют ионы до скоростей порядка десятков тысяч километров в секунду, но интенсивность потока разгоняемых в них ионов пока что совершенно ничтожна — миллионные доли грамма в секунду. В то же время сами ускорители весят десятки и сотни тонн. Даже при тех небольших тягах, которые необходимы для ионолетов, требуется повысить «мощность» ускорителей в огромное число раз, резко снизив при этом их собственный вес, что пока является нерешенной инженерной задачей. Кроме того, очень много весят источники питания ионолета энергией.

Таким образом, о реализации проектов ионолетов можно будет говорить лишь после того, как удастся создать легкие малогабаритные и вместе с тем весьма мощные ускорители ионов и источники электроэнергии для ускорителей. Современная физика уже начала разработку этих труднейших вопросов, н можно надеяться, что создание ионолетов явится делом не слишком отдаленного будущего.

Рассмотрим возможности использования ядерной ракеты, тяга в которой должна создаваться за счет осколков ядер, образующихся в ходе цепной реакции деления и выбрасываемых затем упорядоченной струей из сопла. Скорость таких частиц составляет десятки тысяч километров в секунду, а количество делящегося материала может исчисляться килограммами. Казалось бы, это и есть путь к окончательному решению проблемы межзвездного полета!

Однако этот заманчивый проект сразу же наталкивается на препятствия. Дело в том, что при распаде ядер всего лишь 1 грамма урана-235 выделится в секунду такое количество тепла, которое соответствует мощности в 100 миллионов лошадиных сил. Поэтому «тепловая» мощность двигателя ядерной ракеты достигнет многих миллиардов лошадиных сил, что сравнимо с атомным взрывом в камере сгорания. Конечно, это привело бы к мгновенному «испарению» камеры под действием ударов осколков, образующихся при цепном процессе деления.

Но нельзя ли сделать так, чтобы почти вся энергия шла на «выброс» частиц из сопла ракеты и лишь ничтожная доля энергии осколков превращалась в тепло? Иначе говоря, добиться того, чтобы двигатель работал в точности противоположно реактору атомной электростанции, где как раз необходимо максимально использовать выделяющееся тепло! Для этого прежде всего «горючее» должно находиться в газообразном состоянии, при котором осколки ядер медленнее бы рассеивали свою энергию в тепло (проекты такого реактора уже существуют). Далее, необходимо изолировать осколки от стенок камеры ракеты, например, обеспечив «магнитную защиту», подобную той. какая ныне используется в аппаратах для изучения термоядерных реакций электрическим разрядом. Наконец, нужно обеспечить направленный выброс из ракеты ядерных осколков. Эта задача облегчается тем, что осколки при своем образовании очень сильно ионизированы, и, значит, ими можно «управлять» с помощью электрического поля. Но поскольку ядерные осколки образуются с очень большими скоростями, то управление их движением потребует полей огромной силы. Ракету с таким «простейшим» ядерным двигателем пока практически создать невозможно, и поэтому ее называют «псевдоракетой».

Однако, как мы уже отмечали, и при очень малой постоянной тяге звездолет с течением времени смог бы набрать значительную скорость. Для создания тяги всего лишь в несколько килограммов достаточно ежесекундного деления ничтожного количества ядерного горючего; выделяющееся при этом тепло будет таким, что охлажденные специальным образом стенки камеры смогут устоять. Использование множества таких двигателей малой тяги в виде пчелиных сот и позволило бы создать тягу в несколько килограммов. Но реакция деления начнется лишь в тот момент, когда масса делящегося вещества достигнет определенной (критической) величины в объеме с небольшой площадью поверхности, что при «сотовой» конструкции, по-видимому, невозможно.

Таким образом, само по себе использование ядерного горючего для работы двигателя космического корабля без каких-либо дополнительных мероприятий пока еще недостаточно.

Разбирая проекты двигателей с очень высокими скоростями истечения рабочего тела, мы подошли к наиболее популярной схеме звездолета, связанной с надеждами «оседлать» электромагнитную волну и унестись с ее помощью в просторы Галактики.

В 1901 году профессор Московского университета П. Н. Лебедев опытным путем доказал справедливость одного из наиболее смелых предположений электромагнитной теории света, состоящего в том, что свет способен оказывать давление на тела. Но раз свет оказывает механическое воздействие, нельзя ли использовать это его свойство для движения звездолета? Правда, известно, что сила давления света крайне мала, например, на самолет, летящий в безоблачном небе, солнечные лучи давят с силой лишь в сотые доли грамма. Поэтому сразу становится очевидным, что использовать свет раскаленных небесных тел для звездолета-«парусника», который будет лететь на больших расстояниях от них, — задача нереальная. Тогда возникает вопрос: а нельзя ли установить источник электромагнитных волн в самой ракете? Собрав все излучение в пучок с помощью отражающего экрана и «выбросив» его в сопло, мы получим реактивную силу, которая будет зависеть лишь от мощности источника излучения. Совершенно ясно, что экран при этом должен отражать как можно больше падающего на него света.

