Техника - молодёжи 1969-11, страница 23
ракетам. Этот вид двигателей еще долго будет оставаться основным для современной космонавтики. Однако химические ракеты необычайно прожорливы. Ограниченная энергоемкость даже самых лучших химических топлив приводит к колоссальным размерам космических кораблей. Вес ракеты «Сатурн-5» с кораблем «Аполлон-11» перед стартом к Луне составил около 3000 т! Вот почему ракетчики заинтересовались ядерной энергией... верхом на атомном ядре 1кг урана дает столько же энергии, сколько 1700 т бензина. Вместо гигантских баков с жидким кислородом и горючим — несколько кубиков урана — вот что сулит на первый взгляд ядерный ракетный двигатель. Но это не совсем так. Ни один ракетный двигатель не может работать без рабочего вещества. Выходит, в отличие от химических ракет, где топливо одновременно и рабочее вещество, в ядерной происходит своего рода «разделение обязанностей», оказывающееся очень важным ее достоинством. Выбирая рабочее вещество для химической ракеты, конструктор, как говорится, связан по рукам и ногам. С одной стороны, оно обязательно должно быть продуктом сгорания или разложения топлива, обладающего возможно более высокой энергопроизводительностью. С другой — его молекулярный вес должен быть как можно меньше, ибо при одинаковой температуре легкий газ дает скорость истечения большую, чем тяжелый. И вот показательный пример: пара кислород — водород дает огромное количество энергии. А рабочее вещество, получающееся при этой реакции, довольно тяжелое — вода. Ее молекулярный вес — 18. А молекулярный вес водорода — 2. При прочих равных условиях скорость истечения водорода втрое больше, чем воды! Использовать это преимущество позволяет ядерный реактор. Пропуская водород сквозь раскаленные тепловыделяющие элементы реактора, нагревая его до высокой температуры и выпуская через реактивное сопло, можно получить скорости истечения в 8—10 тыс. м/сек — то есть в два-три раза больше, чем в ЖРД. В США атомный ракетный двигатель «Нерва» развил тягу в 25 т, а скорость истечения на 50% выше, чем у лучших американских химических ракет. В такой установке скорость истечения ограничена температурой плавления тепловыделяющих элементов. Стремясь повысить ее, конструкторы предложили несколько проектов так называемых полостных реакторов. В одном из них внутри отражающей нейтроны оболочки помещена быстро вращающаяся кольцевая активная зона с расплавленным ядерным топливом. Рабочее вещество продувается сквозь расплав, распластавшийся под действием центробежных сил по стенкам зоны, и, нагревшись до высокой температуры, устремляется в реактивное сопло. В таком реакторе можно получить скорость истечения 12— 13 тыс. м/сек. В другом проекте рабочее вещество раскаляется в активной зоне, состоящей из непрерывно вдуваемого в полость пылевидного ядерного топлива. Скорость истечения здесь может достигать 20—30 тыс. м/сек. Эти фантастические величины достигаются, однако, дорогой ценой — огромным расходом навсегда улетающего в космос ядерного горючего. к марсу на «электричке» 19Может быть, с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам», — писал в 1911 году К. Циолковский. Его идея осуществилась в 1928—1933 годах, когда в газодинамической лаборатории создали первый электрический ракетный двигатель — родоначальник множества современных конструкций. Пожалуй, простейшие из электрических ракет — электротермические. По сути дела, они ничем не отличаются от атомных, только в них рабочее вещество нагревается не в активной зоне реактора, а в пламени электрической дуги или в переплетении раскаленных спиралей. В таких ракетах удается получать скорость истечения лишь в 3—5 раз выше, чем в химических. Но если использовать электрические и магнитные поля не для нагрева рабочего вещества, а для непосредственного ускорения заряженных частиц, можно построить двигатели с поистине фантастическими скоростями истечения. Когда проводник с электрическим током оказывается в магнитном поле, оно стремительно выталкивает его. Говоря ПОЛОСТНЫЕ РЕАКТОРЫ ВВОД ПЫЛЕВИДНОГО ЯДЕРНОГО ГОРЮЧЕГО "чива ПЫЛЕВИДНАЯ АКТИВНАЯ ЗОНА ЖИДКОСТНАЯ АКТИВНАЯ ЗОНА «проводник», мы имеем в виду не только металл, но и, к примеру, ионизированный газ-плазму. Именно так и работает магнитогидродинамический ракетный двигатель. Сильно раскаленный, превращенный в плазму газ можно испускать либо непрерывной струей, либо импульсами. Скорость истечения может достигать 10—70 тыс. м/сек. Но самые высокие скорости получены в так называемых электростатических двигателях. Здесь рабочее вещество ионизируется, затем из него «отсасываются» электроны, а оставшиеся ионы ускоряются электрическим полем до 40— 200 тыс. м/сек1 Однако чтобы «отсосанные» электроны не накапливались в теле ракеты, нужен еще нейтрализатор, возвращающий эти электроны в отработавшую реактивную струю. Нетрудно заметить, что скорости истечения в электрических ракетных двигателях в 50—100 раз больше, чем в химических. Но, увы, ракета с самым совершенным электрическим двигателем, который мог бы появиться в ближайшие годы, не только никуда не улетит с Земли, она даже не шевельнется на стартовом столе. Тяга лучших современных электрических двигателей 200—400 г. В ближайшие годы, возможно, появятся двигатели с тягой в несколько килограммов. Не очень эффектно выглядят электрические двигатели рядом с химическими, которым уже сейчас под силу тяжести в сотни и даже тысячи тонн! И тем не менее интерес к ним не случаен. Огромная тяга современных термохимических ракет необходима, чтобы преодолеть силы земного тяготения и сопротивления атмосферы. За короткое время двигатель разгоняет ракету до нужной скорости, а дальше аппарат летит по инерции. И вот тут и пригодятся электрические двигатели, Уже при полете к Венере космический корабль, непрерывно ускоряемый малой силой, может конкурировать с химической ракетой. Годовой полет к Марсу и обратно выгоднее совершить на комбинированной химико-электрической ракете, чем на обычной химической, — стартовый вес ракеты в первом случае будет 422 т вместо 3600 т! Но особенно ярко проявляются преимущества электрической тяги при полетах к дальним планетам. По расчетам зарубежных специалистов, «электрический» рейс к Плутону займет всего 3 года. Химическая ракета покроет это расстояние почти за полвека... Не только в межпланетных перелетах найдут себе применение электрические двигатели. Найдется им дело и на околоземных орбитах. Они смогут компенсировать силы аэродинамического сопротивления, сокращающие жизнь низколетающих спутников. Они смогут переводить спутник с одной орбиты на другую, более высокую, позволяя тем самым снижать тягу стартовых ракет. Наконец, они смогут точно ориентировать спутники на орбите, как это впервые было сделано на советской автоматической космической станции ЗОНД-2. л. гильберг 19 |
