Техника - молодёжи 1961-11, страница 9

„ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЯГА" В КОСМОСЕ

Слово «корабль» каждый поймет кок нечто плавающее. Воздушные шары м дирижабли поддерживаются выталкивающей силой воздуха, космические корабли за пределами атмосферы поддерживаются своим дви-жением» Как известно, требуется некоторая минимальная скорость для того» чтобы достигнуть состояния невесомости.

Поэтому космические корабли, отправляющиеся с планеты, должны всегда использовать ускорительные двигатели, способные развивать огромные силы. Мы не рассматриваем такие ускорители. Для этих целей, очевидно, еще долгое время будут использовать ракеты на химическом топливе.

Мы будем рассматривать только движение корабля в космосе.

В этих условиях главная задача двигателя—действовать против сил инерции, а не поддерживать корабль. Здесь много общего с двигателем дирижабля, с той только разницей, что последний, кроме сил инерции, преодолевает значительное сопротивление трения.

В космосе нет «трения. Здесь нет среды, которая бы противодействовала движению. В этом есть и преимущества и недостатки. Дирижабль движется, отбрасывая назад мссы окружающего воздуха. Космический корабль должен нести такие массы с собой: он не сможет перемещаться в космическом пространстве, не отбрасывая части своего собственного веса.

Независимо от того, несет корабль эти массы сам или берет их из окружающей среды, он будет подчиняться закону противодействия: произведение его массы на скорость должно быть равно произведению массы отбрасываемых веществ на их скорость. Другими словами, тяга двигателя космического корабля «пропорциональна расходу выбрасываемой массы (число килограммов в секунду) и скорости, с которой эта масса выбрасывается. Из-за отсутствия трения тяга двигателя космического корабля теоретически может быть как угодно малой: любая сила, приложенная в течение длительного времени, даст ускорение и сможет двигать корабль в космосе.

На вкладке изображены схемы трех возможных двигателей для получения электрической тяги в космосе: электростатический ионный, электромагнитный плазменный и электродуговой плазменный двигатели: 1 — источник электроэнергии; 2 — источник ионов; 3 — ускоряющий электрод; 4 — замедляющий электрод; 5 — иейтрализирую-щая спираль; 6 — баки с горючим; 7 — генератор плазмы; В — электроды; 9 — электромагниты; 10 — дуговая камера.

В верхнем правом углу вы видите фотографию экспериментального плазменного двигателя, развивающего тягу примерно в полкилограмма. Температура струи 11000°С, то есть предельное значение, которое можно достигнуть в термических двигателях. Слева — траектории ионной и обычной ракет, совершающих рейс на Луну,

Сейчас в космосе используется только один род двигателя — ракета на химическом топливе.

В таких ракетах тяга образуется за счет (выбрасывания горячих продуктов сгорания топлива, которое как бы «хранит» в себе и массу и энергию выбрасываемого вещества. Однако теоретически это не так уж необходимо. Можно нагревать выбрасываемые массы газа с помощью постороннего источника, например ядерного реактора или электрической дуги. Выбрасываемое вещество можно ускорять электромагнитным или электростатическим полем без нагрева. Электрические устройства резко отличаются по своим возможностям от «химических» и «атомных» ракет. Чтобы лучше показать это, посмотрим, какими величинами можно оценить качества космического корабля. Прежде всего «надо сказать, что нет универсального наилучшего двигателя для космического корабля, точно так же как нет универсального транспортного средства вообще. Все зависит от цели путешествия, расстояния, времени и рода перевозимого груза.

Для ракетного двигателя наиболее важна экономия выбрасываемого вещества. Специалисты определяют эту экономию величиной «удельного импульса», то есть отношения развиваемой тяги к расходу выбрасываемого вещества (топлива).

Так как тягу измеряют в килограммах, а расход вещества в килограммах в секунду, то размерность удельного импульса можно выразить в секундах. Тогда эту величину можно представить себе как время, в течение которого один килограмм выбрасываемого вещества будет развивать тягу, равную одному килограмму. Чем больше удельный импульс, тем меньший расход топлива требуется для получения заданной тяги. В свою очередь, величина тяги зависит как от расхода топлива, так и от скорости космического корабля. Поэтому, чтобы получить наибольший удельный импульс, надо максимально увеличивать скорость истечения.

В современных ракетах этого добиваются повышением температуры выбрасываемых газов, однако такой способ имеет недостатки. Лучшие химические топлива сжигаются при температуре около 4000°С. Это позволяет получать скорости истечения до 3 ООО м/сек и удельные импульсы около 300 сек. Увеличить эти значения не удается, так как при температуре 4000°С почти все химические связи в веществах разрываются и никакое охлаждение здесь не помогает.

Очевидно, ракеты на химическом топливе уже достигли пределов своих возможностей.

Термоядерные установки будут иметь большие размеры, но дадут возможность использовать в качестве выбрасываемого вещества водород, скорость истечения которого выше, чем у обычных химических топлив.

В поисках повышенных удельных импульсов ученые обратились к электри

ческим устройствам. Если их усилия увенчаются успехом, мы получим экономичный космический двигатель, во многом отличающийся от уже известных нам. Тяга новых двигателей будет в сотни раз меньше, чем у существующих, а поэтому время их действия сильно увеличится. Величину удельного импульса этих двигателей можно легко менять от очень больших значений до очень малых. Поэтому конструкторам мутно будет заботиться не о получении -максимального удельного импульса, а о правильном выборе его величины для данных условий. Как (мы увидим, двигатели с большими юкоростями истечения удобны для длительных путешествий.

Электричество можно использовать для нагревания отбрасываемых масс. Давно известно, что электрическая дуга дает температуры значительно большие, чем любая химическая реакция, причем регулировать такое устройство гораздо легче. Можно ожидать, что «дуговые» двигатели будут развивать удельные импульсы до 2 тыс. сек.

Расход мощности в таком двигателе составит около 100 кет на каждый килограмм тяги. При этом вытекающий газ, например водород, будет нагреваться до 10000—15000°С. Стенки камеры сгорания придется не только охлаждать, но и изолировать особым слоем холодных газов. Если повышать температуру газа еще больше, общие потери энергии на охлаждение стенок камеры становятся очень большими.

Поэтому стали искать другие пути. Решили использовать свойство электрической дуги увеличивать электропроводность газа. При температуре дуги газ частично ионизируется. Электроны отделяются от своих атомов, и вещество превращается в смесь из положительно заряженных атомов и свободных электронов.

Эта смесь, или, как ее называют, плазма, обычно в целом нейтральна. Но так как в ней имеется множество «загрязняющих» частиц, она становится превосходным проводником электричества.

Как известно, «проводник с током в магнитном поле получает ускорение. На этом основана работа электромотора. Направление движения зависит от направления тока в проводнике.

Расчеты показывают, что подобный «магнитогидроэлектрический» двигатель способен развивать удельные импульсы от 2 тыс. до 4 тыс. сек. Для этого требуются электрические мощности более 100 кет на каждый килограмм тяги и довольно тяжелые устройства.

Другой путь — воздействовать на заряженные частицы электрическим полем.

Здесь уже <не годится «смесь» положительных, отрицательных и нейтральных частиц. Использовать энергию поля могут только одинаково заряженные частицы. Проще всего, конечно, получать электроны и ускорять их до высоких скоростей. Однако масса их слишком мала и не будет компенсировать

5