Но это лишь идея. А что показывают конкретные расчеты? При идеально отражающем рефлекторе для получения тяги в 1 тонну необходим источник света

Из готовых блоков; изготовленных и испытанных на земных предприятиях, «пустотолазы» монтируют двигатель ионолета

мощностью около 2 миллиардов киловатт, то есть мощностью примерно 3 тысяч Днепрогэсов! Если сила тяги двигателя такого звездолета в 10 раз меньше его веса, то для разгона до скорости 100 тысяч километров в секунду ему понадобится около 3 лет. Если затем в течение еще 10 лет двигатель будет выключек и звездолет будет лететь с этой скоростью по инерции (что позволяет уменьшить запас рабочего вещества), а потом на протяжении 3 лет тормозиться, то весь путь от Земли к Ближайшей Центавре займет около 16 лет. Если же до половины пути звездолет будет разгоняться, а вторую половину пути тормозиться, то срок полета несколько сократится. Непрерывно работающие двигатели звездолета должны будут израсходовать за время полета 10 17 киловатт-часов (около 10 20 больших калокалорий — примерно в два раза больше энергии, чем содержится ее во всех разведанных запасах горючих ископаемых Земли! Даже если бы удалось использовать термоядерные реакции, то есть получать примерно в 16 миллионов раз больше энергии с килограмма вещества, чем дает любое из известных химических топлив, то и в этом случае энергетические потребности звездолета не были бы обеспечены. Для этого необходимо найти способ нацело превращать ядра атомов в электромагнитные волны. Такие процессы наблюдаются при слиянии (аннигиляции) частицы с античастицей, например, электрона и позитрона. Однако в широких масштабах подобные процессы пока осуществить невозможно, ведь для квантолетов понадобились бы мощные источники античастиц или большой их запас.

Сегодня еще совершенно невозможно представить себе, какими должны быть «баки» для хранения антивещества — ведь оно не будет «дожидаться», пока его подадут в камеру «сгорания», а мгновенно аннигилирует с веществом самого бака! При слиянии частиц и античастиц образуются настолько «жесткие» электромагнитные волны (так называемые гамма-лучи), что для них даже идеально полированные экраны подобны решету. Они будут поглощать это излучение весьма интенсивно. При огромной мощности источника излучения это вызовет мгновенное испарение экранов. Поэтому придется преобразовывать гамма-лучи, например, в радиоволны.

Наконец, чтобы справиться со всем этим гигантским потоком излучения, сопло звездолета должно иметь огромную поверхность излучателей. Даже если принять, что концентрация потока излучения в сопле звездолета в 10 раз больше, чем у поверхности Солнца, то и тогда отражатели излучения должны были бы обладать площадью в десятки квадратных километров!

Как отмечает профессор Г. И. Бабат, экран столь колоссальных размеров расплющился бы на Земле под собственной тяжестью подобно киту, выброшенному из воды. Двигатель такого звездолета оказался бы способным вскипятить океаны, сдуть часть земной атмосферы. Поэтому сооружение гигантского звездолета, его старт и возвращение должны происходить на внеземной базе.

Говоря о возможности использования радиоволн большой длины (они гораздо слабее поглощаются экранами, нежели видимый свет), следует отметить, что направленные потоки их, обладающие довольно высокими мощностями, уже в состоянии создать современная техника. Наконец, и это немаловажное обстоятельство, экраноотражатели радиоволн можно делать не сплошными, а в виде редкой сетки, что позволит, очевидно, значительно снизить вес двигателя звездолета. Поэтому применение радиоволн кажется весьма заманчивым. Однако предстоит еще решить задачу огромной трудности — получить эти радиоволны. «Земные» источники для этой цели пока непригодны: слишком мала у них эффективность преобразования других видов энергии в энергию радиоволн.

С созданием мощнейших источников таких электромагнитных волн, которые будут поглощаться стенками «камеры сгорания» и отражателем не более чем на 1/1 000 000 000, сооружение звездолетов станет на практическую дорогу.

На вкладке изображен отлетающий квантолет, каким, возможно, мы увидим его с внеземной станции. Далеко от энергетического центра вынесена его кабина, в которой разместились исследователи, различное оборудование и устройства для управления двигателями на расстоянии. Запасенное «топливо» преобразуется в конечном счете в электромагнитные волны большой длины, отбрасываемые назад колоссальным решетчатым отражателем. Так обеспечивается тяга для разгона аппарата. Включен и один из рулевых двигателей — это экипаж выводит квантолет на заданный маршрут. Справа показан еще один звездолет, который подготавливают для очередного старта к ближайшим звездным мирам.

Когда будет создана лучевая ракета, человечество совершит новый шаг в овладении не только пространством, но и временем. Согласно теории относительности Эйнштейна, чем быстрее движется тело, тем медленнее течет для него время. Замедление времени значительно только при скоростях, очень близких к скоростям света, поэтому в повседневной жизни мы этого не замечаем. Но если скорость ракеты отличается от скорости света лишь на одну сотую процента, то время на ней будет протекать уже примерно в 70 раз медленнее, чем на Земле. Жизнь астронавтов «удлинится», хотя сами они этого в полете не заметят.

Только это и позволяет рассчитывать на то, что человеку удастся проникнуть в глубины мирового пространства, удаленные от нас на десятки и сотни световых лет. В противном случае, даже двигаясь с огромными скоростями, человек смог бы посетить лишь несколько ближайших планетных систем. Чтобы пройти нашу Галактику, лучу нужно около 100 тысяч световых лет! По мере того, как техника сможет осуществлять все большее приближение относительной скорости звездолетов к скорости света, станут достижимыми все более удаленные от нас миры.

Проблема создания звездолетов, пожалуй, теперь не представляется столь фантастической, как всего лишь несколько лет назад. Ныне можно предполагать, что уже в обозримые сроки будут созданы первые ионолеты, которые приблизят нас к решению такой задачи, как полеты на ближайшие к нам планетные системы.

Возможно, к концу нашего столетия будут закончены основные теоретические разработки в области лучевых звездолетов, и в следующем столетии эти аппараты понесут людей к другим мирам, отстоящим от Земли на десятки триллионов километров. Это неизмеримо поднимет могущество человека и сделает его, как предсказывал еще К Э. Циолковский, «гражданином вселенной».

Adblock
detector